Prvá objavená čierna diera je hmotnejšia

Nové pozorovania ukazujú, že Cygnus X-1, prvá objavená čierna diera, je hmotnejšia než sme si donedávna mysleli. Tento objav môže mať vplyv na teórie vzniku veľmi hmotných hviezd, ako sa píše v štúdii, ktorá vyšla v časopise Science. Objekt Cygnus X-1 je súčasťou dvojhviezdneho systému a  bol objavený v roku 1964 vďaka svojmu intenzívnemu röntgenovému žiareniu zaregistrovanému pri lete prieskumnej rakety. Podrobnejšie skúmanie ukázalo veľobriu hviezdu obiehajúcu neviditeľnú zložku každých 5,6 dňa. Tou je práve prvá objavená čierna diera. Táto čierna diera vysáva materiál z „obyčajnej“ hviezdy, pričom vzniká röntgenové žiarenie a rádiové výtrysky.

Pred desiatkou rokov boli vedci schopní urobiť prvé presnejšie výpočty vzdialenosti tejto sústavy a  jej hmotnosti vďaka pozorovaniam zo siete rádioteleskopov Very Long Baseline Array (VLBA) rozmiestnených po USA. „Ako Zem obieha okolo Slnka, vidíme Cygnus X-1 z rôznych bodov jej dráhy,“ vysvetľuje štúdia vedená Jamesom Miller-Jonsom (International Centre for Radio Astronomy Research-Curtin University, Austrália). Ako dôsledok toho sa zdroj Cygnus X-1 a jeho rádiový výtrysk zdanlivo pohybujú tam a späť oproti pozadiu oveľa vzdialenejších galaxií. Meranie tohto posunu vedcom umožní vypočítať vzdialenosť čiernej diery a jej hviezdneho spolupútnika, čo ovplyvní aj výpočet ich hmotností.

Pozorovania z roku 2011 boli vykonávané počas jedného roka a vychádzalo z nich, že dvojhviezda Cygnus X-1 je vzdialená od nás asi 6000 svetelných rokov a hmotnosť čiernej diery je 15 krát väčšia než hmotnosť Slnka. V súčasnej vedeckej práci Miller-Jones a  jeho kolegovia použili opäť sústavu rádioteleskopov VLBA, aby pozorovali tento systém počas 6 dní a sledovali ako sa menia rádiové emisie počas jednej periódy obehu zložiek. Použili potom túto informáciu na korekciu vplyvu hviezdneho vetra z veľobra, ktorý pohlcuje rádiové žiarenie prechádzajúce cezeň a môže teda posúvať zdanlivú polohu základne výtrysku z čiernej diery. Po kombinácii týchto korekcií s archívnymi pozorovaniami vykonávanými počas viac než 7 rokov vedecký tím získal vylepšené merania v rádiovej oblasti. Nové výsledky ukázali, že systém Cygnus X-1 je viac než 7000 svetelných rokov ďaleko a je aj hmotnejší, než sme si doteraz mysleli. Výpočty teraz ukázali, že čierna diera v tomto systéme má hmotnosť 21 hmotností Slnka a jej veľobrí sprievodca má hmotnosť okolo 40-násobku hmotnosti Slnka. Výsledok získaný v rádiovej oblasti je v súhlase s meraniami paralaxy vo viditeľnej oblasti spektra družicou GAIA patriacej Európskej kozmickej agentúre (ESA).

Tieto poznatky umožňujú pohľad do histórie sústavy Cygnus X-1. Čierna diera vznikla pravdepodobne z hviezdy s počiatočnou hmotnosťou medzi 55 až 75 hmotnosťami Slnka, ktorá stratila hviezdnym vetrom počas svojho života viac než polovicu hmotnosti. Aj tak bola hviezda dostatočne hmotná na to, aby skolabovala bez výbuchu supernovy. Miller-Jones s kolegami určili, že počas kolapsu stratila hviezda len okolo jednej hmotnosti Slnka. Rýchla rotácia čiernej diery a jej stála rýchlosť pohybu vesmírom taktiež podporujú vznik Cygnus X-1 bez explózie supernovy. Detektory gravitačných vĺn LIGO a Virgo objavili takéto prekvapivo hmotné systémy – ale tie sú veľmi ďaleko a preto sa sformovali v dobe, keď bol vesmír mladší. S menším množstvom ťažších prvkov v okolí hviezd v týchto systémoch by mali produkovať slabšie hviezdne vetry, čo by zasa umožnilo ľahšie udržať si svoju hmotnosť  keď by kolabovali na čierne diery. Blízke čierne diery objavené vďaka viditeľnému svetlu vyžiareného systémom, v ktorom sa nachádzajú, sa na druhej strane zdajú byť menej hmotné. Tie najhmotnejšie z nich majú len okolo 15 hmotností Slnka. V protiklade k tomu sa systém Cygnus X-1 sformoval v prostredí bohatom na ťažké chemické prvky. Na vysvetlenie toho, ako si hviezda, ktorá predchádzala čiernej diere, udržala toľko svojej hmoty, si Miller-Jones myslí, že nemusela stratiť veľa zo svojej hmoty hviezdnym vetrom. „Vyžaduje si to prekalibrovať naše teoretické modely toho, ako hmotné hviezdy strácajú hmotu hviezdnym vetrom,“ dodáva, „a to dovoľuje vzniknúť hmotnejším čiernym dieram.“ Adam Ingram (University of Oxford), ktorý nebol účastníkom tejto štúdie, hovorí, že tieto výsledky sú významné. „Novo určená vzdialenosť vyzerá skutočne presná, špeciálne preto, že súhlasí s výsledkami z družice GAIA,“ hovorí Ingram. Vyššia hmotnosť Cygnus X-1 podporuje myšlienku, že materské hviezdy čiernych dier (progenitori) formujúcich sa v splývajúcich systémoch s čiernou dierou, môžu mať vyšší obsah ťažkých prvkov, než sa doteraz uvažovalo, a teda mohli vzniknúť neskôr. Elena Gallo (University of Michigan), ktorá síce nie je spoluautorkou tejto práce, ale je nadšená jej výsledkami si myslí, že by to mohlo znamenať to, že vznik čiernej diery by mohol byť nezávislý na obsahu ťažkých chemických prvkov v okolí, kde táto čierna diera vznikla. Ak je to pravda, potom snáď hmotné hviezdne čierne diery nemuseli vzniknúť len v ranom vesmíre a mohli by sa teda sformovať aj v našom okolí.  

Publikované v časopise QUARK, 7/2021, RNDr. Zdeněk Komárek

Text k obrázku: Umelecká predstava systému Cygnus X-1 ukazuje čiernu dieru „kŕmiacu sa“ hmotou so svojho veľobrieho hviezdneho sprievodcu. Táto hmotná hviezdna čierna diera je najhmotnejšia zo všetkých čiernych dier objavených bez použitia detekcie gravitačných vĺn.

Zdroj obrázka: https://www.icrar.org