Jak vznikly obří černé díry v centrech galaxií?

V jádru naší galaxie se nachází obří černá díra. Přitom to není žádná výjimka - je to pravidlo. Jak vznikaly tyto obří objekty? (délka blogu 3 min.)

Astronomové objevili díky vesmírnému teleskopu Jamese Webba v dalekém vesmíru zajímavou záhadu. Dali jí název malé červené tečky (Little Red Dots, LRDs). Jedná se o nový druh vzdálených objektů, které se poprvé objevily na snímcích a ve spektrech, které byly pořízeny teleskopem v průběhu roků 2022 a 2023 (tedy hned v prvním roce fungování tohoto vesmírného teleskopu).

Malé červené tečky se objevily v raném vesmíru při rudém posuvu z>4-6 (tedy méně než 1 miliardu let po Velkém třesku). Výpočet jejich hmotnosti ukázal, že tyto záhadné objekty v sobě musí ukrývat supertěžké černé díry. Podle tehdy platných teoretických modelů by takto hmotné černé díry v tak mladém vesmíru vůbec neměly existovat, protože na svůj růst jednoduše neměly dostatek času.

Nová vědecká práce se pokouší vysvětlit, jak mohly tyto objekty kdysi vzniknout. Tým fyziků a astronomů prováděl složité počítačové simulace a přitom se vědcům podařilo vysvětlit vznik prvních velmi hmotných zárodků černých děr a jejich následnou proměnu na gigantické kvasary.

Jak vznikaly černé díry?

Proces formování černé díry začal v extrémně hustých oblastech raného vesmíru, kde vznikaly první obří zárodky galaxií.

V těchto místech se nacházela obrovská mračna plynu, která byla v té době zároveň nedaleko (bráno vesmírnými měřítky) velmi jasných galaxií. Jejich sousední galaxie ozařovaly své okolí neobyčejně silným ultrafialovým zářením. Toto intenzivní záření je schopné svou energií rozkládat molekuly vodíku, a přitom zabraňuje plynu v běžném ochlazování. Bez účinného ochlazení nemohou vznikat běžné malé hvězdy. Místo toho mračno akumulovalo obrovské zásoby plynu, než začal jeho kolaps.

To odpovídá době přibližně 290 milionů roků po Velkém třesku. Světlo, které pozorujeme u objektu s tímto rudým posuvem, bylo do vesmíru vysláno před více než 13,5 miliardami roky (pokud je celkové stáří vesmíru přibližně 13,8 miliardy roků).

Při tomto procesu se mračno rozdělí na vícehvězdný systém, kde zárodky protohvězd přitahují a hromadí plyn obrovskou rychlostí 0,1 až 1 hmotnosti Slunce za rok. Centrální protohvězdy časem dosahují hmotností 500 000 až 900 000 Sluncí. Tyto hvězdy rostou tak neuvěřitelně rychle, že se jejich povrch nafoukne do podoby obřích nadobrů s poloměrem přesahujícím 100 násobků poloměru Slunce. Díky tomuto obrovskému rozměru zůstává jejich povrchová teplota nízká (okolo 6000 kelvinů). Přibližně po 2 milionech roků se pak zhroutí a vytvoří těžké zárodky černých děr o hmotnosti kolem 1 milionu Sluncí.

Extrémní pohlcování hmoty

Poté měla nastat nejdivočejší fáze vývoje. Černá díra měla být doslova zavalena hroutícím se okolním plynem a začala ho pohlcovat v tzv. super-Eddingtonově režimu, kdy rychlost pohlcování dosahovala několikanásobku až desítek násobků Eddingtonova limitu.

Eddingtonův limit je teoretická maximální svítivost, jakou může mít hvězda nebo akreční disk kolem černé díry v zářivé a hydrostatické rovnováze. V takovém případě se do rovnováhy dostávají dvě protichůdné síly - gravitace, která táhne plyn směrem k centru objektu a tlak záření, kterým vyzářené fotony (narážející do okolního plynu) tlačí látku pryč od černé díry.

Pokud svítivost objektu překročí tento limit, začíná fungovat tzv. super-Eddingtonův režim, tlak záření přemůže gravitaci a začne okolní plyn odtlačovat pryč, čímž se přeruší přísun další hmoty.

Plyn ovšem padá do černé díry tak rychle, že fotony záření zůstávají uvnitř tohoto proudu uvězněny a kolem černé díry pak vzniká neprůhledný silný disk.

Fyzikální poměry, které tu panují, zároveň rozšiřuje spektrální čáry vodíku. Přesně tyto spektrální vlastnosti pozoroval vesmírný dalekohled Jamese Webba u malých červených teček.

Tato fáze je ovšem na vesmírné podmínky jen velmi krátká a trvá přibližně 100 000 až 1 000 000 roků. Když později nabírání hmoty klesne na podkritickou úroveň (0,1 až 1 násobek Eddingtonova limitu), neprůhledný disk se postupně rozptýlí. Z černé díry se následně stane běžný kvasar.

Při rudém posuvu kolem hodnoty 8 (tedy zhruba 650 milionů let po Velkém třesku) se tyto černé díry usadily v centrálních oblastech svých galaxií, které tehdy mohly mít hmotnosti kolem 1 miliardy Sluncí - přitom samy dosahovaly hmotnosti přibližně 30 milionů Sluncí.

Vědci v simulacích také ověřovali, jestli by podobně nemohly růst černé díry vzniklé z tzv. první generace hvězd (někdy se jim říká populace III). Ty měly počáteční hmotnosti pouze kolem 800 Sluncí a vznikaly ještě dříve, přesněji jen asi 180 milionů roků po Velkém třesku.

Ukázalo se, že tyto lehké černé díry rostou jen minimálně. Záření z hvězd plyn z galaxie snadno vytlačí a černá díra zůstane bez paliva. Obří černé díry se tedy nedají vysvětlit vznikem z menších běžných objektů jako jsou hvězdy.

Budoucí výzkum

Počítačový model navíc odhalil, že v hustých oblastech vzniká v těsném sousedství hned několik těžkých zárodků současně. Když potom spolu postupem času sousední galaxie gravitačně reagují, krouží kolem sebe a spojují se do jedné - migrují tyto masivní černé díry do společného centra a nakonec se vzájemně srazí a splynou. Tyto gigantické srážky měly kdysi do okolního prostoru vysílat silné gravitační vlny s typickými frekvencemi.

Vesmírný detektor gravitačních vln LISA by mohl zaznamenat desítky až stovky takových událostí, takže se můžeme těšit, že budoucí mise detektoru LISA tuto teorii potvrdí nebo vyvrátí.

^{Zdroje: Odkaz, Chon, S., Hirano, S., Ishiyama, T. et al. Overmassive black holes and little red dots naturally form in simulations. Nature 657, 621–625 (2026), Odkaz}