Nevšední mikrokvazar a velmi hmotná černá díra

Kompaktní hvězdy a černé díry bývají často zdrojem silného rentgenového záření (viz Vesmír 78, 675, 1999/12). Naštěstí pro živé tvory jsou rentgenové paprsky přicházející z vesmíru pohlceny ovzduším dříve, než dosáhnou povrchu zemského. Je to důsledek fotoelektrické absorpce, při které jsou fotony pohlcovány atomy kyslíku a dusíku. Úhrnné množství atomů stojících rentgenovému fotonu v cestě k Zemi odpovídá množství, které by foton musel překonat, kdyby procházel pětimetrovou vrstvou betonu. Tím se ovšem komplikuje výzkum rentgenových zdrojů, jenž je možný jenom díky družicím pohybujícím se nad zemskou atmosférou. Detekce rentgenových zdrojů je složitá disciplína, která se rozvíjí teprve v posledních dvou třech desetiletích. Přesto již rentgenová spektroskopie přinesla pokrok ve výzkumu tak exotických objektů, jako jsou neutronové hvězdy a černé díry (viz Vesmír 76, 444, 1997/8), v jejichž těsné blízkosti většina rentgenových paprsků vzniká. Novými poznatky nás téměř zaplavují speciální satelity vybavené detektory s nebývalou citlivostí: v současnosti jsou velmi aktivní především dvě americké družice, Rossi X-ray Timing Explorer a Chandra, společný evropský projekt X-ray Multi Mirror Mission a italsko-holandský BeppoSAX.

Jedním z nejpozoruhodnějších zdrojů je objekt označovaný v katalogu jako GRS 1915+105, který před deseti lety objevila ruská družice GRANAT. Jde o mikrokvazar, což je dvojhvězdná soustava s mohutnými proudy hmoty, které přetékají mezi oběma složkami a téměř rychlostí světla tryskají do okolního prostoru. Svým vzhledem, utvářením výtrysků a dalšími vlastnostmi připomínají mikrokvazary mnohem větší a velmi vzdálené aktivní galaxie a kvazary, ovšem přeškálované do menších měřítek. Díky menší vzdálenosti (nacházejí se v naší Galaxii) je studium mikrokvazarů přece jen snazší. Loni se skupině J. Greinera podařilo ztotožnit optickou složku tohoto systému s hvězdou spektrálního typu K-M (tj. o povrchové teplotě 5000–3000 K). Využili k tomu infračervená měření osmimetrového dalekohledu na Evropské jižní observatoři v Chile. Identifikace primární hvězdy byla znesnadněna značnou mezihvězdnou absorpcí projevující se ve směru pohledu, nicméně v tomto okamžiku nás zajímá především rentgenová emise pocházející od druhé, kompaktní složky. Hmotnost této složky (více než desetinásobek našeho Slunce) se podařilo odhadnout výpočtem funkce hmotnosti a stanovením orientace zdroje (podle směru výtrysků) vzhledem k Zemi. Vysoká hmotnost a silné rentgenové záření nasvědčují tomu, že jde o černou díru. Proto astronomové dlouho usilovali o přesnější rentgenovou analýzu, která by umožnila z profilu spektrální čáry upřesnit fyzikální parametry černé díry (zejména její hmotnost a rotační rychlost). Očekávalo se, že vysoké relativistické rychlosti plynu obíhajícího blízko černé díry by se měly projevit enormním rozšířením spektrálního profilu, ale potíž je v tom, že detekce rentgenových čar je u mikrokvazarů obzvlášť nesnadná. Plyn je velice horký a ionizovaný, a proto se dlouho nedařilo žádnou takovou relativisticky rozšířenou čáru zaznamenat. Poprvé se to povedlo po pečlivém zpracování údajů získaných družicí BeppoSAX, v nichž A. Martocchia a jeho kolegové našli jasné známky emise přicházející z vnitřních oblastí zdroje. Jde o čáru železa, jejíž laboratorně změřená energie činí 6,4 kiloelektronvoltu, ale u objektu GRS 1915+105 je vlivem neobyčejně silné gravitace viditelně posunuta do nižší energie.

Zmíněné aktivní galaxie, resp. jejich jádra, představují další typ kosmických rentgenových zdrojů. Také v nich se skrývají černé díry, jenže mnohem hmotnější než v mikrokvazarech, zpravidla o hmotnosti několika milionů sluncí. Již poměrně dlouho je známo, že například galaxie MCG-6-30-15 má ve svém spektru také čáru železa, jejíž šířka a tvar svědčí o přítomnosti masivní černé díry. Řada nejasností ale přetrvává v interpretaci ostatních spektrálních charakteristik – zejména spektrální index charakterizující rentgenové kontinuum této galaxie se nedaří dobře vysvětlit žádným z dosud formulovaných modelů. Na základě nově získaných dat z družice XMM-Newton se ukazuje, že vlastnosti této galaxie a původ její rentgenové emise lze vysvětlit jako souhru řady činitelů: rentgenové záření je nejprve produkováno bouřlivými nestabilitami v horkém plazmatu blízko jádra, ozařuje poměrně chladný plyn padající do černé díry a při odrazu vznikají pozorované spektrální čáry. Z nich pak lze usuzovat jak na rychlost částic plazmatu, tak i na sílu gravitačního pole.