Mezinárodnímu týmu astronomů se podařilo něco, co se ještě před několika lety zdálo nemožné: určit hmotnost černé díry, která přestala pohlcovat hmotu, když byl vesmír starý sotva 3 miliardy let. Jedná se o MRG-M0138, oblast vesmíru tak hustou, že z ní neuniká ani světlo, která má hmotnost odpovídající 6000násobku hmotnosti našeho Slunce a jejíž světelný signál k nám dorazil až za 10 miliard let. Tento objev je 15krát vzdálenější než dosavadní rekord v detekci neaktivní černé díry a otevírá dveře k mnohem ambicióznějšímu sčítání takových objektů v celé vesmírné historii.
Kosmický trik: gravitační čočkování
Jak je možné pozorovat něco tak vzdáleného a přitom tak tichého? Aktivní černé díry je poměrně snadné spatřit, protože při pohlcování hmoty uvolňují kolosální množství energie do okolního prostoru a fungují jako majáky, které lze pozorovat z velkých vzdáleností. Neaktivní černé díry se naopak přestaly živit a tyto signály nevysílají. K nalezení MRG-M0138 měli vědci nečekaného spojence: kupu galaxií, která se nachází mezi černou dírou a Zemí.
Kombinovaná hmotnost této kupy je tak obrovská, že ohýbá strukturu časoprostoru a s ní i dráhu světla z MRG-M0138. Výsledkem je jev, který astronomové nazývají gravitační čočkování, při němž se světlo ze vzdáleného objektu ohýbá a zesiluje, když prochází v blízkosti velké koncentrace hmoty, což v tomto případě vytváří čtyři pokřivené obrazy uspořádané do obrysu prstence. Díky tomuto efektu byl obraz černé díry zvětšen přibližně třicetkrát, což nejmodernějším dalekohledům, jako je JWST, nejvýkonnější vesmírná observatoř, která kdy byla postavena, poskytlo dodatečný dosah potřebný k jejímu studiu.
Dr. Andrew Newman z Carnegie Science v kalifornské Pasadeně vysvětlil: „Kombinací dat z JWST a gravitačního čočkování jsme byli schopni nahlédnout do sféry vlivu černé díry, kde její gravitace zvyšuje rychlost hvězd. Jedná se o jednu z nejlepších technik, které máme k dispozici pro měření hmotnosti černé díry, a proto jsme byli nadšeni, že jsme ji mohli rozšířit na mnohem dřívější období kosmické historie“.
Hvězdy jako kosmické váhy
Poté, co jsme lokalizovali MRG-M0138, zbývalo vypočítat její hmotnost. Na domácích vahách je pro nás gravitační působení kilogramu cukru nepostřehnutelné a dokonce i gravitační síla obrovské nákladní lodi zůstane zcela nepovšimnuta. Příroda však nabízí zvláštní kompenzaci: čím je objekt hmotnější, tím je jeho gravitační působení zřejmější, a proto je snazší odvodit jeho hmotnost nepřímými metodami.
Abychom si udělali představu, o jaká měřítka se jedná, stačí si připomenout, že Země váží téměř šest kvadrilionů kilogramů: 6 000 000 000 000 000 000 000 000 kg. Jupiter ji převyšuje 300krát, Slunce 300 000krát a MRG-M0138 odpovídá 1,8 miliardnásobku hmotnosti Země. Jinými slovy, 1,8 miliardykrát šest kvadrilionů kilogramů. Při takové gravitační síle se hvězdy obklopující černou díru pohybují velmi zvláštním způsobem. Tým vědců analyzoval dráhy těchto hvězd a pomocí rovnic hvězdné dynamiky (souboru fyzikálních zákonů, které popisují chování velkých skupin hvězd pod vlivem gravitace) dokázal odvodit, jakou hmotnost musí mít MRG-M0138, aby způsobila právě tyto pohyby.
Richard Ellis, spoluautor studie a vědecký pracovník UCL Physics & Astronomy, řekl: „Určení toho, jak se hvězdy kolektivně pohybují v jádru této vzdálené galaxie, nám umožnilo změřit hmotnost její jinak nezjistitelné supermasivní černé díry. Tím, že jsme prokázali proveditelnost této techniky pro galaxie v raném vesmíru, můžeme nyní provést úplnější zmapování vývoje černých děr v čase a odvodit jejich úlohu při utváření vývoje galaxií„.
Proč jsou neaktivní černé díry důležité?
Zdá se, že v centru prakticky každé známé galaxie se nachází supermasivní černá díra. Některé aktivně pohlcují hmotu, jiné zůstávají v klidu. Pochopení toho, kdy a proč přecházejí z jednoho stavu do druhého, je zásadní pro rekonstrukci historie vesmíru, protože tyto objekty mají rozhodující vliv na vznik a vývoj galaxií, které je hostí. Doposud jsme však mohli studovat pouze neaktivní černé díry v relativně blízkém vesmíru.
Výhodou hlubokého vesmíru je, že funguje jako stroj času: nasměrujeme-li naše technologie do dostatečně vzdálených oblastí, zachytíme světlo, které odešlo od svého zdroje před miliardami let, což nám umožní pozorovat vesmír takový, jaký byl v dávných dobách. MRG-M0138 tak představuje cenný kousek mnohem větší skládačky, ale odborníci upozorňují, že je zapotřebí mnohem více příkladů, abychom mohli plně zmapovat vývoj černých děr: jak vznikají, jak rostou a jaké mechanismy vedou k tomu, že přestanou pohlcovat hmotu.
Kombinace nepřímých technik, od gravitačního čočkování po hvězdnou dynamiku, se ukázala jako rekordní. Tento výsledek pravděpodobně nebude posledním, ale výchozím bodem bádání, které právě začíná a slibuje změnit naše chápání nejmocnějších sil ve vesmíru.
Černá díra není objekt v běžném slova smyslu. Ve skutečnosti je to oblast prostoru, jejíž hustota je taková, že z ní nemůže uniknout ani světlo. Mechanismů, jak nahromadit tolik hmoty, samozřejmě není mnoho, ale i když je jich málo, stále existuje jistá rozmanitost. Víme, že ty s hmotností několikřát desítek větší než naše Slunce vznikají kolapsem hvězd na konci jejich života. Černé díry se střední hmotností vznikají při srážce dvou hvězdných černých děr a supermasivní i primordiální černé díry zůstávají nejistého původu.