Černé díry jsou jednou z nejzajímavějších a úctyhodných přírodních sil. Jsou také jedním z nejzáhadnějších kvůli způsobu, jakým se pravidla konvenční fyziky rozkládají v jejich přítomnosti. Přes desetiletí výzkumu a pozorování je o nich stále mnoho nevíme. Ve skutečnosti až donedávna astronomové nikdy neviděli obraz černé díry a nebyli schopni odhadnout svou hmotnost.
Tým fyziků z Moskevského institutu fyziky a technologie (MIPT) však nedávno oznámil, že vymysleli způsob nepřímého měření hmotnosti černé díry a zároveň potvrdili její existenci. V nedávné studii ukázali, jak testovali tuto metodu na nedávno zobrazované supermasivní černé díře ve středu aktivní galaxie Messier 87.
Studie se objevila v srpnovém čísle Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. Kromě vědců z MIPT, tým zahrnoval členy z nizozemského Společného institutu pro VLBI ERIC (JIVE), Institutu astronomie a astrofyziky Academia Sinica na Tchaj-wanu a observatoře NOAJ Mizusawa VLBI v Japonsku.
Po celá desetiletí astronomové věděli, že většina masivních galaxií má ve svém středu supermasivní černou díru (SMBH). Přítomnost tohoto SMBH vede ke značnému množství aktivity v jádru, kde plyn a prach padají do akrečního disku a zrychlují na rychlosti, které způsobují, že vyzařují světlo, jakož i rádio, mikrovln, rentgen a gama- paprskové záření.
U některých galaxií je množství záření produkovaného jádrovou oblastí natolik jasné, že ve skutečnosti přemůže světlo přicházející ze všech hvězd na disku dohromady. Tito jsou známí jako aktivní galaktické jaderné (AGN) galaxie, protože mají aktivní jádra a ostatní galaxie jsou poměrně „tiché“. Dalším identifikátorem telltale, že galaxie je aktivní, jsou dlouhé paprsky přehřáté hmoty, které se rozšiřují.
Tyto „relativistické trysky“, které se mohou rozšířit o miliony světelných let ven, jsou pojmenovány, protože materiál v nich je zrychlen na zlomek rychlosti světla. I když tyto trysky ještě nejsou zcela pochopeny, současná shoda spočívá v tom, že jsou vytvářeny určitým „motorickým efektem“ způsobeným rychle se otáčejícím SMBH.
Dobrým příkladem aktivní galaxie s relativistickým proudem je Messier 87 (aka. Virgo A), supergiantní galaxie umístěná ve směru konstelace Panny. Tato galaxie je nejbližší aktivní galaxií k Zemi, a proto je jednou z nejlépe studovaných. Původně objevený v roce 1781 Charlesem Messierem (který se mýlil s mlhovinou), je od té doby pravidelně studován. V roce 1918 se jeho optický paprsek stal prvním svého druhu, který byl pozorován.
Díky své blízkosti dokázali astronomové pozorně studovat trysku Messier 87 - mapovali její strukturu a rychlosti plazmatu a měřili teploty a hustoty částic poblíž proudu trysky. Hranice trysky byly podrobně prozkoumány, že vědci zjistili, že je po své délce homogenní a změnil tvar, jakmile se prodloužila (z parabolického na kuželový).
Všechna tato pozorování umožňují astronomům testovat hypotézy týkající se struktury aktivních galaxií a vztahu mezi změnami tvaru paprsku a vlivem černé díry v galaktickém jádru. V tomto případě mezinárodní výzkumný tým využil tohoto vztahu a určil hmotnost SM87 M87s.
Tým se také spoléhal na teoretické modely, které předpovídají přerušení trysky, což jim umožnilo vytvořit model, kde by hmota SMBH přesně reprodukovávala pozorovaný tvar trysky M87. Měřením šířky paprsku a vzdálenosti mezi jádrem a zlomem jeho tvaru také zjistili, že hranice trysky M87 je tvořena dvěma segmenty se dvěma charakteristickými křivkami.
Nakonec, kombinace teoretických modelů, pozorování a počítačových výpočtů umožnila týmu získat nepřímé měření hmotnosti černé díry a rychlosti rotace. Tato studie poskytuje nejen nový model pro odhad černé díry a nový způsob měření trysek, ale také potvrzuje hypotézy, které jsou základem struktury trysek.
Výsledky týmu v podstatě popisují proud jako tok magnetizované tekutiny, kde tvar je určován elektromagnetickým polem v něm. To je zase závislé na věcech, jako je rychlost a náboj částic trysky, elektrický proud uvnitř paprsku a rychlost, kterou SMBH narůstá z okolního disku.
Souhra všech těchto faktorů způsobuje pozorované přerušení tvaru paprsku, které lze poté použít k extrapolaci hmoty SMBH a jak rychle se točí. Elena Nokhrina, zástupkyně vedoucí laboratoře MIPT zapojená do studie a hlavní autorka v týmu týmu, popisuje metodu, kterou vyvinuli následujícím způsobem:
„Nová nezávislá metoda pro odhad hmotnosti černé díry a rotace je klíčovým výsledkem naší práce. Přestože je jeho přesnost srovnatelná s přesností stávajících metod, má tu výhodu, že nás přibližuje konečnému cíli. Konkrétně zdokonalením parametrů jádra „motoru“ hlubší pochopení jeho podstaty. “
Díky dostupnosti sofistikovaných nástrojů pro studium SMBH (jako je Event Horizon Telescope) a kosmických dalekohledů nové generace, které budou brzy funkční, nebude trvat dlouho, než bude tento nový model důkladně otestován. Dobrým kandidátem by byl Střelec A *, SMBH ve středu naší galaxie, který se odhaduje na 3,5 až 4,7 milionu solárních hmot.
Kromě přesnějších omezení na tuto hmotu by budoucí pozorování mohla také určit, jak aktivní (nebo neaktivní) je jádro naší galaxie. Tato a další tajemství černé díry čekají!
