Výzkumy v ASU AV ČR (89): Jsou aktivní galaktická jádra podobná rentgentovým dvojhvězdám?
Jiří Svoboda z ASU se ve spolupráci se zahraničními kolegy zabýval srovnáním vlastností aktivních galaktických jader s rentgenovými dvojhvězdami. Společným jmenovatelem podstatným pro aktivitu těchto objektů je akrece, plynulý dopad hmoty na černou díru. Černá díra ve dvojhvězdném systému dosahuje hmotnosti několika hmotností našeho Slunce. Naopak v jádrech galaxií se vyskytují veledíry, převyšující hmotnost našeho Slunce milion až miliardakrát. Ve své práci autoři odhalují, že navzdory tak odlišné hmotnosti existuje mezi těmito dvěma typy kosmických objektů určitá podobnost. Na základě této podobnosti je pak možné vysvětlit i dlouho trvající záhadu, proč některé aktivní galaxie jsou rádiově hlučné a jiné tiché.
Ve vesmíru známe dva typy černých děr. Jednak černé díry hvězdných hmotností, které jsou pozůstatky po vývoji velmi hmotných hvězd. Na druhé straně pomyslného hmotnostního spektra pak stojí černé veledíry v jádrech galaxií, jejichž hmotnosti se počítají na miliony až miliardy hmotností Slunce. Mezi těmito dvěma extrémy černé díry nepozorujeme, byť nepřímé indicie naznačují, že i takové ve vesmíru existují. Jsou-li černé díry obou typů obklopeny materiálem, probíhá na nich akrece. Dodavatelem v případě hvězdných černých děr jsou obvykle blízké, gravitačně vázané hvězdy, proto se mluví nejčastěji o rentgenových dvojhvězdách. Nejznámějším zástupcem rentgenových dvojhvězd je zdroj Cygnus X-1, první potvrzená černá díra vůbec. Naproti tomu v centrech galaxií je obvykle materiálu dost přirozeně. V některých je hmoty více, takové skupiny galaxií pak označujeme jako galaxie s aktivními galaktickými jádry (AGN).
Při postupném nabalování hmoty na černou díru, tzv. akreci, se uvolňuje potenciální energie materiálu a přeměňuje se na jiné formy, např. přispívá k ohřevu napadající látky, která se pak stává zdrojem vysokoenergetického rentgenového záření. Někdy bývá akrece na černé díry doprovázena i dalšími projevy, například vznikem polárních výtrysků, obsahujících částice urychlené na relativistické rychlosti. Míra akrece není v čase stejná, mění se působením mnoha procesů. Hmotnostní rozdíly obou tříd černých děr však ovlivňují i časové škály, na nichž se tyto objekty proměňují. A tak zatímco rentgenové dvojhvězdy mění svoji aktivitu na časových škálách stovek dnů, proměnnosti aktivních galaktických jader se odhadují v stovkách tisíc až miliardách let.
Změny aktivity rentgenových dvojhvězd se projevují nejen změnou rentgenové svítivosti, ale také změnou spektrálních vlastností, např. „tvrdostí“ záření (v podstatě poměrem toku záření v tvrdší a měkčí oblasti spektra) nebo přítomností záření v zcela odlišných oblastech spektra, např. v rádiové oblasti. V rámci cyklu aktivity tak běžná rentgenová dvojhvězda koná jakousi charakteristickou cestu po grafu svítivost vs. tvrdost záření, kdy např. přechod ze stavu s větší tvrdostí záření do menší tvrdosti souvisí s utlumováním polárního výtrysku.
Jiří Svoboda z ASU společně s kolegy ze zahraničních institucí vyšetřoval možnost, zda by nebylo možné z podobného grafu usuzovat na aktuální stav aktivity u aktivních galaktických jader. Pro tyto účely pečlivě vybírali zástupce AGN, která byla pozorována jednak teleskopem XMM-Newton, a jednak obsažena i v dodatečných katalozích přehlídek jako je Sloan Deep Sky Survey a dalších. Cílem pečlivé probírky jednotlivých exemplářů bylo získat čistý vzorek AGN vhodný pro systematickou analýzu. Důležitým požadavkem, zejména ve srovnání s předchozími studiemi, byla současnost měření v různých spektrálních oblastech, aby se zamezilo vlivu proměnnosti přicházejícího záření v důsledku vnitřních fluktuací jasnosti či proměnlivé absorpce látkou, která galaktické jádro obklopuje. Autoři specifikovali několik dalších filtrů, které měly za cíl vyřadit všechna pozorování s velkou mírou absorpce okolní látkou nebo výrazným příspěvkem záření hvězd okolní galaxie, kdy samotná měření jasností jádra by byla tímto zkreslena. Z původních 6188 zástupců jich pak po pečlivé selekci zůstalo ve hře pouze 1522. Ve všech těchto případech byla měření opravena o extinkci v Galaxii a také o efekt kosmologického rozpínání vesmíru.
Porovnáním vzhledu grafu tvrdost záření–luminozita se ukázalo, že jsou si AGN a rentgenové dvojhvězdy opravdu podobné, zejména tedy pro velké svítivosti. Například AGN, u nichž bylo pozorováno i silné rádiové záření, se v grafu koncentrují v oblasti zvýšené tvrdosti záření, což zřejmě souvisí s tvorbou polárního výtrysku. Naopak v „měkčích“ stavech je rádiové záření přítomno jen zřídka, což svědčí o nepřítomnosti výtrysku. Hlavní rozdíl mezi grafem pro AGN a pro rentgenové dvojhvězdy je v oblasti nízkých luminozit. Zde se pravděpodobně projevuje „rušivý“ vliv ultrafialového záření hvězd galaxie, která AGN hostí. Byť autoři práce udělali pro odstranění tohoto efektu maximum, zdá se, že přijaté korekce nebyly dostatečné a jediným řešením je detailní spektrální analýza jednotlivých těchto zdrojů v celé šíři elektromagnetického spektra k rozklíčování spektrálních komponent patřících jádru a hostitelské galaxii.
Práce J. Svobody ukazuje, že již pouhou pozici daného AGN v grafu tvrdost záření—luminozita lze použít pro odhad aktuálního vývojového stavu tohoto zdroje. Dostáváme se tak oklikou do situace, v níž byli na počátku 20. století hvězdní astronomové, kdy konstrukce dnes běžně používaného Hertzsprungova-Russelova diagramu značně usnadnila posuzování vlastností jednotlivých hvězd.
REFERENCE
Svoboda, J. a kol., AGN spectral states from simultaneous UV and X-ray observations by XMM-Newton, Astronomy & Astrophysics v tisku, preprint arXiv:1704.07268
KONTAKT
RNDr. Jiří Svoboda, Ph. D.
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR
Email: jiri.svoboda@asu.cas.cz
Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU AV ČR
Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.