Černá díra v srdci hvězdokupy 47 Tucanae. Kredit: CfA / M. Weiss.

Prakticky všechny černé díry, které zatím známe, spadají do dvou různých kategorií. Buď to jsou malé černé díry hvězdných velikostí, jejichž hmota odpovídá jen několika Sluncím, anebo naopak supermasivní černé díry, což jsou kosmická monstra o hmotnosti milionů a někdy i miliard Sluncí. A mezi těmito dvěma typy černých děr neznáme prakticky nic. Postupně se sice objevilo pár kandidátů na černé díry střední velikosti (intermediate-mass black hole, IMBH), žádný z nich ale není úplně stoprocentně přesvědčivý. Odborníci očekávají, že by měly existovat černé díry s hmotností stovek až desetitisíců Sluncí, doposud ale byly spíše jen teoretické.

Bulent Kiziltan. Kredit: MIT.

V dnešním čísle časopisu Nature se dočtete o zbrusu nových důkazech, podle nichž jedna pěkně tučná černá díra střední velikosti sedí uprostřed veliké a krásné kulové hvězdokupy 47 Tucanae, viditelné pouhým okem na jižní obloze v souhvězdí Tukana. Zmíněná černá díra by měla mít hmotnost přibližně 2 200 Sluncí. Hvězdokupa 47 Tucanae je stará asi 12 miliard let a pozorujeme ji poměrně blízko, ve vzdálenosti 13 tisíc světlených let. Je to doopravdy úchvatný objekt. V prostoru o délce pouhých 120 světlených let obsahuje miliony hvězd, včetně celé řady zvláštních jako jsou modří opozdilci (blue stragglers), kataklyzmické proměnné hvězdy (cataclysmic variable stars), rentgenové dvojhvězdy o malé hmotnosti (low-mass X-ray binaries) anebo milisekundové pulsary. Jinými slovy, je to ráj pro astrofyziky.

Kulová hvězdokupa 47 Tucanae. Kredit: NASA, ESA, and Hubble Heritage.

Vědci už ve hvězdokupě 47 Tucanae pátrali po centrální černé díře. Doposud ale neúspěšně. Černé díry obvykle objevíme díky rentgenovému záření z akrečního disku rozžhaveného materiálu, který krouží kolem hodující černé díry. V nitru 47 Tucanae ale žádný takový materiál, natož akreční disk není, takže odtamtud ani nezáří rentgenové paprsky. Další možností je pozorovat chování hvězd v prostoru, kde by měla být hledaná černá díra. U tak blízkého objektu, jako je 47 Tucanae, by to mělo fungovat. Problém je ale v tom, že ve středu hvězdokupy 47 Tucanae je tolik hvězd a takový zmatek, že nemůžeme detailně sledovat pohyby jednotlivých hvězd.

Bulent Kiziltan z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) a jeho spolupracovníci to ale nevzdali. Velmi toužili najít nějakou černou díru střední velikosti, protože podle všeho představují mezičlánek mezi malými a gigantickými černými děrami. Studium černých děr střední velikosti by nám tudíž mohlo více objasnit, jak vlastně vznikají supermasivní černé díry. Kiziltan a spol. použili při stopování černé díry v nitru 47 Tucanae dva typy důkazů. První z nich hledali v pohybech hvězd v celé hvězdokupě. Pokud je ve středu 47 Tucanae černá díra, tak by její gravitace měla míchat s celou hvězdokupou jako ohromná kosmická lžíce.

Svět plný hvězd. Kredit: NASA, ESA, Hubble Space Telescope.

Když vědci simulovali pohyb hvězd 47 Tucanae a výsledky pak srovnali se skutečnými pohyby hvězd hvězdokupy, tak došli k závěru, že na pohyb hvězd doopravdy působí gravitace odpovídající černé díře střední velikosti. Druhý soubor důkazů pocházel z pozorování pulsarů, jejichž chování by rovněž měla ovlivňovat gravitace černé díry. A i v tomto případě vědci zjistili, že jejich pozorování nasvědčují existenci černé díry střední velikosti.

Jakmile Kiziltan a jeho spolupracovníci dali všechna pozorování dohromady, tak se jim najednou zjevila dobře skrytá, tichá a nenápadná černá díra střední velikosti o hmotnosti asi 2 200 Sluncí. Jako když vystopujete monstrum z dávných časů. Vzhledem k tomu, jak dlouho vzdorovala černá díra v nitru 47 Tucanae pokusům o objevení, lze rozumně očekávat, že podobně skryté černé díry budou i v řadě dalších kulových hvězdokup. Ale teď už víme jak na ně. Vědce čeká napínavý lov skrytých příšer. 

Video:  TEDxFulbright Bülent Kızıltan - Our Connection to the Cosmos


Literatura
Harvard-Smithsonian CfA 8. 2. 2017, Nature 542: 203–205, Wikipedia (47 Tucanae).