Výzkum černých děr

Mgr. Jiří Svoboda, Ph.D., Astronomický ústav AV ČR, jiri.svoboda@asu.cas.cz

Černé díry patří k nejtajemnějším objektům v našem vesmíru. Jedná se o hmotu zhroucené do nesmírně malého objemu zakrytého tzv. horizontem událostí. Gravitační přitažlivost je tak vysoká, že zpod tohoto horizontu nedokáže uniknout ani světlo ani gravitační vlna. Z toho důvodu nemůžeme černé díry pozorovat přímo, ale můžeme se o nich mnoho dozvědět například z chování okolní hmoty pomocí elektromagnetického záření. Pokud se blízko horizontu nachází nějaká hmota, je nucena se pohybovat vysokými rychlostmi. V extrémních podmínkách se zahřívá na teploty v řádu milionů stupňů Celsia, a proto vyzařuje intenzivní rentgenové paprsky, které můžeme zachytit pomocí rentgenových detektorů na kosmických observatořích. Jiným způsobem je detekce gravitačních vln při srážkách černých děr. Z intenzity, frekvence a časové proměnnosti gravitačních vln můžeme odvodit vlastnosti černých děr před srážkou i parametry výsledné černé díry po ní.

Dnes známe několik druhů černých děr. Stelární černé díry o hmotnostech jednotek až desítek hmot Sluncí vznikají při kolapsu dostatečně těžkých hvězd na konci jejich života. Také víme, že většina galaxií má ve svém středu supermasivní černou díru o hmotnosti v řádu milionů až miliard hmotností našeho Slunce. Aktuálně ovšem nejsou známy mechanismy vzniku supermasivních černých děr, které by jim umožnily vyrůst do takových rozměrů v první miliardě let našeho vesmíru, ve které jsou pozorovány. Buď se může jednat o překotnou akreci okolní hmoty, růst pomocí několika vzájemných srážek nebo kombinace obojího.

Další klíčovou otázkou moderní astronomie je, jak velkou roli hrály supermasivní černé díry ve vzniku galaxií, v jejichž centrech se nyní nachází, a ve vzniku a vývoji struktur hmoty ve vesmíru. Tímto je výzkum černých děr těsně provázán se studiem galaxií a dalších struktur hmoty a životní dráhy vesmíru jako celku.

Téma Výzkum černých děr se soustředí zejména na dvě velké mise Evropské kosmické agentury (ESA), které odlišnými přístupy zodpoví dvě klíčové otázky:

• Jakým způsobem vznikly rozsáhlé struktury hmoty, které pozorujeme v dnešním vesmíru?
• Jak se zformovaly obří černé díry v centrech galaxií a jakou roli hrály při utváření okolního vesmíru?

ATHENA představuje velkou misi ESA určenou ke zkoumání horkého a energetického vesmíru. Díky své mimořádné prostorové a spektrální citlivosti bude Athena schopná studovat velmi vzdálené objekty, odkud k nám záření letí mnoho miliard let. To nám umožní nahlédnout zpět do historie vesmíru a zodpovědět klíčové otázky výše.

Umělecké vyobrazení mise Athena zaměřené na aktivní galaktické jádro tvořené supermasivní černou dírou obklopené pracho-plynovým torem. Blíže k nám je modul obsahující vědecké přístroje. Na druhém konci jsou umístěné solární panely, které zajistí dostatek energie k natáčení družice i posílání cenných naměřených dat do pozemských stanic.

Hlavní detektor, ATHENA-XIFU, představuje mikro-kalorimetr chlazený na teplotu asi 50 miliKelvinů, tedy pouhých 50 tisícin stupně nad absolutní nulou. Není jednoduché dosáhnout tak nízkých teplot ve vesmíru díky neustálé přítomnosti nabitých částic ve slunečním větru. Díky tomuto chlazení, bude tento přístroj schopný velmi přesně určit energii a čas příletu každého rentgenového fotonu z vesmíru. Díky své nadstandardně vyspělé technologii, na které se budou podílet špičkové laboratoře z Evropy i Spojených států amerických, dosáhne ATHENA vysoké spektrální citlivosti (nižší než 5 eV) při zachování velké sběrné plochy důležité pro pozorování zejména slabých nebo vzdálených objektů.

Díky své spektrální citlivosti bude Athena schopná rozlišit jednotlivé spektrální čáry, které astrofyzikům dávají cenné informace o fyzikálních vlastnostech horkého plynu (teplota, ionizace, chemické složení apod.) nacházejícího se v mezigalaktickém prostoru uvnitř galaktických kup

Češi se budou podílet na vývoji kosmické elektroniky, sloužící k načítání zachyceného signálu. Budou mít na starosti tzv. Row-Addressing Synchronisation (RAS). Podívejte se v krátkém videu dovnitř přístroje a na řetězec událostí, které povedou k tomu, že na Zemi obdržíme data o vesmíru.

V současnosti je ATHENA ve své studijní fázi, kdy tým inženýrů a vědců (včetně českých odborníků) zkoumá proveditelnost mise při stanoveném finančním rozpočtu pro velkou misi Evropské kosmické agentury (ESA). Výše nákladů je zejména určena ambiciózními požadavky kladenými na spektrální vlastnosti detektorů a rentgenovou optiku. Výbor ESA schválil přepracovanou verzi mise 9. listopadu 2023 s plánem, že k ukončení studijní fáze a technickému přijetí mise (tzv. adopci) dojde v roce 2027 a k vypuštění o 10 let později, v roce 2037. Vynést by ji měla nově připravovaná raketa Ariane 6. ATHENA pak bude nasměrována do jednoho z Lagrangeových libračních bodů, L1 nebo L2, ve vzdálenosti asi 1,5 milionu kilometrů od Země, kde se vyrovnávají gravitační a odstředivé síly soustavy Země-Slunce, a družice tak bude obíhat kolem Slunce spolu se Zemí. Tím se omezí rušení pozorování kvůli Slunci, které je problémem současných rentgenových misí na oběžné dráze kolem Země.

Oficiální webové stránky mise: http://www.the-athena-x-ray-observatory.eu/

Velmi hmotné objekty při svém pohybu vyzařují tzv. gravitační vlny, které odnášejí část energie zdroje. Ve slučujících se galaxiích vznikají systémy dvou navzájem se obíhajících supermasivních černých děr, které gravitačním zářením ztrácejí energii a přibližují se, až splynou v jednu černou díru. Vyzářené gravitační vlny se šíří vesmírem na velké vzdálenosti a mohou být detekovány pomocí přístrojů sledujících časové zpoždění laserových paprsků odražených z různých směrů.

Vizualizace dvojice obíhajících černých děr a vyzařovaných gravitačních vln.

Gravitační vlny byly zatím zaznamenány pozemními detektory ve frekvenčním pásmu od 10 Hz po 1 kHz, ve kterém lze pozorovat splynutí černých děr o hmotnostech do stonásobku hmotnosti našeho Slunce, a případně neutronových hvězd. Systémy černých děr o vyšších hmotnostech vyzařují především na frekvencích od 1 mHz do 1 Hz, což bude pozorovatelné v budoucích observatořích ve vesmíru. Detekcí těchto signálů zjistíme, jak se vyvíjel počet černých děr určitých hmotností v historii vesmíru již od první miliardy let jeho existence, a zodpovíme klíčové otázky ohledně jejich vzniku a role ve formování galaxií a velkých struktur hmoty ve vesmíru. Na dalších zajímavých zdrojích pozorovatelných v tomto frekvenčním pásmu pracuje skupina CzechLISA (http://czechlisa.cz/).

Přehled metod detekce gravitačních vln a možných zdrojů dle frekvenčního pásma.

Jednou z nich je mise LISA, která bude tvořena třemi tělesy v sestavě tvaru rovnostranného trojúhelníku s délkou strany 2.5 milionu km obíhajícího kolem Slunce cca 60 milionů km za Zemí. Mezi těmito tělesy se budou odrážet laserové paprsky a měřením časového zpoždění mezi paprsky budou zaznamenávány procházející gravitační vlny.

Pohyb observatoře LISA okolo Slunce. Oranžovou čarou je zvýrazněna trajektorie jednoho z těles.

V lednu 2024 ESA misi LISA adoptovala, a je nyní ve fázi hardwarové implementace. Česko se podílí vývojem kritické součástky zvané LISA FSUA (Fiber Unit Switching Actuator), která bude přepínat mezi dvěma laserovými paprsky pro zajištění neustálého provozu detektoru. Na celém detektoru bude celkem 12 identických kusů. Vyvíjí ji Fyzikální ústav a Ústav fyziky atmosféry AV ČR ve spolupráci s Astronomickým ústavem a Ústavem termomechaniky AV ČR.

Vizualizace jednoho ze tří těles tvořících budoucí detektor LISA.

Oficiální webové stránky mise: https://www.lisamission.org/