Navíc se na celý systém díváme tak hluboko do minulosti, že vesmíru tehdy bylo jen přibližně 1,15 miliardy let. Černé díry se přitom už navzájem ovlivňují. Jen kosmické „brzy“ může znamenat dalších několik stovek milionů let.
Tři černé díry v galaxii, která existovala krátce po Velkém třesku
Galaxie s nenápadným označením J0148-4214 leží na rudém posuvu zhruba z = 5,02. Její světlo k nám putovalo více než 12,5 miliardy let, takže ji nepozorujeme takovou, jaká by byla dnes, ale v době, kdy měl vesmír za sebou jen přibližně 1,2 miliardy let.
Už dřívější pozorování naznačovala, že obsahuje aktivní galaktické jádro. Teprve Webbův spektrograf NIRSpec v režimu integrálního pole ale umožnil astronomům rozdělit světlo galaxie prostorově a sledovat, odkud přesně jednotlivé spektrální signály přicházejí.
A obraz se výrazně změnil.
V centru se objevily dva rozdílné zdroje široké emise vodíku H-alfa, typické pro plyn pohybující se obrovskými rychlostmi v blízkosti akreujících černých děr. Další podobný zdroj leží severozápadně od centra. Tým zkoumal alternativní vysvětlení – například supernovu, hvězdné větry, rázové vlny nebo mimořádně hmotné hvězdy – ale spektrální data nejlépe odpovídají třem aktivně akreujícím masivním černým dírám.
Dvě centrální jsou od sebe v projekci vzdálené 190 ± 40 parseků, tedy přibližně 620 světelných let. Třetí leží asi 1,7 kiloparseku – zhruba 5 500 světelných let – od hlavního jádra. Na galaktických škálách je to velmi těsná společnost. Jenže z pohledu černých děr samotných je 620 světelných let pořád propast.
„Blízko“ v astronomii pořád znamená desítky milionů astronomických jednotek
Největší z trojice má podle současných odhadů asi 80 milionů hmotností Slunce. Druhá centrální černá díra přibližně 600 tisíc a třetí kolem dvou milionů hmotností Slunce. Autoři ovšem zdůrazňují, že tyto hodnoty mají značné nejistoty a závěr studie nestojí na tom, zda je jedna černá díra přesně tak či onak těžká.
Pro představu: horizont událostí černé díry o 80 milionech hmotností Slunce by měl průměr jen několik astronomických jednotek. Vzdálenost 620 světelných let naproti tomu odpovídá zhruba 39 milionům astronomických jednotek.
Na obrázku vzdálené galaxie tedy mohou dvě černé díry vypadat téměř nalepené na sobě, zatímco mezi jejich horizonty událostí by se vešel prostor nepředstavitelně větší než celá Sluneční soustava. A je zde ještě důležitější detail.
Výpočty autorů naznačují, že centrální dvojice při současné vzdálenosti pravděpodobně ještě ani netvoří gravitačně vázanou binární černou díru, alespoň pokud bychom předpokládali přibližně kruhové dráhy. Oblast, v níž gravitace největší černé díry převládá nad okolní galaxií, má poloměr asi 50 parseků. Druhá černá díra se nachází výrazně dál. U výrazně excentrických drah ale může být situace složitější. To však rozhodně neznamená, že o sobě nevědí. Právě naopak.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Už teď začínají ztrácet orbitální energii
Černá díra pohybující se galaxií neprochází prázdným prostorem. Kolem ní jsou hvězdy, plyn a temná hmota.
Svou gravitací tento materiál ovlivňuje a za pohybujícím se objektem vzniká zvýšená koncentrace hmoty – jakási gravitační brázda. Ta působí zpět proti jeho pohybu. Černá díra tím pomalu ztrácí energii a úhlový moment a její dráha se zmenšuje.
Proces se nazývá dynamické tření.
Astronomové se domnívají, že právě v této fázi už centrální dvojice J0148-4214 pravděpodobně je. Černé díry tedy ještě nemusí obíhat pouze jedna kolem druhé jako těsný pár, ale prostřednictvím okolní galaxie se postupně dostávají blíž.
Jednoduchý výpočet autorů dává menší centrální černé díře dobu sestupu k hlavnímu objektu přibližně 660 milionů let. Pokud se místo hvězdné hmotnosti galaxie použije její dynamická hmotnost, vychází asi 550 milionů let.
A ani to nemusí být konečný údaj. Autoři upozorňují, že jednoduchý model nepostihuje dostatečně působení plynu a temné hmoty, které mohou proces ještě urychlit. Kosmická kolize tedy možná už začala. Jen její první dějství trvá déle než celá historie mnohobuněčného života na Zemi.
K samotnému spojení je třeba dostat se ještě mnohem blíž
Dynamické tření představuje pouze začátek.
Až se dvě černé díry dostanou dostatečně hluboko do společného centra, vznikne skutečně vázaná dvojice. Další orbitální energii pak mohou odnášet interakce s okolními hvězdami. Hvězda, která proletí příliš blízko dvojice, může být gravitačně vystřelena pryč a odnese s sebou část energie systému.
Černé díry se tak přibližují dál.
U J0148-4214 autoři odhadují, že fáze takzvaného tvrdého binárního systému by nastala až při vzdálenosti kolem 0,1 parseku – asi třetiny světelného roku. Dnešní pozorovaná vzdálenost je přibližně 190 parseků.
Musí tedy překonat rozdíl několika řádů velikosti.
Teprve v ještě těsnějším páru začne dramaticky narůstat význam gravitačních vln. Ty odnášejí energii a úhlový moment samotného systému, orbitální pohyb se zrychluje a vzdálenost se zmenšuje stále rychleji.
Nakonec už není stabilní oběžná dráha možná. Dvě černé díry splynou v jednu. Takže odpověď na otázku, proč už se dvojice vzdálená „jen“ 620 světelných let nesrazila, je vlastně jednoduchá:
620 světelných let je pro galaxii málo, ale pro závěrečnou fázi mergeru černých děr stále neuvěřitelně mnoho.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
A potom je tu třetí hráč
Kdyby J0148-4214 obsahovala pouze centrální dvojici, její budoucnost by byla relativně přehledná. Jenže o několik tisíc světelných let dál se krmí třetí černá díra. Její původ není jasný.
Jednou možností je, že se do galaxie dostala spolu s menší galaxií při galaktickém mergeru a nyní postupně klesá směrem do centra. Pokud bychom použili jednoduché dynamické modely, její cesta dovnitř by trvala přibližně pět až šest miliard let.
Existuje však i téměř opačný scénář. Třetí černá díra nemusí padat dovnitř. Mohla být naopak vymrštěna z centra.
Při interakci tří černých děr může jeden objekt získat velkou část orbitální energie a být vyhozen směrem ven. Jinou možností je takzvaný gravitační recoil: při předchozím splynutí dvou černých děr nejsou gravitační vlny nutně vyzařovány dokonale symetricky a výsledná černá díra může dostat prudký „kopanec“.
Autoři zatím nevědí, která historie je správná. A právě třetí člen může z budoucnosti celého systému udělat chaos.
Tři tělesa jsou mnohem horší problém než dvě
Pohyb dvou gravitačně vázaných těles lze v ideálním případě matematicky popsat elegantně. Přidání třetího masivního objektu situaci dramaticky komplikuje.
Tříčlenný systém může měnit excentricity drah, urychlovat ztrátu energie, vytvářet těsnější dvojice nebo některý objekt úplně vystřelit ven. Právě interakce trojic černých děr jsou považovány za jeden z možných způsobů, jak urychlit mergers, které by jinak mohly uvíznout na určitých vzdálenostech.
Paradoxně tak třetí černá díra nemusí být překážkou spojení. Může fungovat jako urychlovač kosmické katastrofy. To je také důvod, proč je J0148-4214 tak zajímavá pro otázku, která astronomům dělá problémy od chvíle, kdy Webb začal pozorovat raný vesmír: Jak mohly obrovské černé díry vyrůst tak rychle?
Největší z nich už měla 80 milionů Sluncí, když byl vesmír ještě velmi mladý
Galaxie samotná obsahuje podle odhadů asi 1,3 miliardy hmotností Slunce ve hvězdách. Největší černá díra tedy představuje na poměry lokálního vesmíru mimořádně velkou část hvězdné hmotnosti svého hostitele.
Ještě zvláštnější je chování jejího menšího souseda.
Zatímco obr o zhruba 80 milionech Sluncí akreuje relativně klidně, černá díra o přibližně 600 tisících Sluncí se podle současných odhadů krmí mnohem agresivněji a může dokonce překračovat klasický Eddingtonův limit – zjednodušeně rychlost, při níž tlak záření unikajícího materiálu začíná výrazně bojovat proti dalšímu přísunu hmoty.
Přesné odhady hmotností i akrečních rychlostí mají značné nejistoty a sami autoři studie před příliš přesnou interpretací varují. Celkový obraz je však pozoruhodný.
Už 1,15 miliardy let po Velkém třesku existuje galaxie s několika aktivními masivními černými dírami, které se mohou postupně spojovat.
To nabízí cestu, jak mohou černé díry růst rychleji než pouhým dlouhodobým pojídáním plynu. Mohou také pojídávat jedna druhou.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Webb možná sleduje ranou fázi budoucího zdroje gravitačních vln
Studie se dokonce pokusila odhadnout, zda by případná budoucí spojení potomků podobného systému mohla zachytit plánovaná vesmírná observatoř gravitačních vln LISA.
Výpočet je velmi orientační. Předpokládá například, že se hmotnosti černých děr už výrazně nezmění a že ke spojením opravdu dojde po odhadovaných dobách dynamického tření.
Za těchto zjednodušení vyšla pravděpodobnost detekce mergeru současné centrální dvojice v simulacích přibližně na 38 procent. Pro pozdější spojení výsledku centrálního mergeru s třetí černou dírou vyšla dokonce přes 80 procent. Při jiném odhadu času dynamického tření se hodnoty mění, takže nejde o předpověď konkrétní budoucí události, spíš o ukázku, že podobné systémy spadají do oblasti, která bude pro LISA mimořádně zajímavá.
A je tu ještě jeden časový paradox.
My samozřejmě nevíme, co se s J0148-4214 stalo „teď“. Pozorujeme světlo staré více než 12 miliard let. Z pohledu historie této galaxie už mohly všechny tři černé díry dávno projít několika dalšími fázemi, splynout nebo být jedna z nich vymrštěna do prostoru.
Webb nám ukazuje jediný snímek z jejich velmi dávné minulosti. Ale právě tento snímek může být mimořádně cenný. Vidíme totiž něco, co moderní galaxie obvykle skrývají už dávno po dokončení procesu: okamžik, kdy se několik masivních černých děr teprve dostává k sobě.
A možná právě takhle začínaly příběhy gigantů, které dnes sedí téměř nehybně v centrech velkých galaxií.
Věděli jste, že…
…černé díry se ve skutečnosti nemusí při mergeru nikdy „dotknout“ způsobem, jakým se srazí dvě pevná tělesa? Nemají pevný povrch. V závěrečné fázi se jejich horizonty událostí deformují a vytvoří jeden společný horizont, zatímco prudká změna geometrie časoprostoru vyšle do vesmíru obrovské množství energie ve formě gravitačních vln. U J0148-4214 jsme od této fáze v okamžiku, který Webb pozoruje, stále nesmírně daleko – přesto už pravděpodobně sledujeme začátek procesu, který k ní jednou může vést.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Astronomy & Astrophysics – Übler et al., Evidence of three massive black holes in a z ~ 5 galaxy [2], arXiv – BlackTHUNDER: Evidence of three massive black holes in a z ~ 5 galaxy [3], Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics – Three black holes discovered in a young galaxy [4]. img AI generated
