Zahlavi

Jedinečná observatoř LISA bude pátrat po stopách monster v centrech galaxií

17. 02. 2022

První vesmírná observatoř gravitačních vln LISA bude hledat tajemné objekty ve vesmíru – superhmotné černé díry. Na oběžnou dráhu by mohla vyletět v roce 2034. Svoji pozornost upře na hostinu galaktických rozměrů – zachycení pádu černých děr do těch superhmotných. Podaří se nám díky velkolepému projetu pochopit, co se děje ve středu galaxií?

LISA kopírující dráhu Země je ve vesmíru prvním zařízením, které umí zachytit gravitační vlny, jež pocházejí ze srážky černých děr. I ty velmi dávné, potulující se vesmírem téměř od jeho počátku. Soustředí se na superhmotné černé díry. Jejich vznik je jednou ze zásadních otázek astrofyziky. Mohou být velké třeba jako sluneční soustava, hmotné jako milion až miliarda Sluncí. Podle odhadů astrofyziků má každá galaxie ve svém středu jedno takové vesmírné monstrum.

Díky detektoru se otevřely zcela nové možnosti poznání: lidé mohou zkoumat jevy v okolí těch největších černých děr ve vesmíru. A snad objevit i střípky do složité hádanky o době před existencí hvězd a galaxií. Celý příběh LISY ale začal už pár desítek let před tím a do jeho prvních kapitol napsali pár řádků také vědci z Astronomického ústavu AV ČR.

Nesmírná záře
Téměř na samém počátku se do projektu LISA Evropské vesmírné agentury spolu se svými kolegy zapojila Petra Suková. Jejím současným úkolem je připravovat a zdokonalovat numerické simulace, které v budoucnu pomůžou zpracovat data zaslaná detektorem LISA z vesmíru. „Momentálně se snažíme do programu, se kterým pracujeme na superpočítači v Ostravě, zahrnout interakce mezi plynem padajícím do superhmotné černé díry a hvězdou nebo malou černou dírou obíhající v blízkosti jejího horizontu,“ říká astrofyzička.

Petra Suková se soustředí na chování okolního plynu při průchodu objektu hvězdné velikosti akrečním diskem. Ten rotuje v blízkosti superhmotných černých děr. Skládá se z plynu a prachu, který se po spirále přibližuje ke středu monstra. Pohyb hmoty se zrychluje a látka v disku se zahřívá a září. Přestože sama černá díra vidět není, její bezprostřední okolí může patřit mezi nejsvítivější objekty ve vesmíru. Dokáže přesvítit i miliony hvězd v galaxii. Než se hmota ztratí ve středu černé díry, může to trvat stovky i statisíce let.

Galaktický výtrysk
Petra Suková se svými kolegy zjistila, že průchod hvězdy nebo černé díry akrečním diskem může ovlivnit jeho chování. Způsobuje vlny v blízkosti horizontu událostí (tedy místa kolem černé díry, ze kterého už není možné vyslat žádný signál) a může akreční tok hmoty do černé díry až tisíckrát zpomalit.

Procházející objekt také vyvrhuje velké množství horkého plazmatu z disku od černé díry pryč. Podél osy rotace je silné magnetické pole, které vyvržení urychluje. Hmota se rychlostí blízkou rychlosti světla od černé díry vzdaluje a obohacuje polární výtrysky. Ty se obvykle skládají z dvojice protilehlých proudů hmoty tryskajících od černé díry pryč a mají různě husté části. Výtrysky jsou úzké a jejich směr podél osy je přesně dán. Mohou dosahovat do obrovských vzdáleností od centra, dokonce přesahujících rozměr celé galaxie.

Zkoumaný mechanismus vyvrhování hmoty obíhajícím objektem může být poměrně běžný. Vědci z Astronomického ústavu AV ČR odhadli, že přibližně v jedné galaxii z padesáti by se mohla nacházet hvězda vážící alespoň tolik co Slunce v dostatečné blízkosti superhmotné černé díry.

2022-02-17_polární výtrysk1
Galaktický výtrysk je plyn vyvržený silnými magnetickými poli.

Extrémní vesmír
Velkou neznámou jsou neutronové hvězdy. Jde o hvězdy v posledním stadiu před kolapsem do černé díry. Nevíme, jaké je jejich přesné složení ani fyzikální vlastnosti extrémně husté hmoty. Při výzkumech se astrofyzička pohybuje na hraně platnosti teorií: „Díky dalším experimentům můžeme třeba jednou přinést odpovědi na základní otázku, jak se chová hmota v takových situacích.“

Extrémně silná gravitace v okolí superhmotných černých děr také vede k obrovskému zahřívání padajícího plynu. Látka v akrečním disku může mít i miliony stupňů Celsia. Spolu se zakřiveným prostoročasem a silnými magnetickými poli neumíme v laboratořích na Zemi takové podmínky vytvořit.

Divoce vířivá hostina vyzařuje v celém elektromagnetickém spektru, od nízkoenergetických rádiových vln až k vysoce energetickému gama záření. Navíc pohyb objektu o hmotnosti Slunce tak blízko u horizontu obří černé díry vyzařuje nízkofrekvenční gravitační vlny, které bude vesmírná observatoř LISA schopna zachytit. Měřit v tomto frekvenčním pásmu bude možné díky vzdálenosti mezi jejími třemi družicemi, které poputují prostorem uspořádané do rovnostranného trojúhelníku. Jeho ramena budou mít 2,5 milionu kilometrů. Něco tak obřího bychom na naší planetě postavit nedokázali.

Touha po vědění
Pokud se v budoucnu podaří detektoru zachytit pád hvězdné černé díry do superhmotné černé díry, tzv. EMRI (Extreme Mass Ratio Inspirals neboli splynutí černých děr s extrémním poměrem hmotnosti), čeká astronomy důležitý úkol – pokusit se za pomoci připravených numerických modelů zpřesnit lokalizaci této události. Už dnes počítají s komplikacemi.

2022-02-17_LISA1
Vizualizace vesmírné observatoře LISA

LISA totiž bude mít špatné prostorové rozlišení a dokáže určit pouze poměrně velkou oblast na obloze, která obsahuje i tisíce galaxií. Bude tedy potřeba mezi nimi najít tu správnou. „Je to pro mě výzva. LISA uvidí všechny signály z různých galaxií současně. Číst a zpracovávat data bude velmi obtížné,“ říká Petra Suková.

Výzkum českých vědců může pomoci s odhalením mateřské galaxie, ve které obíhá těleso velmi blízko u černé díry a chystá se do ní spadnout, a to dokonce ještě před jejich finálním splynutím. „Můžeme tak v pravý čas tuto galaxii podrobně sledovat teleskopy a satelity a zjistit o takové události mnoho cenných informací,“ dodává astrofyzička.

Díky pozorování a zkoumání jevů EMRI mohou vědci zpřesnit dosavadní teorie, ověřit platnost teorie relativity, ale také objevit něco úplně nečekaného. Podobně jak se to stalo po vypuštění prvních satelitů, které umožnily sledování v rentgenové oblasti spektra.

Do té doby jsme se na vesmír dívali jako na klidné místo s půvabnými hvězdami a galaxiemi. Ukázalo se ale, že ve skutečnosti se nad našimi hlavami rozprostírá dost divoká říše. Že jsou ve vesmíru vyvrhovány polární výtrysky, řádí v něm mohutné rázové vlny, obrovské zdroje energie, galaxie se supermasivními černými dírami září tak, že si to na Zemi neumíme ani představit. A podobně to bude možná i v případě nového kosmického detektoru, který může v budoucnosti pomoci odhalit tajemství jednoho z nejpozoruhodnějších jevů ve vesmíru: proudící hmoty padající do černých děr.

Článek najdete v aktuálním vydání časopisu A / Věda a výzkum. Všechna dosavadní čísla jsou k dispozici zdarma a online na našem webu.

A4_2021
4/2021 (verze k listování)
4/2021 (verze ke stažení) 

Text: Zuzana Šprinclová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: NASA

Licence Creative CommonsText je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také