Ako vyzerá srdce našej Galaxie – Mliečnej cesty?
Je to pre nás ťažko predstaviteľné. Skúsme si to porovnať s okolím našej slnečnej sústavy. Proxima Centauri je druhá najbližšia hviezda k našej planéte, od Slnka je vzdialená približne štyri svetelné roky. Ak by sme sa pomyselne presunuli do centra našej Galaxie, tak by nám to prostredie prišlo veľmi zhustené, pretože v malom objeme štyroch svetelných rokov v okolí supermasívnej čiernej diery, ktorá leží v strede Galaxie, sa nachádzajú nie dve, ale niekoľko miliónov hviezd. A okrem nich je tam veľké množstvo ionizovaného plynu – plazmy, trocha menej neutrálneho a molekulového plynu a takisto tam pozorujeme aj prach. Ide o prostredie bohaté na objekty. A tomu všetkému kraľuje supermasívna čierna diera, ktorá to dynamicky ovplyvňuje.
Akoby sme boli pánmi všetkého. Ale to je len ilúzia. Sme so všetkým veľmi úzko prepojení.
Vedci galaktické srdce nazývajú laboratóriom. Prečo?
Lebo sa tam dá veľa vecí otestovať, pokiaľ ide o dynamiku hviezd, ich pohyb, interakcie s plynom a aj samotný pohyb okolo čiernej diery.
Foto: Archív Michala Zajačeka
Je to prívetivé miesto?
(Usmieva sa) Z nášho ľudského hľadiska je veľmi nehostinné. Plazma má vysokú teplotu, desiatky miliónov stupňov Celzia. Je tam tvrdé žiarenie, röntgenové žiarenie, gama žiarenie. Ak by Slnko bolo jednou z tamojších hviezd a presunuli by sme tam Zem, život by tam z veľkej časti neprežil, jedine azda veľmi odolné, extremofilné jednobunkovce. Veľmi rýchlo by sa vyparila atmosféra Zeme. Tvrdé žiarenie by rozštiepilo všetky molekuly, ktoré potrebujeme pre život.
A je to prívetivé miesto aspoň pre hviezdy?
Dlhé roky panovala predstava, že v tomto prostredí sa nemôže vytvoriť hustejší plyn, z ktorého by mohla vzniknúť hviezda. Také husté mračno by bolo v krátkom čase zničené tvrdým žiarením, ktoré veľmi rýchlo štiepi molekuly, a takisto by sa postupne rozpadlo vplyvom silných slapových síl čiernej diery.
A predsa sú tam milióny hviezd. Ako sa tam ocitli?
Boli teórie, že tam mohli doputovať, respektíve sa tam postupne rozpadali masívne hviezdokopy podobné známym guľovým hviezdokopám. Je totiž vyše 100 rokov známe z pozorovaní Harlowa Shapleyho, že guľové hviezdokopy sú viac skoncentrované smerom k centru Galaxie, a teda viacero z nich mohlo „zakotviť” v samotnom jadre. Lenže sa ukázalo, že sa tam nachádzajú veľmi mladé a hmotné hviezdy, ktoré musia mať iba niekoľko miliónov rokov, pretože takto hmotné hviezdy sa vyvíjajú veľmi rýchlo a krátko žijú. Takže model, že sa tam preniesli z iných častí Galaxie, nemohol fungovať. Ich presun by trval dlhšie ako ich život. A tak sa postupne prešlo k teórii, že tam veľká väčšina mladých a jasných hviezd musela nejako vzniknúť. Vytvárali sa nové modely a začali sa študovať procesy, za akých by to vôbec bolo možné. Je to totiž iný režim tvorby hviezd ako napríklad v špirálových ramenách našej Galaxie, v okrajoch, kde sídli aj naše Slnko. V centre Galaxie sú podmienky špeciálne. Vyššie teploty, viac žiarenia a silné gravitačné pole supermasívnej čiernej diery.
Ako teda mohla vzniknúť hviezda X3a?
Je viac modelov. A na začiatok musím povedať, že presný proces vzniku tejto hviezdy ešte nepoznáme. No podarilo sa preukázať, že vo vzdialenosti niekoľkých svetelných rokov od supermasívnej čiernej diery sa predsa len nachádza oblasť, ktorá veľmi prekvapujúco spĺňa podmienky pre vznik hviezd. Táto oblasť v tvare prstenca plynu a prachu je dostatočne chladná a chránená pred ničivým žiarením. Nízke teploty a vysoké hustoty zaisťujú podmienky, keď môžu vzniknúť mračná s hmotnosťou stoviek hmotností Sĺnk. Jedno z týchto mračien, ktoré bolo v procese gravitačného kolapsu a tvorby hviezd, sa vplyvom kolízií s inými mračnami mohlo dostať na takmer radiálnu trajektóriu smerom do centra Galaxie, kde sa slapovo rozpadlo a zároveň obohatilo centrálnu hviezdokopu o protohviezdy. Jedna z tých hmotnejších protohviezd je zrejme X3a.
Ako X3a vyzerá?
Pozorovania nám potvrdili, že hviezda X3a má všetky charakteristiky, ktoré očakávame od mladej hviezdy. Sú tam jasné znaky toho, že je obalená v hustej obálke plynu a prachu, pričom táto obálka rotuje. Je tam teda prítomný pozostatok materiálu, z ktorého hviezda vznikla. Takisto vyžaruje veľmi veľa energie za jednotku času, z čoho bolo možné usúdiť, že je hmotnostným rekordérom, má hmotnosť vyše 10 Sĺnk. Takto hmotné hviezdy sa vyvíjajú veľmi rýchlo. V astrofyzike všeobecne platí, že čím je hviezda hmotnejšia, tým rýchlejšie dospieva. A z toho priamo vyplýva jej nezvyčajný vek, mala by mať iba 40– až 50-tisíc rokov, čo je na hviezdu veľmi málo. Naše Slnko má asi päť miliárd rokov, takže rádovo je to niekde inde. Z astronomického hľadiska sa táto hviezda sformovala relatívne nedávno, v čase poslednej ľadovej doby. Je teda veľmi prekvapujúce, že sa tam nachádza takto hmotná a mladá hviezda.
Foto: Archív Michala Zajačeka
Ako však v takomto prostredí v blízkosti supermasívnej čiernej diery plynie čas z nášho pohľadu?
Máte pravdu, že sú tam efekty všeobecnej teórie relativity. Ale tie sa silno prejavujú v prostredí, ktoré je oveľa bližšie, než je táto hviezda, iba veľmi blízko pri čiernej diere. Čas tam postupne plynie pomalšie. To, čo by tam človek vnímal počas piatich minút, by z nášho pozemského pohľadu trvalo stovky rokov. Ale k tomuto efektu dilatácie času dochádza vo významnej miere len vo veľmi blízkom okolí čiernej diery. Väčšina hviezd, o ktorých sa zhovárame, sa nachádza vo vzdialenosti aspoň 10 000 astronomických jednotiek od supermasívnej čiernej diery, v ktorej čas plynie podobne ako na Zemi.
A aký je osud mladej hviezdy X3a? Spadne do čiernej diery skôr, než stihne dospieť?
To je veľmi málo pravdepodobné. Tieto hviezdy obiehajú okolo čiernej diery podobne ako planéty okolo Slnka. Majú dostatočný moment hybnosti, aby sa pohybovali po približne kruhových alebo eliptických dráhach. Je pravda, že niektoré hviezdy majú tendenciu dostať sa pod vplyvom rôznych dynamických efektov do tesnej blízkosti čiernej diery a slapovo sa rozpadnúť, ale to sa stáva pomerne zriedkavo. Teda aspoň z pohľadu jedného ľudského života. K takejto udalosti dôjde raz za 10-tisíc, respektíve raz za 100-tisíc rokov. Pravdepodobnosť, že by sa táto hviezda na škále miliónov rokov dostala do takej tesnej blízkosti, je veľmi malá. Obieha pomerne stabilne vo vzdialenosti až asi 60-tisíc astronomických jednotiek od supermasívnej čiernej diery.
Je teória, že pri každej hviezde vo vesmíre je aspoň jedna planéta. Mohla by mať planétu aj táto hviezda?
Je šanca. Vylúčiť sa to nedá. Ale problém je v tom, že to zatiaľ nevieme spozorovať. Galaktické centrum je vzdialené 26-tisíc svetelných rokov. Na jeho štúdium sme používali moderné teleskopy, osemmetrové ďalekohľady v Čile. S nimi sa dajú veľmi dobre rozlíšiť hviezdy. Ale citlivosť nie je dostatočná, aby sme mohli v galaktickom centre študovať planéty. Exoplanéty sa pozorujú v okolí bližších hviezd. Sú na to rôzne metódy, napríklad keď planéta prechádza pred hviezdou, jej tieň spôsobí mierny pokles jasu. Alebo sa použije metóda radiálnych rýchlostí. Je však pravdepodobné, že planéty existujú aj v takomto nehostinnom prostredí.
A aké by mohli byť?
Opäť je to ovplyvnené veľmi špecifickými podmienkami, ktoré v srdci Galaxie panujú. Tieto planéty budú v nejakom zmysle iné ako tie, ktoré vznikajú ďalej od centra Galaxie. Teoreticky sa to v niekoľkých prácach už študovalo. Ale je to ešte celkom otvorená téma. Študuje sa viac na základe výpočtov a modelov a momentálne nám na to chýbajú dáta.
Je šanca, že ich niekedy získame?
Určite sa to výrazne zlepší po dokončení najväčších ďalekohľadov. V Čile sa stavia ELT – Extremely Large Telescope (Extrémne veľký teleskop), ktorého primárne, segmentované zrkadlo bude mať priemer približne 39 metrov. Ten by mal dosiahnuť citlivosť, s ktorou by bolo možné pozorovať hnedé trpaslíky v centre Galaxie. Sú to zvláštne telesá, veľkostne niekde medzi najmenšími hviezdami a najväčšími planétami. A to je zároveň šanca, aby sme mohli zaznamenať v galaktickom centre aj prvé exoplanéty.
Čítajte aj Slovenský vesmír sa zdvojnásobil. Už 40 slovenských firiem je vo vesmírnej ekonomike
A mohol by byť na týchto planétach život?
V teoretickej rovine sa to vylúčiť nedá. Ale čo vieme vylúčiť spoľahlivo, je existencia života podobného tomu pozemskému. Je takmer nemožné, že by v prostredí, kde je intenzívne tvrdé žiarenie, silné magnetické pole, horúca plazma, bola planéta podobná Zemi. Už len fakt, že jej oblohu by osvecovali stovky ďalších blízkych hviezd, by výrazne zvyšoval jej priemernú teplotu. Atmosféra by sa vyparila alebo by musela mať úplne iné vlastnosti. Príroda však dokáže prekvapiť. Možno aj v takomto nehostinnom prostredí existuje niečo, čo by dokázalo ochrániť organickú hmotu alebo nejakú inú formu hmoty, ktorá by sa prejavovala ako život. Život by mohol vzniknúť v podzemí. Teoreticky by to šlo, ale na základe súčasných znalostí v biológii je to veľmi ťažko predstaviteľné.
Sú podobné hviezdy aj v srdciach iných galaxií?
Pravdepodobne áno. Ale je tam opäť podobný problém, že iné galaxie sú výrazne ďalej ako naša Galaxia. A nevieme v nich rozlíšiť jednotlivé hviezdy. Vieme detekovať iba integrované svetlo, svetlo veľkého množstva hviezd. Vieme detekovať, že aj v okolí iných supermasívnych čiernych dier sú husté hviezdokopy, takisto tam v malom objeme musia byť milióny hviezd, ale nevieme ich individuálne rozlíšiť. Obraz sa nám zlieva dokopy. Ale to, že dokážeme takéto objekty zaznamenať v centre našej Galaxie, nám pomáha pochopiť procesy, ktoré s najväčšou pravdepodobnosťou prebiehajú aj v iných galaktických centrách.
Aká je úloha supermasívnych čiernych dier? V niektorých článkoch možno nájsť pekný výraz, že sa tieto čierne diery s galaxiami „zhovárajú“. Ako?
Dá sa povedať, že supermasívne čierne diery sa vyvíjali spolu s celými galaxiami. Lenže na rozdiel od galaxií, ktoré majú v priemere desaťtisíce svetelných rokov, sú to veľmi kompaktné objekty. Pre lepšiu predstavu, horizont udalostí našej centrálnej supermasívnej čiernej diery má polomer len asi 0,1 astronomickej jednotky, čo je desatina vzdialenosti medzi Zemou a Slnkom. Je to kompaktný objekt, ale má hmotnosť štyroch miliónov Sĺnk. Nuž a takýto malý objekt dokáže v istých fázach regulovať tvorbu hviezd v celej galaxii. Dochádza k výtryskom, ktoré majú schopnosť odovzdať na galaktické a extragalaktické vzdialenosti veľké množstvo energie.
Ako môže regulovať tvorbu hviezd?
Na počiatku je v galaxii veľké množstvo plynu a prachu, z ktorého sa tvoria hviezdy. Tento chladný plyn má tendenciu dostať sa k supermasívnej čiernej diere a naštartuje jej aktivitu. Čierna diera sa zväčšuje, nasáva hmotu ale pri tom sa uvoľňuje veľké množstvo energie. Táto energia, spolu s hybnosťou výtryskov, dokáže chladný plyn z galaxie vypudiť alebo ho ohrieva a tým schopnosť tvorby hviezd klesá. Aktivita čiernych dier môže spôsobiť, že galaxie sú napokon len starnúcimi objektmi, kde sa už všetky hviezdy vytvorili a nie je v nich prítomný takmer žiaden chladný plyn. V slnečnej sústave necítime žiaden gravitačný efekt čiernej diery, ktorá je v strede galaxie. Ale táto čierna diera môže ovplyvniť v budúcnosti alebo už v minulosti ovplyvnila, či sa budú ešte tvoriť hviezdy v našej Galaxii. Čierne diery teda zohrávajú kľúčovú úlohu v evolúcii galaxií.
Čítajte viac Ľudstvo uvidelo neviditeľné. Čo bude ďalej po zverejnení obrázku čiernej diery?
Sú čierne diery navzájom prepojené?
Existujú teórie o prepojení pomocou červích dier, akýchsi intergalaktických mostov v čase a priestore. Ale to je skôr v hypotetickej rovine. Alebo by to mohlo byť prepojenie do iných vesmírov. Čierne diery by mohli byť bránami do vyšších dimenzií, kde môžu byť vnorené realizácie rôznych vesmírov. Niektorí vedci pracujú s takýmito hypotézami. Lenže z hľadiska pozorovaní sa k nám nedostane nič, čo je za horizontom udalostí. Nevieme overiť, čo sa za ním nachádza. Z hľadiska všeobecnej teórie relativity je v samotnom centre objektu veľmi malý a nekonečne hustý bod – singularita. Ale to je zároveň aj problém všeobecnej teórie relativity, nedokáže opísať, čo tento bod predstavuje. Potom sú rôzne teórie, viac či menej exotické, ktoré sa snažia zistiť, čo sa v centre supermasívnej čiernej diery nachádza, ako sa správa hmota, ktorá do nej vpadne. Ale to všetko je v súčasnosti mimo experimentálnych možností.
Aspoň sa blížime k pochopeniu čiernych dier?
Posledných desať rokov nastal nevídaný pokrok, pokiaľ ide o experimentálne štúdium blízkeho okolia čiernych dier. Spomeňme detekciu gravitačných vĺn, objav, ktorý bol ocenený Nobelovou cenou v roku 2017 a ktorý nám približuje, ako sa čierne diery spájajú a dokazuje nám to ich existenciu. V roku 2020 udelili Nobelovu cenu za detekciu supermasívneho objektu v strede našej Galaxie, a to na základe monitorovania rýchlych hviezd. A to bol ďalší prelom. Vďaka tomu sme mohli supermasívnu čiernu dieru presne zvážiť a povedať, že má hmotnosť štyri milióny Sĺnk. Ďalší míľnik, ktorý bude možno tiež nobelovsky ocenený, je „odfotografovanie” dvoch supermasívnych čiernych dier. Prvou bola v roku 2019 čierna diera M87 vo veľkej eliptickej galaxii M87 v kope galaxií Virgo. Vlani bola publikovaná snímka Sagittaria A*, našej supermasívnej čiernej diery. Išlo o ďalšie kľúčové dôkazy, že čierne diery naozaj existujú a správajú sa v súlade s predpoveďami všeobecnej teórie relativity. Vedci pracovali pomerne dlho na teóriách, čo sa nachádza v strede galaxií, a mnohé hypotézy sa týmito objavmi potvrdili, iné vylúčili. Ale aby sme prenikli za horizont udalostí, to bude dlhodobo mimo našich možností.
Dá sa povedať, že ľudstvo má obrovské „vesmírne“ šťastie, že žije v svete, v akom žije?
Áno. Určite to bola vec šťastia, teda záležitosť vhodného náhodného nastavenia mnohých parametrov. Stále je to malý zázrak, že tu život takto dlhodobo prosperuje. Keď sa pozriete do slnečnej sústavy, podobná planéta v nej nie je. Sú mnohé iné planéty, planétky a ich mesiace v slnečnej sústave, ale takýto vyspelý život sa nachádza zatiaľ len na Zemi. A aj z tých dnes už vyše 5 300 exoplanét, ktoré boli objavené, a ktoré pribúdajú každý deň, zatiaľ neprichádzajú jasné dôkazy, že by niekde bola druhá Zem. No je možné, že sa k objavu druhej Zeme postupne blížime.
Čo je to mnohoraké šťastie?
Že vôbec vznikol Mesiac, ktorý stabilizuje rotačnú os Zeme. Že naše Slnko je stabilná hviezda. Niekedy sa to odbije tvrdením, že predsa štatisticky by mala byť aj iná Zem v našej galaxii, prípadne v iných galaxiách, pretože sú stovky miliárd hviezd v galaxii a stovky miliárd ďalších podobných galaxií. A je to naozaj veľmi pravdepodobné. Ale nie je to samozrejmé. Nedá sa vylúčiť aj možnosť, že planéta s dostatočne stabilným ekosystémom, v ktorom zložitejší život dlhodobo prospieva, je len jednou realizáciou za celý vek vesmíru. Ľudia si to v bežnom živote neuvedomujú. Ak by si to uvedomili, úplne inak by pristupovali k životnému prostrediu.
Prečo?
Je nás takmer osem miliárd na jednej Zemi, ktorá má priemer približne 12-tisíc kilometrov. To, čo nás oddeľuje od nehostinného vesmíru, je len veľmi tenká atmosféra. Má iba pár desiatok kilometrov a sama osebe je veľmi zraniteľná. Ak by došlo k prudkej erupcii na Slnku, atmosféru by to veľmi silne ovplyvnilo a život by to priamo pocítil. Podobne aj silná erupcia sopky môže napríklad ovplyvniť priemernú teplotu vzduchu. Naša Zem je jeden celok, kde je výmena energie a chemických látok úzko prepojená medzi ekosystémom a ľuďmi, ktorí sú jeho súčasťou. A tam niekde je problém. Ľudia majú pri modernom spôsobe života pocit, že sú od toho všetkého oddelení. Akoby sme boli pánmi všetkého. Ale to je len ilúzia. Sme so všetkým veľmi úzko prepojení. V posledných rokoch nás o tom presvedčil jeden vírus, ktorý nakoniec nebol našťastie taký fatálny, ale aj tak fungovanie ľudstva výrazne narušil. Ale to bolo stále nič v porovnaní s tým, keby nastala nedajbože astronomická udalosť. Blízky výbuch supernovy alebo asteroid. Keby takéto niečo nastalo, tak by to všetko výrazne ovplyvnilo. Respektíve Zem takúto udalosť zažila pred 65 miliónmi rokov, čo predstavovalo koniec éry dinosaurov. Život na Zemi je veľmi krehký.
Michal Zajaček
- astrofyzik
- Pôsobí na Ústave teoretickej fyziky a astrofyziky Masarykovej univerzity v Brne.
- Skúma veľmi mladé hviezdy v tesnej blízkosti supermasívnej čiernej diery v strede Mliečnej cesty.
- Jeho práce citovali aj tímy nobelistov Reinharda Genzla a Andrey Ghez.
- Spolupracuje s tímom Andreasa Eckarta, ktorý sa spolupodieľal na vývoji vesmírneho ďalekohľadu Jamesa Webba (JWST). JWST v tomto roku pozoruje aj centrum Galaxie.