100 výtrysků černých děr mířících na Zemi rozpoutalo kontroverzní fyzikální teorii

Foto: Placidplace/Pixabay

Astronomové využívají 100 nově objevených supermasivních černých děr jako laboratoř pro extrémní fyzikální experimenty

Těmto černým dírám se přezdívá „blazary“, protože vystřelují explozivní proudy hmoty a záření přímo na Zemi, píše SPACE.com. Extrémní prostředí černých děr je ideální pro testování fyziky až na hranici jejích možností, uvedl jeden z autorů studie ve svém prohlášení.

„Poskytují nám příležitost ke studiu teorií relativity, k lepšímu pochopení chování částic při vysokých energiích, ke studiu potenciálních zdrojů kosmického záření, které přichází sem na Zemi, a ke studiu vývoje a vzniku supermasivních černých děr a jejich výtrysků,“ uvedl Abe Falcon, vedoucí skupiny astrofyziky vysokých energií na Penn State, v prohlášení z 10. května).

Blazary startují, když část hmoty obklopující supermasivní černou díru nepadá na její povrch, ale směřuje k pólům černé díry rychlostí blížící se rychlosti světla. Protože aktivita trysek přímo souvisí s tím, jak supermasivní černé díry nabírají hmotu, odhalení tohoto jevu by mohlo ukázat, jak tito vesmírní titáni rostou do hmotností odpovídajících milionovým nebo dokonce miliardovým hodnotám Slunce.

„Protože tryska blazaru míří přímo na nás, můžeme je pozorovat z mnohem větší vzdálenosti než jiné systémy černých děr, podobně jako se baterka jeví nejjasnější, když se na ni díváte přímo,“ uvedl ve stejném prohlášení hlavní autor výzkumu a postgraduální student astronomie a astrofyziky na Pensylvánské univerzitě Stephena Kerbyho. „Studium blazarů je vzrušující, protože jejich vlastnosti nám umožňují odpovědět na otázky týkající se supermasivních černých děr v celém vesmíru.“

Tým objevil nové blazary při pozorování neklasifikovaných vysokoenergetických kosmických emisí pomocí dalekohledů. Tyto nově identifikované blazary jsou slabé ve srovnání s typickými příklady těchto silných kosmických objektů, které mohou často zastínit kombinované světlo všech hvězd v galaxii, která je hostí. Slabší blazary umožnily týmu ověřit kontroverzní teorii obklopující emise blazarů, nazývanou „blazarní sekvence“.

Blazary vyzařují světlo v celém elektromagnetickém spektru, od nízkoenergetického světla, jako jsou rádiové vlny, až po extrémně energetické gama záření. Spektrum světla blazarů má však tendenci dosahovat vrcholu ve dvou specifických vlnových délkách: ve vlnových délkách gama záření a v rozsahu vlnových délek s nižší energií. (Přesná vlnová délka těchto vrcholů se u jednotlivých blazarů liší a může se měnit v čase.)

Foto: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Tento graf ukazuje polohu 150 blazarů (zelené tečky) použitých ve studii z roku 2012. Více než 100 dalších bylo odhaleno v novějším úsilí publikovaném v roce 2023.

Teorie posloupnosti blazarů předpovídá, že u jasných blazarů bude pík s nižší energií více směřovat k červenému (nebo nižšímu energetickému konci) elektromagnetického spektra než stejný pík u slabších blazarů. Pozorování, která by tuto teorii potvrdila, však bylo obtížné získat.

„S našimi v současnosti provozovanými dalekohledy je ve skutečnosti velmi obtížné detekovat a klasifikovat blazary s nižšími energetickými píky – červenými -, které jsou zároveň slabé, zatímco je mnohem snazší tyto blazary najít, když jsou jejich píky na vyšších energiích nebo když jsou jasné,“ řekl Falcone.

Novější výzkum si naopak klade za cíl začít „zkoumat posloupnost blazarů tím, že se ponoří hlouběji do nižších jasností jak nízkoenergetických, tak vysokoenergetických blazarů s píkem,“ dodal.

Černé díry a blazary jsou pro vědce extrémními fyzikálními laboratořemi.

Tým prozkoumal katalog zdrojů gama záření detekovaných Fermiho velkoplošným teleskopem a našel vysokoenergetické emise, které dosud nebyly spojeny s nízkoenergetickým píkem ze stejného zdroje. Pro každý blazar pozorovaný v záření gama našli astronomové protějšek emise v rentgenovém, ultrafialovém nebo viditelném světle detekované observatoří Swift Neila Gehrelse. Získání dat z archivu Swift pomohlo týmu charakterizovat světlo 106 nových slabých blazarů.

„Pozorování teleskopu Swift nám umožnila určit polohu těchto blazarů s mnohem větší přesností než pouze pomocí dat z Fermiho teleskopu,“ vysvětlil Kerby. „Spojení všech těchto emisních dat spolu se dvěma novými technickými přístupy nám pomohlo určit, kde v elektromagnetickém spektru se u každého z blazarů vyskytuje nízkoenergetický pík.“

Při hledání pomohlo strojové učení (forma umělé inteligence) a fyzikální modelování, které potvrdily, že vzorek slabých blazarů obecně dosahuje vrcholu v modrém světle s vyšší energií.

V budoucnu se tým pokusí využít tento soubor dat k předpovědím blazarů, které jsou zatím příliš slabé na to, aby je astronomové mohli přímo detekovat.

„Stále existuje tisíc Fermiho neasociovaných zdrojů, pro které jsme nenašli žádný rentgenový protějšek, a je poměrně bezpečný předpoklad, že mnoho z těchto zdrojů jsou také blazary, které jsou prostě příliš slabé v rentgenovém záření, než abychom je mohli detekovat,“ řekl Kerby.

Tato budoucí studie by mohla týmu umožnit také další testování posloupnosti blazarů. Nová práce by také mohla ukázat sílu magnetického pole blazaru a rychlost pohybu nabitých částic v něm, řekl Kerby.

„Je důležité vždy pracovat na rozšiřování našich datových souborů, abychom se dostali ke stále slabším a slabším zdrojům, protože díky tomu jsou naše teorie úplnější a méně náchylné k selhání v důsledku neočekávaných zkreslení,“ řekl postgraduální student. „Těším se na nové teleskopy, které budou v budoucnu zkoumat ještě slabší blazary.“

Výzkum týmu byl přijat k publikaci v časopise Astrophysical Journal a byl publikován na předtiskovém serveru arXiv, dne 3. května.