Űrtávcsöves gamma-csillagászati és földi rádiócsillagászati mérések alapján 3 éves periódussal jelentős, a két hullámsávban összehangoltan jelentkező felfényesedéseket mutat. Talán egy szoros kettős fekete lyuk bújhat meg benne, amely láthatatlan ugyan, de az egyikük környezetéből kiinduló plazmanyaláb tulajdonságai mégis leleplezik.
Aktív galaxismagok és összeolvadásuk
Mint elnevezésük is utal rá, az aktív galaxismagok egyes galaxisok centrumában találhatók. Az aktív jelző korántsem túlzás, hiszen ezek az objektumok igen nagy teljesítménnyel sugároznak a teljes elektromágneses színképtartományban. Mindennek a forrása az az anyag, amt a központi, szupernagy – legalább néhány millió, de akár 10 milliárd naptömeget is elérő – tömegű fekete lyuk a környezetéből befog. Az óriás fekete lyuk egyébként meglehetősen hatékonyan használja fel az „üzemanyagát”, hiszen adott esetben egy egész galaxist túlragyogó fényét évente nagyságrendileg mindössze egy naptömegnyi anyag elfogyasztásával biztosítja.
Az aktív galaxismagok egyes típusai, például a kvazárok nem is nyelnek el mindent a veszélyes közelségükbe kerülő, körülöttük egy forró korongban befelé örvénylő anyagból. Ilyenkor a hatalmas, a fényét megközelítő sebességre felgyorsított, elektromosan töltött részecskékből álló plazma a fekete lyuk forgástengelye mentén két átellenes irányban a mágneses tér erővonalai mentén kilövell a rendszerből. Ezekben a plazmanyalábokban – az Univerzum legnagyobb részecskegyorsítóiban – érdekes fizikai folyamatok játszódnak le, köztük olyanok is, amilyeneket a földi laboratóriumainkban nem is tudnánk létrehozni. A plazmanyalábokban kifelé spirálozó töltött részecskék szinkrotronsugárzást bocsátanak ki, amely a rádiótartományban a legerősebb. Nem véletlen, hogy az első kvazárokat rádiótávcsövekkel fedezték fel bő fél évszázaddal ezelőtt. De az elektromágneses színkép túlsó felén, a legnagyobb energiájú gamma-tartományban is az aktív galaxismagok a leggyakrabban észlelt égi források. Legújabban pedig már az elektromágneses megfigyeléseken túl, a neutrínócsillagászat területén is egyre nagyobb figyelem övezi ezeket a különleges, a Világegyetem távoli szegleteiből is idelátszó objektumokat. A megfigyelések ugyanis arra utalnak, hogy a Földön detektálható, extragalaktikus eredetű neutrínóbecsapódások részecskéi is jórészt az aktív galaxismagok plazmanyalábjaiig vezethetők vissza.
Látványos csillagászati felvételek alapján jól tudjuk, hogy a galaxisok életük során közel kerülhetnek szomszédjaikhoz és össze is olvadhatnak velük. Joggal merül fel a kérdés, hogy mi történik ilyenkor a központi fekete lyukakkal. A téma intenzív kutatások tárgya, elméleti, szimulációs és megfigyelési módszereket egyaránt felvonultatva. Úgy tűnik, hogy a szupernagy tömegű fekete lyukak valóban összeolvadhatnak. Erre utal az a megfigyelés, hogy minden „valamire való” galaxis középpontjában található fekete lyuk, annak tömege pedig nagyjából arányos a gazdagalaxisának a tömegével. Hogy ez az általános összefüggés érvényes maradjon a galaxisfejlődés folyamata során mindvégig, az egyesülő galaxisok magjainak is előbb-utóbb egyesülniük kell. De ezt sugallják a galaxisfejlődést modellező számítógépes szimulációk is.
Hogyan figyelhetők meg?
Amíg az egymással kölcsönható galaxisok elég távol vannak egymástól, aktív magjaik megfigyelése nem okozhat különösebb gondot, hiszen távcsöveink felbontóképessége elegendő lehet a megkülönböztetésükhöz. A probléma akkor kezdődik, amikor már túlságosan közel jutnak egymáshoz. Viszont – talán említeni sem kell – az igazán érdekes dolgok is ekkortájt kezdődnek az immár egymáshoz gravitációsan kötött feketelyuk-kettősök életében.
Sokáig az sem volt egyértelmű, hogy egy bizonyos távolságon belülre jutva belátható – vagyis az Univerzum koránál lényegesen rövidebb – időn belül sor kerülhet-e egyáltalán a fekete lyukak további közeledésére. Ez a nevezetes „utolsó parszek” probléma, amely korábban szimulációk eredményeként adódott, de az újabb számítások szerint valójában nincs is ilyen (a parszek a csillagászatban használt távolságegység, kb. 3,26 fényévnek felel meg). Ha két szupernagy tömegű fekete lyuk már néhány fényévnyi távolságban kering a közös tömegközéppontjuk körül, akkor a rendszer az energiáját gravitációs hullámok kibocsátása révén tudja hatékonyan csökkenteni. A végső összeolvadást közvetlenül megelőző fázisban ezek az egyesülni készülő fekete lyukak erős gravitációshullám-forrásként lennének detektálhatók – már ha rendelkeznénk erre alkalmas berendezéssel. Most még nincs ilyen eszközünk, de biztató hír, hogy a 2020-as évtized vége felé talán már lesz! Az űrben, bolygóközi távolságokban elhelyezkedő, három tagból álló lézerinterferométer, a LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ugyanis a tervek szerint 2027-ben indulhat. Működési elve hasonló a földi telepítésű LIGO és Virgo interferométerekéhez, amelyekkel 2016 óta már számos csillagtömegű feketelyuk-kettős, neutroncsillag-kettős vagy fekete lyuk–neutroncsillag kettős összeolvasását sikerült észlelni.
Attól még, hogy közvetlenül nem figyelhetők meg, bizonyos jelek azért árulkodhatnak az egymáshoz közel került szupernagy tömegű fekete lyukakról. Sajnos ezek a közvetett információk általában nem egyértelműek, a megfigyeléseknek más, kevésbé egzotikus magyarázata is elképzelhető. Viszont minél több különféle információmorzsát sikerül összegyűjtenünk, annál nagyobb eséllyel bukkanhatunk egy galaxis centrumában megbújó szoros feketelyuk-kettős nyomára.
J1048+7143
A fenti alcímben szereplő számsor nem egy telefonszám. Egy kvazárról van szó, amelyet szokás szerint égi koordinátái alapján azonosíthatunk. A J1048+7143 nemrég azzal került a figyelem középpontjába, hogy egy kínai kutatócsoport az amerikai Fermi gamma-csillagászati űrtávcső közel 13 évnyi adatát elemezve periodikusnak tűnő változásokat fedezett fel a kvazár fényességében. A mintegy 3 éves periódussal ismétlődő kitöréseket azzal magyarázták, hogy a kvazár belsejében egy szoros kettős szupernagy tömegű fekete lyuk található, és az aktív galaxismagból kiinduló – a gamma-sugárzásért is felelős – plazmanyalábok iránya a fekete lyuk forgástengelyének „billegése” (precessziós mozgása) miatt változik: időnként közelebb kerülve a látóirányunkhoz, a sugárzása látszólag jobban felerősödik, majd megint elhalványul.
A J1048+7143 kvazárról hamar kiderült, hogy egyúttal erős rádióforrás is. Több sem kellett a Kun Emma (CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet) vezette kutatócsoportnak ahhoz, hogy megkeresse és elemezze az archívumokban róla fellelhető nagy felbontású rádióinterferométeres mérési adatokat. A több, egymástól távol elhelyezett rádióteleszkóp összehangolt munkáján alapuló interferométeres technika biztosítja a legfinomabb felbontású térképezést, amellyel a plazmanyaláb szerkezeti tulajdonságai kideríthetők. Az is kiderült, hogy a kvazár nemcsak a gamma-tartományban, de a rádiótartományban is erősen változó. Ennek megállapítására egyrészt a szakirodalomból, másrészt eddig publikálatlan mérésekből származó, közel három évtizednyi időtartamot átfogó adatokat sikerült összegyűjteni. Ez utóbbiakat egy korábbra visszanyúló együttműködés alapján a Nansan rádióteleszkóppal dolgozó kínai kollégák küldték el.
A csoport újraelemezte az azóta még tovább gyűlő Fermi-adatokat a gamma-tartományban, és a modellezési munkálatokba bekapcsolódtak a Ruhr Egyetem (Bochum, Németország) kutatói is, akik a gamma- és neutrínócsillagászat nemzetközileg elismert szakértői. A Fermi-fénygörbe az alkalmazott új módszerrel feldolgozva is mutatta a kb. 3 évenkénti kitöréseket, sőt az is feltűnt, hogy mindegyik kitörésnél jól meghatározott, kettős csúcs látszik. Ami a rádiószerkezetet illeti, míg nagy (több ezer fényéves) skálán a plazmanyaláb nyugati irányba fordul, addig a legbelső része ezerszer kisebb méretskálán nagyjából déli, sőt időnként keleti irányt vesz fel a központi maghoz képest. Mindez a nyaláb precessziós mozgására is utalhat, összhangban a kettős modellel.
Sikerült felállítani egy kettős szupernagy tömegű fekete lyukkal számoló modellt, amelyben a kitöréseket a spin–pálya precesszió miatt periodikusan változó irányú plazmanyaláb okozza. Ha pedig a modell helytálló, akkor meg lehet jósolni a következő, negyedik nagy kitörést is. Ez feltehetően 2024 végéig, de legkésőbb 2015 közepéig bekövetkezik. Sőt az is kijelenthető, hogy a két fekete lyuk csillagászati értelemben nagyon hamar, 60-80 éven belül össze is olvad. Hogy pontosan mikor, az függ a két test tömegének arányától. Hogy lehet-e majd ezt észlelni az akkori gravitációshullám-detektorokkal? Ezt nehéz előre megjósolni, de azt igen, hogy a jelenleg használt módszerek – a már említett, tervezett LISA, valamint a pulzárok pontos periódusmérésén alapuló eljárás – használatával sajnos nem. Mindenesetre a rendszer vizsgálata így is egy lépéssel közelebb vihet az összeolvadó szupernagy tömegű fekete lyukak viselkedésének megértéséhez. Bízvást lehet állítani, hogy erről az izgalmas témáról egy évtized múlva már sokkal többet fogunk tudni!
A rádiókvazárok vizsgálatára irányuló kutatómunkánkat a CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetében jelenleg a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal („Fiatalon és aktívan – rádiósugárzó galaxismagok a legfinomabb szögfelbontással”, OTKA K134213 projekt) támogatja.
Linkek:
Kun E. és társai (2022): Multimessenger Picture of J1048+7143. Astrophysical Journal, 940, 163 (https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac9cce)
Wang G.G. és társai (2022): A Possible 3 yr Quasi-periodic Oscillation in γ-Ray Emission from the FSRQ S5 1044+71. Astrophysical Journal, 929, 130 (https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac5b08)
Kapcsolódó magyar nyelvű ismeretterjesztő cikkek:
Szupermasszív fekete lyukak ütközési pályán
Magyar csillagászok egy összeolvadás előtt álló hatalmas kettős fekete lyuk nyomában
Nyomozás kettős fekete lyukak után
|
Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs |