Černá díra - obrovská a skoro jistá

"Jen kdybych mohl vyzvědět, čím v nitra nitru je držen svět..."

Takhle si to kdysi vroucně přál Goethův Faust. Mezi moderní Fausty určitě patří ti astronomové, kteří se snaží poznat, jaký objekt leží v centru mnohých galaxií. Zdá se, že po mnohaletém úsilí dosáhli rozhodujícího úspěchu. 25. května oznámili pozorovatelé s Hubblovým kosmickým dalekohledem, že mají přesvědčivý důkaz o existenci mohutné černé díry v jádru galaxie M 87.  Než si něco řekneme o jejich objevu, povídejme si trochu o tom faustovském problému.

Galaxie jsou obrovské hvězdné soustavy, jakási hvězdná města. V jedné z nich žijeme. Většina hvězd v naší soustavě Mléčné dráhy je uspořádána do tvaru plochého disku, který má poblíž středu soustavy jakousi výduť - v celku uspořádání hvězd skutečně dost připomíná atletický disk. Co je uprostřed té výdutě, tedy ve středu celé Galaxie, kolem nějž všechny hvězdy musí obíhat? Stále ještě si nejsme jisti. Nevadí ani tak naše velká vzdálenost od něj, nějakých 28 tisíc světelných let. Hlavní překážkou jsou oblaka mezihvězdného plynu a prachu, nakupená ve směru ke středu Galaxie. Jsou to zejména drobounká zrníčka prachu, která rozptylují záření tak dokonale, že ve viditelném světle nám střed Galaxie zakrývá hustý černý mrak.

Jsme na tom asi tak jako obyvatelé velkoměsta rozloženého na rovině, kteří by chtěli poznat celkové plošné uspořádání města a dovědět se i jak to vypadá v jeho centru, ale vidí jen své blízké okolí; pro domy nevidí město, a navíc směrem ke středu města je hustý smog. Naštěstí můžeme pozorovat mnoho jiných hvězdných soustav, jiných galaxií, a zkoušet své štěstí tam. Je to jako dívat se na jiná města z okénka letadla. Dobře rozeznáme jejich půdorys, ale jsme příliš vysoko na to, abychom rozpoznali podrobnosti kolem středu města.

Proč ale o to tak urputně usilovat, abychom viděli do centra hvězdných soustav? Je dost přirozené očekávat, že směrem ke středu symetrické a stabilní hvězdné soustavy bude přibývat hvězd, nu a jejich společnou přitažlivostí budou vzdálenější hvězdy - jako třeba naše Slunce - nuceny kolem středu galaxie obíhat. Skutečně v naší Galaxii jen velmi podrobná a dosti ojedinělá pozorování naznačují, že v jejím středu musí být něco více než jen velké nakupení hvězd. Naše Galaxie je celkem pokojné hvězdné město.

Známe však galaxie, jejichž jádra jsou vysoce aktivní. Už r. 1943 americký student Carl Seyfert [čti Sífrt] našel asi tucet spirálních galaxií, které mají nápadně jasné jádro. To může dávat třeba stokrát více záření než celá galaxie. Přitom je ale docela malé, jeví se jen jako hvězdička ve středu vzdálené galaxie. Spektroskop ukazuje, že záření jádra není zářením hvězd, nýbrž poměrně horkého plynu. A ten plyn se značně rychle pohybuje. Radiová astronomie objevila mnohem divočejší procesy v některých galaxiích. Tak jedna opticky nenápadná galaxie v souhvězdí Labutě, běžně známá pod jménem Cygnus A, vysílá milionkrát více radiových vln než naše Galaxie. A co bylo ještě větším překvapením v roce 1952, toto záření nepřichází z onoho hvězdného města, ale ze dvou ohromných oblaků plynu symetricky položených vzhledem k optickému obrazu galaxie, ale velmi daleko od ní - 200 tisíc až půl milionu světelných let na každou stranu! Podobné útvary byly objeveny u více galaxií. Jsou to oblaka ionizovaného plynu, daleko větší než mateřská galaxie, a někdy i miliony světelných let od ní vzdálená, ale přece jen ke galaxii zřetelně patří. Jak se tam ten plyn dostal? I na to dala radioastronomie odpověď. Nedlouho po objevu plynných oblaků byly objeveny úzké ale velice dlouhé gejzíry plynu, který tryská z okolí jádra galaxie a řítí se na dvě strany ohromnou rychlostí mnoha tisíc kilometrů za vteřinu. Na svém konci, tam kde patrně narazí na odpor plynu v prostoru, vytvoří takový výtrysk onen rozsáhlý oblak.

Takže zbývá kardinální otázka: jaký stroj o obrovské energii leží v jádru takovýchto aktivních galaxií? Někteří astronomové usuzují, že není zapotřebí nic příliš exotického. Že velké nakupení hmotných a horkých hvězd vyrobí silný hvězdný vítr, tj. rychlé proudění plynu z takové hvězdokupy. Navíc nevyhnutelně v ní budou často explodovat supernovy, které dodají jednak mnohem více plynu, jednak mu udělí velkou rychlost. Ale tenhle model sotva vysvětlí, proč je plyn vyvrhován skoro rychlostí světla jakoby z úzké trysky. U yellowstonských gejzírů je to v malém tak, že přehřátá pára je vytlačována z podzemí úzkým otvorem. Ve vesmíru lze tento efekt docílit v jádru galaxie ve velkém takto: Předpokládejme, že v jádru jádra [jak by asi řekl Faust] je poměrně malý, ale velmi hmotný objekt. Ten se snaží k sobě strhnout okolní plyn a okolní hvězdy. Ale všechno v galaxii rotuje kolem středu, takže se nejprve vytvoří rotující disk (tzv. akreční disk), a teprve třením v tomto disku je materiál donucen po spirálních drahách padat stále blíže k centrálnímu objektu. Protože plyn je ionizovaný, nese s sebou i magnetické pole. Je-li centrální objekt malý a plynný disk hmotný a stále doplňovaný, uvolňuje se takto obrovské množství energie, především v těsném okolí centrálního objektu. Část této energie se promění v záření, zejména radiové, ale i rentgenové. Část energie se spotřebuje na vytlačování plynu, který nestačil spadnout do centrálního objektu. Přítomnost disku způsobuje, že tento plyn je vyháněn jakoby úzkými tryskami - a celkem přirozeně jen do dvou směrů kolmých na rovinu disku. Takže vysvětlíme nejen velkou rychlost v úzkém výtrysku, ale i fakt, že většinou pozorujeme dva, tryskající do opačných směrů.

Od r. 1968 je černá díra vážným kandidátem na funkci onoho centrálního objektu. Toho roku navrhl tento model britský teoretik Donald Lyndon-Bell. Koncept černé díry byl o pár let starší, ale předchůdci měli na mysli objekt, který vznikne zhroucením hmotné hvězdy, když vyčerpá všechno atomární palivo, které umožňovalo jak její záření, tak její stabilitu. V případě galaxií máme na mysli mnohem hmotnější a větší černé díry, vzniklé zhroucením velkého množství hmoty snad někdy v době, kdy se galaxie tvořila.

Už po léta je model tohoto druhu považován za nejlepší vysvětlení pozorované aktivity galaxií. Jak ale prokážete existenci objektu, který nevydává žádné záření? Model stojí a padá s přítomností akrečního disku o správných parametrech. To ale znamená mít možnost podívat se hodně hluboko do jádra galaxie. Abych se vrátil k analogii cestovatele letadlem, nestačí rozpoznat půdorys města, je nutno důkladně nahlédnout do jeho centra. Ale jsme vysoko nad městem (tedy mnoho milionů světelných let daleko od pozorované galaxie). Menší detaily nerozlišíme. Můžeme si vzít na pomoc kukátko, ale není nám moc platné, protože okénko letadla není příliš průhledné ani čisté. Podobně naše atmosféra omezuje použitelnost velkého zvětšení i u těch největších pozemských dalekohledů. Proto byl vypuštěn Hubblův kosmický dalekohled - a když v prosinci dostal brýle , konečně umožnil podívat se důkladně do středu blízkých galaxií.

Příroda se brání našemu poznání jak může. Spirální galaxie mívají jádro zahalené v oblacích plynu a prachu. Proniknout těmito oblaky k  jádru jádra zůstává velmi obtížné. Eliptické galaxie jsou lepší v tom, že mají mezihvězdné hmoty daleko méně; zase trochu vadí to, že často mívají silnou koncentraci hvězd ke středu. Ty obtíže nyní překonal tým, který vede prof. Holland Ford z Baltimore a který zahrnuje deset vědeckých pracovníků. 27. února zamířili Hubblův dalekohled na obří eliptickou galaxii M 87, která leží v souhvězdí Panny. Tedy, přesně vzato, nějakých 50 milionů světelných let za hvězdami souhvězdí Panny. S opraveným kosmickým dalekohledem dokázali pozorovat oblast jen 60 světelných let od středu galaxie. To je neuvěřitelný výkon, protože na vzdálenost 50 milionů světelných let se úsek 60 světelných let jeví pod úhlem čtvrt obloukové vteřiny. Pod takovým úhlem byste viděli mouchu ze vzdálenosti 8 km.

A tam, ve vzdálenosti 60 světelných let od středu galaxie, zjistili horký plyn (kolem 10 000 K) rotující rychlostí 550 km/s. Zbytek je už snadný výpočet (jak pro koho). Vezmeme hmotnost našeho Slunce za jedničku. Ze vzdálenosti 149,6 milionu km nutí svou přitažlivostí naši Zemi obíhat rychlostí 29,75 km/s. Přitažlivá síla se vzdáleností klesá: Neptun, který je třicetkrát dále, má dráhovou rychlost jen 5,4 km/s. Teď si ale představme, že jsme ne třicetkrát, ale čtyřmilionkrát dále od centrálního tělesa (to je oněch 60 světelných let). Kdyby žádné jiné hvězdy neintervenovaly, i tak bychom obíhali kolem Slunce, ale kosmickou hlemýždí rychlostí 1,5 m/s. Jenže v M 87 obíhá v tomto místě plyn rychlostí 550 km/s. Odtud snadno vypočteme, že centrální těleso musí mít hmotnost ne jednoho Slunce, ale 1,3 miliardy sluncí. A to je vlastně jen jeho minimální hmotnost. Je nepravděpodobné, že Ford a společníci pozorovali plnou oběžnou rychlost rotujícího plynu. Spektroskop měří jen složku rychlosti ve směru zorného paprsku; to by byla plná oběžná rychlost jen tehdy, kdybychom náhodou byli v rovině rotujícího plynného disku. Patrně je disk k zornému paprsku skloněn pod nějakým neznámým úhlem a je zcela rozumné odhadovat, že skutečná hmotnost centrálního objektu je 3 až 5 miliard sluncí.

Mohlo by tam, v okruhu 60 světelných let, být nakupeno tolik hvězd? V téže oblasti kolem nás je asi tisíc hvězd. Ve středu kulových hvězdokup bývá hvězdná hustota desetitisíckrát až stotisíckrát vyšší. Eliptické galaxie jsou jakési obrovské kulové hvězdokupy a mohou mít ještě vyšší hustotu hvězd ve svém jádře. Ale ani největší odpůrce černých děr nebude hájit ty miliardy. Navíc, a to hlavně, tolik hvězd tam prostě není: záření horkého plynu dominuje. A teď přidejme něco o galaxii M 87. (To označení znamená, že to je 87. objekt ze seznamu, který vydal ke konci 18. století francouzský pozorovatel Charles Messier). Už r. 1917 objevil astronom Curtis opticky podivný jasný prst směřující od středu galaxie. Bylo to první pozorování oněch gejzírových jetů , o nichž jsme hovořili. M 87 byla pak mezi třemi prvními zdroji radiového záření, objevenými nedlouho po druhé světové válce. Přesnější měření ukázala, že zdrojem silného radiového záření je jádro galaxie a zmíněný gejzír plynu. Později bylo objeveno i jejich rentgenové záření. Obojí vzniká při pohybu velmi rychlých elektronů v silném magnetickém poli (tzv. synchrotronové záření). M 87 je tedy velmi aktivní galaxie s velmi energetickým jádrem, s diskem horkého plynu a s odpovídajícím prudkým výtokem plynu kolmo k rovině disku.

Shrnuto, ideální případ odpovídající modelu s černou dírou (rotující a magnetickou). Je to důkaz její existence? Řekněme to takhle: Jestliže někdo vysvětlení s černou dírou nepřijme, bude muset přijít s modelem ještě mnohem fantastičtějším.

Jak je ta černá díra velká? To se dá opět snadno spočítat. Jako Schwarzschildův poloměr (také zvaný gravitační poloměr) bereme tu vzdálenost od středu černé díry, kde úniková rychlost je právě rovna rychlosti světla, takže nic už uniknout nemůže. A tento poloměr je 2,95 km na každou sluneční hmotnost. Hmotnosti 1,3 miliardy sluncí, kterou přímo odvodil Ford a spol., tedy odpovídá poloměr 3,5 miliardy km, což je 25,6 astronomických jednotek. Kdyby byla na místě Slunce, sahala by černá díra až za dráhu Urana, na půl cesty k Neptunu. To je minimální rozměr, odpovídající hmotnosti 1,3 miliardy; při větší hmotnosti bude poloměr úměrně větší, ale vždy zhruba srovnatelný s rozměry sluneční soustavy.

Domnívám se, že pozorování Fordova týmu je jednou z historických událostí v astronomii. Samozřejmě, další otázky se hned vynořují. Například, odkud se vzal ten plyn v disku? Eliptické galaxie nejsou na mezihvězdný plyn bohaté. Sami pozorovatelé byli velmi překvapeni, když nejprve tzv. širokoúhlou planetární kamerou našli zřetelný disk, a potom spektrografem určeným pro slabé objekty změřili jeho rotační rychlost. Plynný disk se možná obnovuje destrukcí hvězd v blízkosti černé díry. Také může do galaxie přicházet zvenčí. M 87 je totiž mohutná galaxie sedící v centru velké kupy galaxií (tzv. Virgo cluster); přitahuje tedy k sobě mezigalaktický plyn z celé kupy. Navíc je pro svoji zcela mimořádnou hmotnost (nejméně 4 x 10¹² sluncí) silně podezřelá z kanibalizmu. Mohla pohltit několik menších galaxií, mezi nimi i některé bohaté na mezihvězdný plyn. Je nyní poměrně jasné, že záhadným motorem vyrábějícím tak obrovské množství energie je černá díra a že energie se nezískává atomovými reakcemi, nýbrž z gravitační potenciální energie plynu, který k černé díře padá. Jádra galaxií jsou obrovským vydáním vodních elektráren!