Jak vypadá černá díra v centru Mléčné dráhy?

Obří černé díry se nacházejí v centrech většiny galaxií a v naší Galaxii – Mléčné dráze – je tomu nejinak. V některých galaxiích je v okolí centrální díry ještě dostatek materiálu, který padá do díry, zahřívá se a intenzivně září. Jde o aktivní a velmi svítivé galaxie. V jiných už černá díra potravu ze svého okolí vyjedla a je klidná a tichá. To, že v centru naší Galaxie je černá díra, tušili astronomové a fyzikové již velmi dávno. V současnosti shromáždili řadu důkazů o její existenci a postupně poznávají její vlastnosti. Pojďme se v tomto článku se srdcem a motorem naší Galaxie seznámit.

Myšlenku existence tělesa, ze kterého by nemělo unikat světlo, poprvé zformuloval John Michell již v roce 1783 a hodnotu Schwarzschildova poloměru z newtonovské mechaniky odvodil Pierre Laplace v roce 1798. Skutečné řešení gravitačního pole v okolí sféricky symetrického tělesa nalezl až Karl Schwarzschild v roce 1916. Ukázalo se, že pokud jakékoli těleso stlačíme do malého objemu, stane se černou dírou, ze které do jejího okolí nemůže uniknout nejenom žádná hmota, ale ani světlo. Poloměr oblasti, do které se musí těleso dostat, se nazývá Schwarzschildův poloměr – spočteme ho snadno ze vztahu Rg = 2GM/c², kde G je gravitační konstanta, M hmotnost tělesa a c rychlost šíření světla ve vakuu. Pro naše Slunce vychází Schwarzschildův poloměr 3 km a pro naši Zemi 9 mm. Je zřejmé, že obě tělesa mají k černým děrám hodně daleko.

Zajímavé je okolí černé díry. Na poloměru 1,5 R_g se nachází kruhová orbita fotonů a na poloměru 3 R_g poslední stabilní kruhová orbita částic. Většinu černých děr ale netvoří jednoduché Schwarzschildovy černé díry. Skutečné černé díry rotují. Řešení rovnic obecné relativity pro rotující černou díru nalezl Roy Kerr až v roce 1963. V roce 1967 John Archibald Wheeler poprvé pro tyto hypotetické objekty použil termínčerné díry.

Podle současných představ by ve vesmíru měly být zastoupeny zejména dvě skupiny černých děr. První nazýváme hvězdné černé díry. Ty vznikají jako závěrečná stádia velmi hmotných hvězd, jejichž hmotnost je srovnatelná s desetinásobkem hmotnosti Slunce. Hvězdné černé díry mají enormní hustotu a jejich Schwarzschildův poloměr činí maximálně desítky kilometrů. Druhou skupinu tvoří tzv. galaktické černé díry, které sídlí v centrech galaxií a mají hmotnost milionů až miliard Sluncí a rozměry srovnatelné s rozměry dráhy Země či s velikostí Sluneční soustavy. Takové superhmotné černé díry mají velmi nízkou hustotu (pokud ji počítáme jako podíl hmotnosti černé díry a objemu oblasti dané Schwarzschildovým poloměrem). Okolní materiál dopadá po spirále do černé díry. Přitom získává energii z potenciální energie gravitačního pole, kterou třením účinně přeměňuje na záření. Pokud je v okolí dostatek látky, jsou galaktické černé díry významným zdrojem energie galaxie, stávají se jakýmsi hnacím motorem celé galaxie.

V roce 1971 byl družicí Uhuru zkoumán velmi silný rentgenový zdroj Cyg X1 ze souhvězdí Labutě (je znám od roku 1964). Družice nalezla fluktuace intenzity rentgenového záření s periodou menší než jedna sekunda. Zdrojem záření musí být malý a velmi kompaktní objekt. Zdroj Cyg X1 se tak stal prvním vážným kandidátem na hvězdnou černou díru. Pozdější výzkum tuto domněnku podpořil. Ve skutečnosti jde o podvojný systém, jednou ze složek je proměnný veleobr HDE 226868, druhou s největší pravděpodobností černá díra, která vznikla gravitačním kolapsem velmi hmotné hvězdy. K prvním kandidátům na galaktické černé díry patří objekt v centru eliptické galaxie NGC 4261. Na snímcích z HST z let 1992 a 1995 je patrný i rozsáhlý akreční disk kolem černé díry. Velmi silným argumentem ve prospěch existence galaktických černých děr je objekt v centru galaxie MCG-6-30-15, v jejímž spektru byl v roce 1994 u široké emisní čáry železa detekován mimořádný červený gravitační posuv odpovídající vyslání čáry z těsné blízkosti Schwarzchildova poloměru. Dnes známe mnoho objektů, o kterých jsme přesvědčeni, že jsou hvězdnými nebo galaktickými černými děrami.

Nejbližší superhmotná černá díra se nachází přímo ve středu naší Galaxie, v souhvězdí Střelce, ve vzdálenosti 26 000 l.y. Celá oblast se projevuje především jako radiový zdroj Sgr A, který byl objeven v roce 1933 Karlem Guthem Janskym. V roce 1974 Bruce Balick a Robert Brown zjistili pomocí radiové interferometrické sítě mezi Green Bankem a Huntersville (základna 35 km), že v oblasti existuje mj. bodový zdroj označovaný od té doby Sgr A*. Kolem zdroje obíhá značné množství hvězd, Sgr A* je vlastně středem hvězdokupy. Z přesného měření pohybu těchto hvězd dalekohledy VLT byla vypočtena hmotnost objektu jako 4×10⁶ M_S, tomu odpovídá Schwarzschildův poloměr 0,08 AU (12×10⁶ km). Poznamenejme, že měření pohybu hvězd probíhalo a probíhá v blízkém infračerveném oboru, v jiných oborech jsou hvězdy v centrální oblasti Galaxie zakryty mračny plynu a prachu.

V roce 2005 byl proveden pokus o změření velikosti radiového zdroje Sgr A* za pomoci interferometrické metody VLBI. K měření byla použita síť radioteleskopů VLBA s úhlovým rozlišením 0,001" na nejkratší množné vlnové délce 3 mm. Toto úhlové rozlišení umožnilo v oblasti zdroje sledovat detaily o rozměrech přibližně 1 AU (150×10⁶ km), tj. jen čtrnáctkrát větší, než je Schwarzschildův poloměr předpokládané černé díry. Z měření bylo zřejmé, že zdroj radiového záření je menší než 1 AU. V roce 2008 byla provedena ještě přesnější měření (Andrea Ghezová, UCLA), která omezila velikost radiového zdroje Sgr A* na pouhých 50×10⁶ km, tedy čtyřnásobek Schwarzschildova poloměru. Je zřejmé, že radiová emise přichází z těsné blízkosti horizontu černé díry.

Černá díra ve středu Galaxie je především zdrojem radiového záření, ale vysílá i v submilimetrové, infračervené a rentgenové oblasti spektra. Jak v infračerveném, tak v rentgenovém oboru vydává Sgr A* záblesky trvající přibližně hodinu a nepravidelně se opakující po několika hodinách. V infračerveném oboru jde o synchrotronní záření elektronů s teplotou 10¹¹ K, malé procento elektronů je v průběhu záblesku ohřáto až na 10¹² K. V rentgenovém oboru je záření generováno inverzním Comptonovým rozptylem. Ve všech pozorovaných záblescích byla na VLT objevena v oboru 1,4÷4 μm  kvaziperiodická složka se základní periodou 17 až 22 minut. Tato složka pravděpodobně souvisí s oběhem elektronů z vnitřní části akrečního disku kolem černé díry. Poslední stabilní orbita pro Schwarzschildovu černou díru o hmotnosti 4×10⁶ M_S má periodu přibližně 30 minut. Z přibližně dvacetiminutové periody záblesků plyne, že musí jít o rotující (Kerrovu) černou díru, která kolem sebe svou rotací strhává časoprostor (Lenseův-Thirringův jev). Samotná geneze záblesků je nejasná, nejčastěji se uvažuje o přepojení magnetických silokřivek (vždy po několika hodinách), při kterém se uvolněná energie předává elektronům. Na světelné křivce záblesků tak lze najít jednotlivé píky odpovídající rekonekcím a kvaziperiodickou složku odpovídající oběhu plazmatu kolem černé díry. Elektrony zahřáté při rekonekci poté předávají svou energii fotonům při inverzním Comptonově rozptylu, čímž vzniká rentgenová složka záblesků. Ze simultánního pozorování v infračerveném (VLT) i rentgenovém (XMM-Newton) oboru vyplynulo, že rozměry zdroje záblesků jsou cca 0,3 Schwarzschildova poloměru, což souhlasí s představou, že záblesky vznikají rekonekcí magnetických silokřivek v malé oblasti akrečního disku. Všechny záblesky mají stejnou, velmi výraznou rovinu polarizace a jedná se o stabilní zdroj. Rovina polarizace záblesků bude pravděpodobně dána silnou toroidální složkou magnetického pole v akrečním disku. Popsaný model odpovídá měřeným datům, nicméně zatím není s jistotou potvrzen. Alternativou může být teorie rotující anomálie v akrečním disku.

Budoucí pozorování by měla především definitivně odpovědět na otázku původu záblesků. Záblesky bude ale také možné využít k testování obecné relativity v extrémně silně zakřiveném časoprostoru v těsném okolí černé díry. Za tím účelem se připravuje pro čtveřici dalekohledů VLT experiment GRAVITY, který by měl zprovoznit plně interferometrický režim všech dalekohledů pro blízký infračervený obor, včetně využití adaptivní optiky a systému sledování interferenčních proužků. Experiment by měl být zprovozněn v roce 2012 a očekává se od něho jedinečná možnost testování obecné relativity v limitě extrémně silných gravitačních polí. Úhlové rozlišení se předpokládá 10 miliontin obloukové vteřiny. Experiment GRAVITY bude využit i ke sledování superhmotných černých děr v aktivních jádrech několika desítek dalších galaxií.

V roce 2008 vyplynulo z měření rentgenových družic Chandra, XMM-Newton, Suzaku a ASCA, že blízká oblast označovaná jako Sgr B2, měnila v průběhu posledních sedmi let výrazně svou jasnost. Zpětným dopočtem se ukázalo, že jde o důsledek obřího záblesku z centrálního zdroje Sgr A* , ke kterému došlo cca před 300 lety. V té době měla centrální černá díra krátkodobě milionkrát vyšší svítivost, než má dnes. Takový záblesk by odpovídal katastrofické (globální) rekonekci magnetických silokřivek.

Dalším krokem k poznání černé díry v centru Mléčné dráhy by mělo být propojení pozorování dalekohledů VLT s radioteleskopem APEX, prvním radioteleskopem sítě ALMA. Po dokončení sítě ALMA pro milimetrovou oblast (v roce 2012) bude jistě zajímavá možnost jejího propojení se sítí VLBA. Potenciál takové radioteleskopické sítě by měl být schopen uvidět i stín vrhaný centrální černou dírou a zčervenání paprsků vycházejících z akrečního disku. Mělo by být možné i přesně určit rotaci černé díry a sklon akrečního disku k rovině Galaxie. Proto se již nyní máme na co těšit!

Zdroje:
1. Zhi-Qiang Shen et al.: The Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way; Nature 438 (2005) 62–64
2. Stefan Gillessen: Sgr A* in the Near Infrared, 2007 and 2012; Mem. S.A.It. 79, 87 (2008)
3. MPIfEP: Experiment GRAVITY
4. R. Genzel et al.: Near-infrared flares from accreting gas around the supermassive black hole at the Galactic Centre; Nature 425, 934 (2003)
5. Wikipedia: Galactic Center
6. Sheperd S. Doeleman et al.: 1.Event-horizon-scale structure in the supermassive black hole candidate at the Galactic Centre; Nature 455, 78-80 (2008)
7. Nancy Atkinson: Milky Way's Black Hole Sending Out Flares, Universe Today, November 18th (2008)
8. Robert Naeye, Rob GutroMilky: Way’s Giant Black Hole Awoke from Slumber 300 Years Ago; NASA GSFC Release No. 08-32, 15 April (2008)
9. S. Trippe et al.: Near-Infrared Observations of Sagittarius A*; RevMexAA (Serie de Conferencias), 32, 12-14 (2008)
10. Karel Řezáč: Černá díra v centru Galaxie; AB 1/37 (2003)
11. Ivan Havlíček: Observatoř Gemini – je v centru Galaxie další černá díra?; AB 2/48 (2004)
12. Ivan Havlíček: APEX, hvězdná líheň a hvězdy v bublinách; AB 6/48 (2008)