Černé díry už dávno nejsou jen hypotetickými objekty předpovídanými obecnou teorií relativity. Jejich existenci potvrzuje mimo jiné rentgenové záření vysílané hmotou padající do černé díry. To není žádnou novinkou. Známý zdroj Cygnus X1 tak na sebe prozradil přítomnost černé díry již téměř před třiceti lety při pozorování rentgenovým teleskopem družice UHURU. Nyní na sebe obdobný objekt také díky rentgenovému záření prozradil ještě víc.

Odkud se bere rentgenové záření v systémech s černou dírou

Cygnus X-1 i další podobné zdroje jsou dvojné systémy: černá díra v nich je jednou složkou dvojhvězdy. Z druhé složky, která je normální hvězdou, přitom hmota "přetéká" do černé díry. Díky tomu, že celý systém rotuje, nemůže ani přetékající hmota padat přímo, obíhá kolem černé díry v pomalu se zužujících spirálách a tvoří tak rotující akreční disk. Přitom se zahřívá do velmi vysokých teplot - a právě proto vyzařuje v rentgenovém oboru spektra.

Kolísání intenzity pozorovaného záření přitom může dát informaci o době oběhu hmoty kolem černé díry. Jestliže například intenzita kolísá přibližně periodicky s frekvencí 300 Hz, lze soudit, že hmota obíhá díru 300-krát za sekundu. Nejjednodušeji lze totiž kolísání vysvětlit tak, že "horké místo" na disku, které vyzařuje více, je periodicky zakrýváno samotnou černou dírou. (Jiné možné mechanismy vzniku kolísání, například oscilace disku, rovněž umožňují z frekvence kolísání určit parametry disku a tedy i periodu oběhu hmoty.)

Doba oběhu vypovídá o rozměrech

Krátká doba oběhu ovšem znamená, že hmota musí obíhat blízko černé díry. Přiblížit nám to může analogie s družicemi naší Země: Měsíc, který je daleko, oběhne Zemi jednou za měsíc (astronomové prominou, že zde nerozlišujeme siderický a synodický měsíc). Geostacionární družice, která je zhruba desetkrát blíž, oběhne jednou za den a družice na nízké oběžné dráze za řádově hodinu. 

Už středoškolské znalosti fyziky umožní odhadnout, jaký by musel být poloměr dráhy "družice", jejíž doba oběhu by byla 3 milisekundy. Pro černou díru o hmotnosti 7 hmotností Slunce vychází asi 70 km. Již z toho je jasné, že těleso, které hmotu přitahuje, musí být velmi kompaktní: zkuste směstnat hmotu sedmi Sluncí do koule o průměru pár kilometrů či desítek kilometrů! Černá díra takto kompaktní je.

A teď k vlastní novince

Akreční disk ovšem nesahá až k samotnému horizontu černé díry. Blíž než určitá hranice už prostě neexistují stabilní oběžné dráhy a hmota tam rychle a nezadržitelně padá do černé díry. Proto výše zmíněná intenzita rentgenového záření nemůže kolísat s kratší periodou, než je určitá mezní hodnota. Rychleji prostě hmota obíhat nestíhá.

Přesněji řečeno, může stíhat. A to právě v případě, že černá díra rotuje. Výpočty totiž ukazují, že v tomto případě mohou být stabilní oběžné dráhy černé díře o dost blíž.

Zdá se, že právě takovýto případ byl nyní objeven. Zdrojem rentgenového záření je objekt GRO J1655-40 označovaný jako "mikrokvazar". Černá díra, která je součástí tohoto dvojného systému, má hmotnost odhadovanou na zhruba 7 hmotností Slunce. Speciální rentgenový teleskop na oběžné dráze (Rossi X Ray Timing Explorer) umožnil odhalit kolísání intenzity rentgenového záření s frekvencí 450 Hz. Tomu odpovídá poloměr dráhy menší než 50 kilometrů. Nemožné, pokud by černá díra nerotovala, zcela konzistentní s tím, co obecná relativita předpovídá pro rotující černou díru.

Astrofyziky samotná informace o rotaci černé díry nepřekvapí. Ve vesmíru obíhá či rotuje téměř vše: galaxie, planety i hvězdy. Proto bylo vždy celkem zřejmé, že i černé díry vzniklé gravitačním kolapsem budou rotovat. Současné pozorování je však prvním přímým důkazem, že tak opravdu činí.

Blíže si o novince můžete přečíst v přehledu Physics News na adrese http://www.aip.org/physnews/update/538-1.html  a více podrobností najdete v preprintu Toma Strohmayera z Goddard Space Flight Center, který objev oznámil. Preprint najdete na adrese http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph?0104487.

Podle podkladů z výše uvedených www zpracoval Leoš Dvořák.