Výzkumy v ASU AV ČR (244): Spin černé díry určovaný z rentgenové polarimetrie

Ve vesmíru jsou dnes známy černé díry dvou typů: jednak pozůstatky velmi hmotných hvězd a pak jako obří gravitační centra velkých galaxií. Obě skupiny mají mnoho společného. Jde o gravitačně zkolabované objekty, jejichž přitažlivá síla je tak velká, že od těchto objektů neunikne ani světlo. Proto nemáme o černých děrách žádné přímé informace. A přitom by bylo co u nich měřit. Přinejmenším jsou zajímavé celkové vlastnosti těchto objektů, jako je jejich hmotnost, magnetické pole, nebo rotační rychlost. Ta je v teoretických pracích označována slovem „spin“, což je frakční podíl rotační rychlosti černé díry vůči maximální rotaci předpovězené teorií.

O černých děrách víme jen v případě, kdy nejsou ve vesmíru zcela osamocené. Nejčastěji, pokud jsou obklopeny plynem, který na černou díru akretuje z blízkého okolí. Zdrojem plynu může být mezihvězdné prostředí v případě galaktických jader, nebo vyvinutá druhá složka dvojhvězdy, z níž látka uniká. Akrece je jedním z nejefektivnější procesů „ždímání“ energie z látky ve vesmíru a často je doprovázena vznikem intenzivního rentgenového záření. A tak zatímco v případě galaktických jader je intenzivní akrece zdrojem záření tzv. kvazarů, rentgenové dvojhvězdy jsou v analogii často označovány za mikro-kvazary.

Míra akrece není obvykle stálá, kvazary i mikrokvazary prochází v jakémsi nepravidelném cyklu několika stavy, které přímo souvisí s množstvím látky přitékající na zkolabovaný objekt. Jednotlivé stavy v cyklu lze identifikovat podle výskytu struktur v akrečním disku a jeho okolí a také tvrdosti rentgenového spektra. V případě tzv. vysokého měkkého stavu je přítok látky z okolí vysoký. Akreční disk se rozkládá až k tzv. nejvnitřnější stabilní kruhové orbitě, tedy do blízkosti černé díry, z níž již látka padá do neustále otevřeného chřtánu. Záření objektu je dominováno tepelnou komponentou akrečního disku.

Důležité je, že v tomto stavu závisí poloměr nejvnitřnější stabilní kruhové orbity na spinu černé díry. V literatuře lze nalézt práce zabývající se určováním spinu černé díry z vlastností rentgenového spektra, metodologie ale kriticky závisí na přesné znalosti hmotnosti černé díry, sklonu roviny akrečního disku vůči pozorovateli a vzdálenosti systému od pozorovatele. Tyto údaje však nebývají známy s dostatečnou přesností.

Alternativní metodou určení spinu černé díry v tomto prostředí je využití rentgenové polarimetrie.  Prostředí se silnou gravitací mění polarizační vlastnosti záření vznikajícího v akrečním disku, jmenovitě stáčí tzv. polarizační rovinu. Efekt je nejsilnější v blízkosti černé díry, důsledkem je různé stáčení polarizační roviny s energií záření.

9. prosince 2021 odstartovala kosmická sonda IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) zaměřená na studium polarizovaného rentgenového záření. Přirozeně jsou rentgenové dvojhvězdy jedním z cílů tohoto projektu. Pro správnou interpretaci skutečných měření je ovšem zapotřebí získat s tímto oborem zkušenosti. Autoři představované práce simulovali předpokládané rentgenové záření konkrétního systému a posuzovali, zda lze zpětně s pomocí metodologie vyvinuté pro IXPE spolehlivě určit vstupní parametry.

Pro tyto účely si autoři vybrali rentgenovou dvojhvězdu s označením GRS 1915+105, u níž jsou známy podstatné parametry. Autoři během práce měnili rychlost rotace černé díry a sklon akrečního disku. Pro každý model vypočetli modelové rentgenové záření s pomocí v oboru používaných programů, jejichž autory jsou pracovníci ASU. Modelové záření bylo použito k simulaci odezvy na detektorech přístrojů IXPE. Autoři v práci studovali také důležitost vratného záření. Tedy takových rentgenových paprsků, které jsou původně vyslány v jiném směru než k pozorovateli, jsou ovšem ohnuty silnou gravitací černé díry, vráceny do akrečního disku a zde rozptýleny do směru k pozorovateli.

Výsledky této teoretické práce ukazují, že z polarimetrických pozorování lze úspěšně určit jak spin černé díry, tak sklon disku pro rychle rotující případy, a to bez ohledu na započtení nebo nezapočtení vlivu vratného záření. V případě nerotující černé díry je ovšem mezi těmito dvěma parametry velmi silná degenerace, takže je nelze určit současně. V systémech bez vratného záření tak bude úspěšnost určení spinu černé díry záviset na možnosti nezávisle určit sklon disku.

Existence vratného záření ovšem není žádnou velkou výhrou, přináší spíše komplikace. Jeho míra totiž závisí na dalším neznámém parametru, tzv. albedu, čili odrazivosti akrečního disku. Jeho neznalost podstatně zvyšuje nejistoty určení spinu černé díry, tento efekt je především patrný v případě rychle rotujících objektů.

Rentgenová polarimetrie představuje důležitý diagnostický nástroj pro určování parametrů exotických hvězdných systémů. Představovaná práce však ukazuje, že analýza a interpretace těchto měření nemusí vůbec být jednoduchá. V oboru tak zůstává dostatek práce pro budoucí studie. A to i s ohledem na fakt, že v roce 2027 by měla být vypuštěna čínská družice eXTP (enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission), která bude vybavena citlivějším rentgenovým polarimetrem.

REFERENCE

R. Mikušincová, M. Dovčiak, M. Bursa a kol., X-ray polarimetry as a tool to measure the black hole spin in microquasars: simulations of IXPE capabilities, Monthly Notices of Royal Astronomical Society 519 (2023) 6138-6148, preprint arXiv:2301.04002

KONTAKT

RNDr. Michal Dovčiak, Ph.D.
michal.dovciak@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systému ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.