Nová vědecká pozorování černé díry hvězdné hmotnosti v souhvězdí Labutě odhalují nové detaily o uspořádání extrémně horké hmoty v bezprostředním okolí této černé díry, zvané Cygnus X-1. Na tom se podílejí také čeští astronomové z Astronomického ústavu AV ČR.
Při padání do černé díry se hmota zahřívá na miliony stupňů. Tento horký plyn vyzařuje rentgenové záření. Vědci používají měření polarizace těchto rentgenových paprsků, aby otestovali a zlepšili stávající modely, které popisují, jak černé díry polykají hmotu a jak se z nich stávají jedny z nejsvítivějších zdrojů rentgenového záření ve vesmíru.
Nová měření Cygnus X-1, publikovaná ve čtvrtek 3. listopadu online v časopise Science, představují vůbec první taková pozorování černé díry vtahující hmotu. Byla pořízena sondou Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), mezinárodní misí NASA a italské kosmické agentury (ASI). Systém Cygnus X-1 je jedním z nejjasnějších rentgenových zdrojů v naší Galaxii. Tvoří jej černá díra o hmotnosti 21krát větší, než je hmotnost Slunce, v oběhu s doprovodnou hvězdou o hmotnosti 41 násobku hmoty Slunce.
„Předchozí rentgenová pozorování černých děr měřila pouze energii, směr a čas příletu rentgenových paprsků z horkého plazmatu stáčejícího se do černé díry,“ říká hlavní autor studie Henric Krawczynski, profesor fyziky na Washingtonově univerzitě v St. Louis a člen univerzitního centra McDonnell pro kosmické vědy. „IXPE měří také jejich lineární polarizaci, která nese informaci o tom, jak byly rentgenové paprsky vyzářeny a zdali a kde se odrazily od látky v blízkosti černé díry.“
Žádné světlo, ani to rentgenové, neunikne zpod tzv. horizontu událostí černé díry. Rentgenová emise detekovaná IXPE je vyzařována horkou látkou neboli plazmatem, v oblasti o průměru dvou tisíc kilometrů kolem šedesátikilometrového horizontu událostí černé díry.
Zkombinování dat z IXPE se souběžnými rentgenovými pozorováními ze sond NICER a NuSTAR americké NASA v květnu a červnu 2022 umožnilo autorům určit uspořádání, tedy tvar a polohu plazmatu kolem černé díry v Cygnus X-1.
Vědci zjistili, že plazma se rozpíná kolmo na oboustranný úzký plazmový výtrysk, tzv. jet, již dříve mnohokrát zobrazený v rádiovém oboru. Souhlasné uspořádání směru polarizace rentgenového záření se směrem jetu silně podporuje hypotézu, že procesy v rentgenově jasné oblasti blízko černé díry hrají podstatnou roli při spouštění těchto výtrysků.
Pozorování se shodují s modely, které předpovídají, že tzv. koróna horkého plazmatu buď nahrazuje vnitřní část disku hmoty vinoucí se směrem k černé díře, nebo tento disk obklopuje jako sendvič. Nová polarizační data vylučují modely, kde je koróna černé díry úzkým sloupcem či kuželem plazmatu orientovaným podélně s osou jetu.
Vědci poznamenávají, že lepší porozumění struktuře plazmatu kolem černé díry může odhalit hodně o tom, jakým způsobem černé díry k sobě přitahují hmotu. „Tyto nové pohledy umožní vylepšené rentgenové studie, jak gravitace zakřivuje prostor a čas v okolí černých děr,“ řekl Krawczynski.
Vztaženo specificky na černou díru Cygnus X-1: „Pozorování IXPE odhalují, že tok hmoty navíjející se na černou díru je viděn více zboku, než se dříve myslelo,“ vysvětluje spoluautor studie Michal Dovčiak z Astronomického ústavu Akademie věd České republiky. „To by mohla být známka nesouladu mezi orientací rotace černé díry a celého binárního systému,“ vyjasňuje spoluautorka studie Alexandra Veledina z univerzity v Turku. „Této rozdílné orientace mohl systém nabýt, když hvězdný předchůdce nynější černé díry explodoval.“
„Mise IXPE používá rentgenová zrcadla vyrobená v Marshall Space Flight Center v NASA a techniku ohniskové roviny poskytnutou ASI ve spolupráci s Národním institutem pro astrofyziku (INAF) a Národním institutem pro jadernou fyziku (IAPS),“ říká spoluautor studie Fabio Muleri z INAF-IAPS. „Kromě Cygnus X-1 používáme IXPE ke studiu široké škály extrémních rentgenových zdrojů, včetně neutronových hvězd pohlcujících okolní hmotu, pulzarů a mlhovin napájených hvězdnými větry z pulzarů, zbytků supernov, našeho galaktického centra i aktivních galaktických jader. Našli jsme již mnohá překvapení a máme tak o zábavu postaráno.“
Druhý článek ve stejném vydání Science byl vedený Robertem Tavernou z Univerzity v Padově a popisuje detekci vysoce polarizovaného rentgenového záření z magnetaru 4U 0142+61.
„Jsme nadšení, že můžeme být součástí této nové vlny vědeckých objevů v astrofyzice,“ řekl Krawczynski.
Český tým vede RNDr. Michal Dovčiak, Ph.D., který v rámci mise IXPE působí jako vedoucí vědecké skupiny černých děr hvězdných hmotností a je třetím autorem článku o Cygnus X-1. Dalšími členy autorského týmu z Astronomického ústavu AV ČR jsou RNDr. Jiří Svoboda, Ph.D., RNDr. Jakub Podgorný a profesor Vladimír Karas, DrSc.
Příspěvek českého týmu k objevu:
- vytváření unikátních modelů pro rentgenová polarimetrická data
- analýza a interpretace naměřených spektrálních a polarizačních dat
- plánování pozorování s družicemi IXPE, NICER a NuSTAR
- simulace pozorování pro odhad délky expozičního času při jeho přípravě
