Výzkumy v ASU AV ČR (250): Lze na základě spektra poznat aktivní galaktické jádro s mezerou v akrečním disku?

Kde by se v akrečním disku obklopujícím supermasivní černou díru v srdci obří galaxie mohly objevit mezery? Těch možností je hned několik. Tak například ve vnitřní části akrečního disku se mohou podmínky v látce změnit natolik, že dynamika plynu zde nebude řízena viskózními silami, jak předpokládá nejčastěji používaný model popsaný autory Shakurou a Sunyaevem na začátku 70. let minulého století. Důležitou roli pak může hrát advekce, tedy proudění látky. Tato situace nastává zejména v případech, kdy je akreční rychlost malá. Akretující látka pak místo tenkého disku vytváří spíše rozsáhlejší prostorovou strukturu, která je chlazena právě advekcí a ne zářením jako standardní akreční disky. Látka v nich je navíc opticky tenká a proto je možné z pohledu vzdáleného pozorovatele považovat přítomnost vnitřního advekcí dominovaného disku (jejich modely jsou známy pod zkratkou ADAF – advection dominated accretion flow) za vnitřní díru v disku. V terminologii aktivních galaktických jader se takové struktury občas označují termínem koróna. 

Jinou možností, jak vytvořit v akrečním disku mezeru, je přítomnost druhého tělesa. Studie ukazují, že toto těleso by mělo být spíše hmotnější než hvězda, nejspíše tedy půjde o černou díru přinejmenším středních hmotností (v řádu alespoň tisícinásobků hmotnosti Slunce). Toto druhé těleso při svém oběhu „vychytává“ látku z disku kolem větší supermasivní černé díry a vytváří skutečné geometrické mezery. Jen připomeňme, že existence binárních černých děr je známa již delší dobu a že právě výsledné fáze jejich vzájemné interakce otevřely pro astronomy nové pozorovací okno gravitačních vln. Není jediný důvod se domnívat, že zrovna supermasivní černé díry v jádrech aktivních galaxií by měly být podvojnosti ušetřeny, a proto přítomnost mezer tohoto typu u nich nelze vyloučit.

Zdá se tedy, že přítomnost mezery prvního nebo druhého typu by mohla ovlivnit celkové spektrální rozložení energie. Naivně bychom měli očekávat, že ve srovnání se situací „bez mezer“ by měl „děravý“ akreční disk méně zářit – z pohledu vzdáleného pozorovatele mu prostě chybí část zářící látky. Musíme mít ale na paměti, že záření akrečního disku kolem supermasivní černé díry podléhá silným vlivům gravitace centrálního tělesa a je tedy ovlivněno efekty obecné teorie relativity. Navíc má teplota látky v disku určitý profil v závislosti na vzdálenosti od černé veledíry, což též ovlivňuje výsledný tvar spektra. Nabízí se tedy otázka, zda by se nedalo využít této skutečnosti a z pozorovaného spektrálního rozdělení energie odvodit charakter mezer v disku.

Marcel Štolc ze Skupiny relativistické astrofyziky Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU ve spolupráci s kolegy sestavil pro účely naznačeného experimentu zjednodušený model, jehož výsledkem je očekávané spektrální rozdělení energie. Tento model uvažoval tři různé situace odlišující se od standardního disku „v plném rozsahu“: model obsahující vnitřní ADAF, model zahrnující mezeru vytvořenou oběžnicí a kombinací obojího.  

Konstrukcí modelu záření však práce autorů neskončila. Původně položenou otázkou bylo, jestli je možné ze změřeného profilu záření určit, zda se v disku vzdáleného galaktického jádra nachází mezera. Autoři tedy využili znalostí vlastností některých v současnosti dostupných pozorovacích přístrojů a ze sestavených modelů vypočetli syntetická pozorování, tedy hodnoty, které by v daném spektrálním filtru daný přístroj nejspíše změřil, kdyby modelový objekt skutečně pozoroval. Svět experimentální fyziky není ideální, autoři tedy do syntetických pozorování započetli i nutný náhodný šum s odpovídajícím příspěvkem. Syntetická pozorování pak byla podrobena zevrubné analýze, která měla odpovědět především na dvě otázky. Za prvé, zda je možné poznat, že vzdálený akreční disk obsahuje mezery. A za druhé, zda je možné určit parametry rušícího tělesa. 

Výsledky jsou prozatím slibné. Například rekonstrukce parametru vnitřního ADAFu je úspěšná, pokud pozorování dostatečně pokrývají doménu dalekého ultrafialového záření (posuzováno v klidovém systému akrečního disku) a pokud je ADAF rozsáhlý. V případě příznivé konstelace jsou pozorování s nejistotami řádu deseti procent dostatečná, aby bylo možné registrovat přítomnost vnitřního ADAFu. Na druhou stranu, v případě mezery vyvolané oběžnicí jsou výsledky méně uspokojující. Rekonstrukce vlastností oběžnice (její hmotnosti a vzdálenosti od centrální supermasivní černé díry) je možná, pouze pokud jsou k dispozici pozorování s nejistotami lepšími než dvě procenta. 

V závěru práce autoři přemýšlejí, kolik bychom měli zaznamenat akrečních disků s mezerami kolem aktivních galaktických jader v blízkém vesmíru a docházejí k závěru, že bych jich mohlo být pár desítek až stovek. Mezi kvazary by vhodných objektů mohl být podobný počet. Má tedy smysl se takovými objekty zabývat a studovat je. To bude ale znamenat v současnosti relativně jednoduchý model dále rozvíjet a započítávat do něj další reálné fyzikální efekty. 

REFERENCE

M. Štolc a kol., Spectral energy distribution profiles from AGN accretion disc in multigap set-up, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 522 (2023) 2869-2884, preprint arXiv:2304.03015

KONTAKT

RNDr. Marcel Štolc
stolcml@gmail.com
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

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

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