Čierne diery sú jednou z najzaujímavejších a najúžasnejších síl prírody. Sú tiež jedným z najzáhadnejších kvôli spôsobu, akým sa pravidlá konvenčnej fyziky rozpadajú v ich prítomnosti. Napriek desaťročiam výskumu a pozorovaní o nich stále veľa nevieme. V skutočnosti až donedávna astronómovia nikdy nevideli obraz čiernej diery a nedokázali odhadnúť svoju hmotu.
Tím fyzikov z Moskovského inštitútu fyziky a technológie (MIPT) však nedávno oznámil, že vymyslel spôsob, ako nepriamo zmerať množstvo čiernej diery a zároveň potvrdiť jej existenciu. V nedávnej štúdii ukázali, ako testovali túto metódu na nedávno zobrazenej supermasívnej čiernej diere v strede aktívnej galaxie Messier 87.
Štúdia sa objavila v augustovom čísle Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti, Okrem vedcov z MIPT, tím zahŕňal členov z Holandského spoločného inštitútu pre VLBI ERIC (JIVE), Inštitútu astronómie a astrofyziky Academia Sinica na Taiwane a observatória NOAJ Mizusawa VLBI v Japonsku.
Astronómovia už celé desaťročia poznajú, že najväčšie galaxie majú v centre supermasívnu čiernu dieru (SMBH). Prítomnosť tohto SMBH vedie k značnému množstvu aktivity v jadre, kde plyn a prach padajú do akrečného disku a zrýchľujú sa na rýchlosti, ktoré im spôsobujú vyžarovanie svetla, ako aj rádio, mikrovln, röntgen a gama- žiarenie lúčov.
Pre niektoré galaxie je množstvo žiarenia produkovaného jadrovou oblasťou také jasné, že skutočne premáha svetlo prichádzajúce zo všetkých hviezd na disku spolu. Sú známe ako galaxie aktívnych galaktických jadier (AGN), pretože majú aktívne jadrá a ostatné galaxie sú pomerne „tiché“. Ďalším identifikátorom oznamovača, že galaxia je aktívna, sú dlhé lúče prehriatej hmoty, ktoré sa rozširujú.
Tieto „relativistické trysky“, ktoré môžu trvať až milióny svetelných rokov smerom von, sú pomenované, pretože materiál v nich sa zrýchľuje na zlomok rýchlosti svetla. Aj keď tieto trysky ešte nie sú úplne pochopené, súčasná zhoda je v tom, že sú produkované určitým „motorickým efektom“ spôsobeným rýchlo sa otáčajúcou SMBH.
Dobrým príkladom aktívnej galaxie s relativistickým prúdom je Messier 87 (aka. Virgo A), supergiantná galaxia umiestnená v smere k konštelácii Panny. Táto galaxia je najbližšou aktívnou galaxiou na Zemi, a preto je jednou z najlepšie študovaných. Pôvodne objavený v roku 1781 Charlesom Messierom (ktorý sa mýlil s hmlou), odvtedy sa pravidelne študuje. V roku 1918 sa jeho optický prúd stal prvým svojho druhu, ktorý sa pozoroval.
Vďaka svojej blízkosti boli astronómovia schopní dôkladne študovať prúd Messier 87 - mapovali jeho štruktúru a rýchlosti plazmy a merali teploty a hustoty častíc v blízkosti prúdu. Hranice trysky boli študované do detailov, že vedci zistili, že je homogénna po celej svojej dĺžke a zmenila tvar, čím ďalej sa rozširovala (z parabolického na kužeľový).
Všetky tieto pozorovania umožnili astronómom testovať hypotézy týkajúce sa štruktúry aktívnych galaxií a vzťahu medzi zmenami v tvare lúča a vplyvom čiernej diery v galaktickom jadre. V tomto prípade medzinárodný výskumný tím využil tento vzťah a stanovil hmotnosť SM87 M87s.
Tím sa tiež spoliehal na teoretické modely, ktoré predpovedajú zlom trysky, čo im umožnilo vytvoriť model, v ktorom by hmotnosť SMBH presne reprodukovala pozorovaný tvar trysky M87. Meraním šírky a vzdialenosti medzi jadrom a zlomom jeho tvaru tiež zistili, že hranica prúdu M87 sa skladá z dvoch segmentov s dvoma charakteristickými krivkami.
Kombinácia teoretických modelov, pozorovaní a počítačových výpočtov nakoniec umožnila tímu získať nepriame meranie hmotnosti čiernej diery a rýchlosti odstreďovania. Táto štúdia poskytuje nielen nový model odhadu čiernych dier a nový spôsob merania prúdov, ale tiež potvrdzuje hypotézy, ktoré sú základom štruktúry trysiek.
Výsledky tímu v podstate opisujú prúd ako tok magnetizovanej tekutiny, kde tvar je určený elektromagnetickým poľom v ňom. To zase závisí od rýchlosti a náboja častíc dýzy, elektrického prúdu v dýze a rýchlosti, akou SMBH narastá hmota z okolitého disku.
Súhra medzi všetkými týmito faktormi je príčinou pozorovaného zlomenia v tvare lúča, ktorý sa potom môže použiť na extrapoláciu hmotnosti SMBH a ako rýchlo sa točí. Elena Nokhrina, zástupkyňa vedúceho laboratória MIPT zapojená do štúdie a vedúca autorka v tímovom dokumente, opisuje metódu, ktorú vyvinuli nasledujúcim spôsobom:
„Nová nezávislá metóda odhadu hmotnosti čiernych dier a rotácie je kľúčovým výsledkom našej práce. Aj keď je jeho presnosť porovnateľná s presnosťou existujúcich metód, má výhodu v tom, že nás približuje ku konečnému cieľu. Konkrétne vylepšením parametrov hlavného „motora“ hlbšie pochopíme jeho podstatu. “
Vďaka dostupnosti sofistikovaných nástrojov na štúdium SMBH (ako je Event Horizon Telescope) a vesmírnych ďalekohľadov novej generácie, ktoré budú čoskoro funkčné, netrvá dlho, kým sa tento nový model dôkladne otestuje. Dobrým kandidátom by bol Strelec A *, SMBH v centre našej galaxie, ktorý sa odhaduje na 3,5 až 4,7 milióna slnečných hmôt.
Okrem presnejších obmedzení tejto hmoty by budúce pozorovania mohli tiež určiť, aký aktívny (alebo neaktívny) je jadro našej galaxie. Tieto a ďalšie tajomstvá čiernych dier čakajú!
