Možno si poviete, že objav novej dvojhviezdy v našej Galaxii, Mliečnej dráhe, nie je ničím veľmi výnimočný. Zo štúdií tvorby hviezd v hustých molekulových mračnách totiž vieme, že približne polovica hviezd je viazaných v dvojhviezdnych, prípadne aj viac-hviezdnych systémoch, pričom dvojhviezdou rozumieme sústavu dvoch hviezd, ktoré obiehajú okolo spoločného ťažiska. Je to gravitačne viazaný systém analogický k sústave Zem-Mesiac. To, že je naše Slnko izolovaná, osamotená hviezda, teda nereprezentuje väčšinové usporiadanie hviezd v Galaxii.
V rámci Mliečnej dráhy je jej centrum význačné miesto – nielen ako geometrické centrum špirálovej štruktúry, ale aj ako dynamické centrum, keďže plyn aj hviezdy v Galaxii obiehajú okolo centra Mliečnej dráhy. Pre predstavu nášmu Slnku trvá približne 250 miliónov rokov, kým obehne okolo centra Galaxie. Ak by sa čas meral v galaktických rokoch, naša Slnečná sústava práve prechádza „tínedžerským“ obdobím, keďže beží len jej 18. obeh okolo galaktického jadra.
Centrum Galaxie sa nachádza smerom k súhvezdiu Strelca (latinsky Sagittarius), čo si ako prvý uvedomil americký astronóm Harlow Shapley (1885-1972) z observatória na Harvarde, na základe zvýšenej koncentrácie guľových hviezdokôp v tomto smere. Keďže sa v týchto hviezdokopách nachádzali pulzujúce cefeidy, ktoré umožnili určenie ich vzdialeností na základe vzťahu perióda-svietivosť (tzv. Leavittovej vzťah podľa americkej astronómky Henrietty Swan Leavitt), Shapley dokázal zmapovať ich rozmiestnené voči Slnku.
Tým „odsunul“ Slnko z centra vesmíru smerom do vzdialenejších končín našej Galaxie, čím sa definitívne potvrdil tzv. Kopernikovský princíp, teda tvrdenie, že sa Zem spolu so Slnkom nenachádzajú na významnom mieste niekde v centre vesmíru. V súčasnosti vieme na základe viacerých nezávislých meraní, že Slnko je vzdialené približne 26 000 svetelných rokov od centra našej Galaxie.
Pri pohľade na nočnú oblohu „voľným“ okom sa súhvezdie Strelca nejaví veľmi zaujímavo, teda aspoň by nás nenapadlo, že je to centrum Mliečnej dráhy, kde je najväčšia koncentrácia hviezd v celej Galaxii. Toto „tienenie“ je spôsobené zvýšenou absorpciou a rozptylom žiarenia v rovine Galaxie, ktoré ovplyvňujú predovšetkým viditeľné žiarenie s vlnovou dĺžkou niekoľko stoviek nanometrov.
Táto absorpcia je spôsobená prachom, ktorý sa koncentruje v rovine Galaxie v hustých molekulových mračnách, a ovplyvňuje predovšetkým žiarenie s vlnovou dĺžkou, ktorá je porovnateľná s rozmerom prachových zŕn. Ak pozorovania uskutočníme na dlhších vlnových dĺžkach v infračervenej oblasti, prachová „hmla“ sa rozplynie, keďže infračervené svetlo prechádza viac-menej nerušene okolo maličkých prachových zŕn. Je to efekt podobný vlnám na mori – ak má vlna podobnú vlnovú dĺžku ako kamene na pobreží, tak je príboj značne ovplyvnený, kým vlny si „nevšímajú“ malé kamienky pri pláži.
Prvé úspešné pozorovania Galaktického centra v infračervenej oblasti uskutočnili Eric Becklin a Gerry Neugebauer v roku 1968 pomocou vyradeného vojenského fotometra, ktorý inštalovali na horu Mt. Wilson pri Los Angeles. Centrálna oblasť preplnená hviezdami sa im odhalila v plnej kráse. Odvtedy sa centrum Galaxie študovalo stále vo väčších a väčších detailoch, a to najmä vďaka zväčšujúcim sa ďalekohľadom a novým detektorom a technológiám, ako najmä CCD detektory a adaptívna optika.
V súčasnosti sa centrum Galaxie, predovšetkým jeho hviezdna populácia, skúma pomocou osem až desaťmetrových ďalekohľadov na hore Paranal v Chile na južnej pologuli a Keckových ďalekohľadov na sopke Manua Kea na Havajských ostrovoch na severnej pologuli.
Centrálna nukleárna hviezdokopa je na prvý pohľad podobná guľovej hviezdokope. Má podobný rozmer, približne 24 svetelných rokov naprieč celou hviezdokopou, je však niekoľkonásobne hmotnejšia, a tým predstavuje jeden z najhustejších hviezdnych systémov v Galaxii. Vo sfére s polomerom ekvivalentným vzdialenosti Proximi Centauri od Zeme (približne 4 svetelné roky) sa nachádza niekoľko 100 000 hviezd v centre Mliečnej dráhy, kým v našej, vzdialenejšej časti Galaxie sú to len 4 hviezdy celkovo (Slnko, alpha, beta Centauri a Proxima Centauri). Obloha hypotetickej planéty v Galaktickom centre by bola posiata veľmi jasnými hviezdami a rozdiel medzi dňom a nocou by bol oveľa menší ako na Zemi.
Keď vedci z Nemecka a Spojených štátov na začiatku 90. rokoch podrobne skúmali infračervenými ďalekohľadmi okolie v blízkosti kompaktného zdroja rádiového žiarenia Sgr A* (skratka súhvezdia, A označuje poradie identifikovaného zdroja rádiového žiarenia a hviezdička označuje kompaktný zdroj na jeho odlíšenie od rozsiahlej emisie Sgr A), identifikovali niekoľko rýchlych hviezd, tzv. S hviezd (z anglického source-zdroj), ktorých trajektórie sa postupne zakrivovali. Po asi 10 rokoch pozorovaní sa podarilo v roku 2002 pozorovať prechod jednej z najjasnejších S hviezd – S2 – pericentrom svojej dráhy.
Dráha S2 hviezdy bola pomerne výstredná elipsa s excentricitou, teda výstrednosťou až takmer 0.9. Aj ostatné S hviezdy mali „pekné“ eliptické dráhy so spoločným ohniskom, podobne ako planéty okolo Slnka. To implikovalo, že ich dynamike dominuje jedno masívne teleso. Problém bol, že teleso v ohnisku elíps S hviezd bolo temné – v infračervenej oblasti prevažne nežiarilo, intenzívne svietilo len na rádiovej vlnách.
Po aplikovaní 3. Keplerovho zákona, do ktorého vstupuje perióda obehu S hviezd a dĺžka ich hlavnej polosi, bolo možné ľahko spočítať, že „temné“ teleso v ohnisku elíps má hmotnosť približne 4 milióny hmotností Slnka. Jediným reálnym vysvetlením takto hmotného, kompaktného a dlhodobo stabilného telesa je masívna čierna diera.
Za tieto pozorovania a potvrdenie prítomnosti supermasívneho kompektného objektu v centre Galaxie získala Andrea Ghez z Kalifornskej univerzity v Los Angeles a Reinhard Genzel z Max Planck Inštitútu v Garchingu pri Mníchove Nobelovu cenu za fyziku v roku 2020 zdieľanú aj s Rogerom Penrosom za teoretické potvrdenie vzniku singularít obklopených horizontom udalostí – teda čiernych dier – pri kolapse veľmi hmotných hviezd.
Tým však záhady Galaktického centra neskončili. Analýza spektier S hviezd odhalila, že sú to z astronomického hľadiska veľmi mladé hviezdy, ktoré sa sformovali len pred desiatkami, maximálne sto miliónmi rokov. Súčasná podrobnejšia analýza odhaduje ich vek dokonca len na niekoľko miliónov rokov. V tomto prostredí v blízkosti supermasívnej čiernej diery je to „paradox mladosti“, keďže silné gravitačné pole čiernej diery výrazne bráni vzniku hviezd tým, že jeho slapové pôsobenie „roztrhá“ akýkoľvek hustý oblak plynu, z ktorého by mohli vzniknúť.
„Paradox mladosti“ sa ešte prehĺbil objavom chladných „oblakov”, tzv. G objektov, ktoré čiernu dieru obiehajú v podobnej vzdialenosti ako S hviezdy. Najznámejší G objekt bol „oblak“ G2, ktorý bol intenzívne monitorovaný od roku 2012, keďže sa rýchlo blížil k Sgr A*.
Bola veľká nádej, že sa tento objekt úplne slapovo rozpadne a „nasýti“ našu prevažne hladujúcu čiernu dieru, čo by výrazne zvýšilo jej aktivitu. V roku 2014, v čase najväčšieho priblíženia G2 k Sgr A*, zostal však tento objekt neporušený a v súčasnosti naďalej obieha bez výraznejších zmien po svojej eliptickej dráhe. Jedno z vysvetlení tohto správania je, že G2 je v skutočnosti hviezda s hustou plynno-prachovou obálkou, čo je typická charakteristika vznikajúcich hviezd. Od objavu G2 sa podarilo identifikovať niekoľko ďalších G objektov, ktoré rovnako vykazujú známky hustej plynno-prachovej obálky. Vývojovo by tak G objekty boli ešte mladšie ako okolité S hviezdy.
Ako sa však veľmi mladé S hviezdy a G objekty môžu nachádzať v tak nehostinnom prostredí v centre Galaxie? Jedna z hypotéz je, že v blízkosti čiernej diery nevznikajú, ale rôznymi dynamickými procesmi tam postupne doputujú. Druhá hypotéza je, že tieto hviezdy pôsobia mlado len navonok, no v skutočnosti vznikli omladením už starších hviezd. Jedným z omladzovacích procesov je splynutie dvoch hviezd, ktoré pôvodne tvorili dvojhviezdny pár. Tretia hypotéza je, že hviezdy za istých podmienok môžu skutočne vznikať aj v blízkosti centrálnej čiernej diery, napríklad v hustom plynnom disku v jej okolí.
Nedávny objav dvojhviezdy s názvom D9, ktorý bol publikovaný vo vedeckom časopise Nature Communications, môže výrazne napomôcť s rozlúsknutím pôvodu G objektov a aj vysvetlením výskytu mladých hviezd v tesnej blízkosti Sgr A*. Florian Peissker a jeho tím (ktorého súčasťou som aj ja), určili parametry dvojhviezdneho systému D9 na základe podrobnej analýzy spektra tohto zdroja v blízkej infračervenej oblasti.
Jedna z infračervených emisných čiar vykazovala periodické zmeny polohy v sústave spojenej s D9, čo je typická charakteristika spektroskopických dvojhviezd. Pri obehu dvoch hviezd okolo spoločného ťažiska je totiž akákoľvek emisia hviezd posunutá smerom „domodra“, ak sa hviezda k nám približuje, kým tá istá emisia sa posúva „dočervena“ pri vzďalovaní od nás – jav známy ako Dopplerov efekt.
Na základe analýzy časových zmien spektra bolo možné určiť, že D9 sa nachádza vo vzdialenosti približne 8000 astronomických jednotiek od supermasívnej čiernej diery, pričom 2 hviezdy sú vo vzájomnej vzdialenosti asi 1,6 astronomickej jednotky a obehnú okolo seba za jeden rok. Takýto systém teda poslúži ako ďalšie užitočné laboratórium dynamiky hviezd v gravitačnom poli supermasívnej čiernej diery. Pavel Karas z Brnenskej hvezdárne a planetária vytvoril peknú animáciu dvohviezdy D9, ktorá ilustruje prostredie centra Galaxie a kvalitatívne aj geometriu systému D9.
Konkrétne sa dá celkom jednoducho spočítať, že obe komponenty sú dostatočne blízko seba a teda systém je v súčasnosti stabilný – slapové pôsobenie Sgr A* ho neroztrhne. Naopak, v dôsledku neustáleho pôsobenia Sgr A* sa postupne obe hviezdy k sebe začnú približovať a nakoniec splynú niekedy počas nasledujúceho milióna rokov. Po splynutí bude výsledný objekt pripomínať mladú hviezdu s charakteristikami G objektov, čo poskytuje vysvetlenie ich pôvodu.
Aký je však pôvod samotnej dvojhviezdy D9? Tým, že systém vykazuje známky prítomnosti plynu a prachu v okolí hviezd, je evidentné, že musí byť veľmi mladý – spektroskopická analýza odhaduje vek na 2,7 milióna rokov. Systém pravdepodobne vznikol v okolí supermasívnej čiernej diery, napríklad v už zmienenom hustom disku plynu.
Je vysoko pravdepodobné, že aspoň polovica hviezd, ktoré v disku vznikli, boli súčasťou dvojhviezdnych systémov. D9 je tak pozostatkom tejto dvojhviezdnej populácie, z ktorej väčšina dvojhviezd sa buď rozpadla priblížením k čiernej diere, čo môže vysvetliť pôvod prevažne izolovaných S hviezd, alebo už splynula, čo zasa viedlo k vzniku záhadných zaprášených G objektov. Mali sme teda šťastie, že sme tento systém stihli zachytiť v tom správnom čase!
Dvojhviezda D9 teda naznačuje, že mladé hviezdy v centre Galaxie vznikali kombináciou tvorby hviezd v hustom plynnom disku v okolí supermasívnej čiernej diery a následným ďalším omladením v dôsledku splynutia dvojhviezdnych systémov, ktoré prežili dostatočne dlhý čas. Galaktické centrum nás tak neprestáva prekvapovať pestrosťou objektov a procesov, ktoré sa v ňom odohrávajú.
[Michal Zajaček]Viac informácii:
PEISSKER, F., M. ZAJAČEK, L. LABADIE, E. BORDIER, A. ECKART, M. MELAMED and V. KARAS. A binary system in the S cluster close to the supermassive black hole Sagittarius A*. Nature Communications. 2024, 15(10608). ISSN 2041-1723. Available at: doi: 10.1038/s41467-024-54748-3