Superhmotné černé díry

Černé díry obecně

Neudrží­li gravitaci tlak látky (normální hvězda), tlak degenerovaného elektronového plynu (bílý trpaslík) ani tlak neutronů (neutronová hvězda), nastává nezadržitelný kolaps hvězdy do černé díry... Pojmenování černá díra pochází od John. A. Wheelera a je až z roku 1967. Samotnou 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 Laplace v roce 1798.

Černá díra je tedy kosmický objekt s hmotou o tak velké hustotě, že jeho úniková rychlost přesahuje rychlost světla. Z černé díry proto nemůže uniknout žádná částice ani žádný světelný paprsek.

Černé díry jsou důležitým článkem ve vývoji hvězd, galaxií a celého vesmíru. Jejich interakce navzájem a s obyčejnou hmotou (jak je tomu v případě kvazarů, blazarů a aktivních galaktických jader) se řídí dvěma zákony dynamiky černých děr, které jsou obdobou prvního a druhého zákona termodynamiky.

Klasifikace černých děr

Černé díry můžeme podle velikosti rozdělit do čtyř kategorií:

• Prvotní (primordiální) černé díry: Tyto černé díry by měly mít nepatrné rozměry elementárních částic a mohly vznikat v ranných fázích vývoje Vesmíru.
• Hvězdné černé díry: Tyto černé díry vznikly jako závěrečné fáze hvězdného vývoje a jejich hmotnosti jsou několikanásobkem hmotnosti Slunce. Předpokládáme existenci takových objektů v Galaxii na základě nepřímého pozorování.
• Střední černé díry: Zástupci této skupiny nebyly dlouho známy. Hmotnost 100 M_S až 1 000 M_S.
• Galaktické černé díry: Černé díry s hmotností srovnatelnou s hmotností galaxií nebo jejich jader. Tvoří jádra některých aktivních galaxií, pravděpodobně i naší vlastní Galaxie a jádra kvazarů. Pozorována je řada objektů tohoto typu. Velikost centrální výduti galaxií pravděpodobně souvisí s hmotností centrální černé díry.

Superhmotné černé díry

Černá díra, jejíž hmotnost může být miliony až miliardy slunečních hmotností. Nachází se v centru mnoha galaxií, především těch, které mají neobyčejně vysokými zářivými výkony, tzn. 100-1 000 krát větší, než by odpovídala počtu hvězd. Je příčinou mohutného toku záření rentgenového, infračerveného a rádiového kvazarů, aktivních galaxií, rádiových galaxií, aktivních galaktických jader, Seyfertových galaxií a blazarů.

Nesmírné toky energie z těchto vysoce zářivých zdrojů jsou uvolňovány ve velmi malém objemu jejich jádra. Za období několika milionů let (což je jejich životnost) se v nich uvolní 50 - 60 % klidové energie hmoty. Termonukleární reakce v nitru hvězd však uvolňují jen několik málo promile klidové energie hvězdné látky. Zbývající dva procesy, které to umožňují: obří černé díry nebo anihilace hmoty s antihmotou. Anihilace uvolní až 100 % klidové energie – ale není pravděpodobné, že by tam byla antihmota v tak obrovském množství. Jediným vysvětlením tedy zatím zůstává přítomnost obří černé díry, jejíž gravitace dokáže z pohlcované hmoty uvolnit až 60 % klidové energie. Obrovská hmotnost černé díry vytvoří kolem sebe rozsáhlé silné gravitační pole a její velmi malý rozměr (Schwarzschildův poloměr) umožňuje odčerpat až přes polovinu klidové energie kosmických objektů (mezihvězdné hmoty, hvězdy, galaxie), které se do jejího vlivu dostanou (např. galaktický kanibalismus). Je nutno podotknout, že energie je uvolňována z pohlcované hmoty (v akrečním disku) ještě dříve než zmizí pod horizontem událostí kolem černé díry.

Obrázky

Eliptická galaxie NGC 4261

Tato fotografie pochází z Hubbleova kosmického dalekohledu (HST). Galaxie je vzdálená 300 Mpc ve směru souhvězdí Panny. V centru galaxie je hmotná černá díra krmená prachem z tlustého akrečního disku o průměru 250 pc. Měřením rychlosti rotace prachového disku byla stanovena hmotnost černé díry na 1,2×10¹² M_Slunce.

Tato ohromná hmotnost se nachází v oblasti jen o něco málo větší než je naše sluneční soustava. Disk obklopující černou díru má hmotnost 10⁵M_Slunce a byl objeven s HST v roce 1992. Snímky z HST z roku 1995 zaznamenaly poprvé strukturu disku, která pravděpodobně souvisí s vlnami a nestabilitami šířícími se diskem. Také se ukázalo, že černá díra s diskem nejsou přesně v centru galaxie NGC 4261. Pro tento fakt zatím chybí uspokojivé vysvětlení.

Eliptická galaxie NGC 4261

Na obrázku je malířova fikce. Takto by tato obří černá díra mohla vypadat při pohledu z nějaké blízké planety.

Černá díra v centru galaxie M87

Centrum blízké obří galaxie M87 je velmi husté. Na této fotografii z HST (1994) byl nalezen disk horkých plynů rotující kolem centra obří galaxie. Disk je patrný v levé dolní části snímku. Napravo je detail tohoto akrečního disku. Známa jsou i spektra různých částí disku. Z rychlosti rotace disku lze určit hmotnost centrálního objektu a z rozměrů disku lze odhadnout maximální rozměr objektu. Tyto výpočty vedou k natolik vysoké hustotě centrálního objektu, že v úvahu připadá jedině černá díra. Na fotografii je také patrný vysoce energetický výtrysk (jet) mířící od centrálního objektu. Výtrysk obsahuje rychle se pohybující nabité částice, je dlouhý 2 kpc a je složen z vláken o průměru 3 pc. Charakter výtrysku odpovídá modelům černých děr s tlustým akrečním diskem.

M87 (NGC 4486, Virgo A) – eliptická rádiová galaxie

Cen A (NGC 5128)

Velmi známá eliptická radiová galaxie s temným pruhem napříč. Původně se myslelo, že jde o pás temné hmoty. Dnes víme, že jde o pozůstatek po kolizi se spirální galaxií. V centru hmotná černá díra s klasickými výtrysky (HST). Stručná historie objektu: