A PSO J334.2028+1.4075 (röviden csak PSO J334) katalógusszámú kvazár, egy fényes és viszonylag távoli aktív galaxismag 2015-ben a periodikusnak tűnő optikai fényességváltozásai révén rövid ideig lázba hozta a csillagászokat. A változásokat úgy értelmezték, hogy a kvazár szívében nem egy, hanem két, ráadásul egymáshoz nagyon közel keringő szupernagy tömegű fekete lyuk lehet, amelyek akár egy évtizeden belül össze is olvadhatnak. Ez esetben pedig lehetővé válhatna a jelenségből származó gravitációs hullámok észlelése is. De mit tudunk ma a PSO J334-ről?
Érdekes kvazár az égboltfelmérésből
A nagy és hosszú időn át folyó optikai égboltfelmérések, mint a Hawaii-ról végzett Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System) nem csak eredeti céljukra, a Föld közelébe kerülő, potenciális veszélyforrást jelentő kisbolygók felfedezésére alkalmasak, hanem sok más csillagászati érdekességgel is szolgálhatnak. Az égbolt s rajta az égitestek ugyanis nem állandóak, folyton változnak, ezért akad bőven felfedeznivaló. Ilyen változó dolog például a kvazárok, vagyis távoli aktív galaxismagok fényessége. A kvazárok hatalmas kisugárzott teljesítményüket a bennük levő, akár több milliárd naptömegnyi fekete lyuknak köszönhetik, amely körül forró korongban örvénylik a környezetéből befogott anyag. A fekete lyukak étvágya, a rendelkezésre álló „táplálék” behullása pedig az időben nem feltétlenül egyenletes.
Az első Pan-STARRS égboltfelmérés rengeteg megfigyelt kvazárja közt tűnt fel különös, szabályosnak tűnő fényváltozásaival a PSO J334, egy távoli, fényes, aktív galaxismag. Színképvonalainak vöröseltolódása z=2,06, vagyis a táguló univerzumban mintegy 10 és fél milliárd évre pillanthatunk vissza a megfigyelése révén. A kvazár fénygörbéjét korábbi adatokkal kiegészítve az tűnt fel a kutatóknak, mintha az objektum 540 nap körüli periódusú szabályos fényváltozásokat mutatna.
Ha ezt a periódusidőt átszámítjuk a PSO J334 rendszerébe, akkor a világegyetem tágulásával együtt járó idődilatáció miatt – vagyis hogy a megfigyelő órái 1+z ≈ 3-szor lassabban járnak – nagyjából féléves periódust kapunk. Ha pedig a fényességváltozást az okozza, hogy az anyagbefogási korongon belül nem egyetlen fekete lyuk, hanem kettő bújik meg és kering a közös tömegközéppontjuk körül, akkor a számítások szerint – persze a becsült közel 10 millárd naptömegnek a két fekete lyuk közötti megoszlásától is függően – már csak néhány Schwarzschild-sugárnyi távolság választhatja el őket. A rendszer gravitációs hullámok kibocsátásával fokozatosan veszít energiájából, egyre közelebb és közelebb kerülnek egymáshoz a fekete lyukak, mígnem csillagászati értelemben véve egy szempillantás alatt, néhány éven-évtizeden belül össze is olvadhatnak.
A kettős szupernagy tömegű fekete lyukak létezésére igazából számíthatunk, hiszen tudjuk, hogy minden nagyobb galaxisban találhatók hatalmas központi fekete lyukak, a galaxisok pedig fejlődésük során összeolvadások sorozatán keresztül növekednek. Miért éppen a fekete lyukaik ne olvadnának egymásba? Kérdés, hogy ez a folyamat gyorsan vagy lassan zajlik-e, és hogy mennyire gyakran figyelhetünk meg ilyen objektumokat. Egyértelmű azonosításuk ugyanakkor a gyakorlatban nem egyszerű feladat, hiszen távcsöveink felbontóképessége – még a legfinomabb felbontásra képes, interferométeres elven működő rádióteleszkóp-hálózatoké is – elégtelen az egymáshoz ennyire közeli objektumok megkülönböztetéséhez. Maradnak hát a közvetett módszerek, mint például a periodikus fényváltozások keresése. Ezek azonban gyakran megtréfálják a kutatókat...
A periódus, amely ott sem volt
A PSO J334, mint előre megjósolt potenciális gravitációshullám-forrás felbukkanása arra sarkallta a csillagászokat, hogy jobban utánajárjanak a dolgoknak. Tényleg igaz-e a periodikus fényváltozás? Van-e esetleg más, független jele a kettősségnek? Szerencsére a kvazár erős rádiósugárzó is, ami annak köszönhető, hogy a fekete lyuk környezetéből nagy energiájú, a mágneses térben a fényéhez közeli sebességre felgyorsított töltött részecskék nyalábjai hagyják el a rendszert. A fekete lyuk forgástengelyével párhuzamosan, két átellenes irányban kilövellő nyalábok szinkrotronsugárzását lehet földi rádiótávcsövekkel detektálni. Ha pedig volna ott egy kísérő fekete lyuk is, akkor a nyalábok iránya időben várhatóan nem állandó, mivel a másik test hatására a tengely imbolyog. Ennek a precessziós mozgásnak a jele pedig az lenne, ha a kilökődő plazmacsomók a rádiótartományban dugóhúzóra emlékeztető alakzatot rajzolnának az égre.
Egymástól függetlenül két kutatócsoport – egy amerikai és egy magyar vezetésű – is kezdeményezett interferométeres rádióméréseket a PSO J334 szerkezetének vizsgálatára. Mielőtt azonban ezek eredményeire rátérnénk, meg kell említenünk, hogy bő egy évvel a „felfedezés” után, 2016-ban maguk az eredeti szerzők publikáltak egy újabb cikket. Ebben a korábban elemzettnél még hosszabb időtartamra kiterjedő mérések alapján kimutatták, hogy a PSO J334 fényességváltozásának feltételezett periodicitása valójában nem állja meg a helyét. Mindez igen tanulságos, mert arra int, hogy a kvazárok többé-kevésbé véletlenszerű fényváltozásai csalókák is lehetnek, ha csupán három-négy „periódusnyi” időt felölelő, ráadásul nem sűrűn és egyenletesen mintavételezett mérés alapján próbálunk elhamarkodott következtetéseket levonni.
Az optikai fényváltozások alapján tehát a PSO J334 elég hamar elveszítette izgalmasnak tűnő státuszát. De mit mutattak a rádiómérések?
Netán mégis kettős lenne?
2018-ban – amikorra tehát a periodikus optikai fényváltozások teóriája már megdőlt – egy amerikai kutatócsoport részletes tanulmányban elemezte a PSO J334 rádiószerkezetét és sugárzásának erősségét különböző frekvenciákon. Ehhez archív és újabb adatokat használtak a VLA (Very Large Array) interferométertől, valamint 2016 márciusától májusáig új méréseket végeztek a VLBA (Very Long Baseline Array) rádióteleszkóp-hálózattal is. A kisebb kiterjedésű VLA gyengébb felbontása révén a nagyobb, ívmásodperces skálájú rádiószerkezet feltérképezésére használható, míg a kontinensnyi távolságokban elhelyezett rádiótávcsövek összehangolt méréseit használó VLBA akár három nagyságrenddel finomabb részletek megkülönböztetésére is alkalmas.
A rádióinterferométeres mérések alapján egy olyan kvazár képe rajzolódott ki, amelynek központi, a fekete lyuk közelében fekvő régióját erős rádiósugárzás jellemzi. A VLA térkép szerint a kilökődő plazma rádiósugárzása még sokkal távolabb, majdnem 200 ezer fényévnyi távolságban is detektálható, a centrum mindkét oldalán. Ami még érdekesebb, hogy a legbelső szerkezet két, egymástól mindössze 100 fényévnyire látszó fényes komponensre bomlik. Nem, ez nem a feltételezett kettős, már csak a távolságuk miatt sem. Egyikük a „mag”, vagyis a fekete lyuk környezetéből kiinduló plazmanyalábpár közül a felénk mutatónak az a régiója, ameddig az adott frekvencián beleláthatunk. A másik, a magasabb frekvenciákon a maghoz képest egyre halványuló komponens a nyaláb kifelé tartó, legfényesebb plazmacsomója. Mivel a külső, ívmásodperces skálán feltérképezett (VLA), valamint a legbelső (VLBA) rádiószerkezetre jellemző irányok némileg eltérnek, a szerzők szerint lehetséges, hogy mégis precesszáló plazmanyalábokkal állunk szemben. S ha így van, akkor meglehet, hogy a PSO J334 belsejében mégis csak ott egy szoros kettős fekete lyuk – az érdekes jelölt tehát talán „megmenekült”, annak ellenére, hogy optikai fényváltozásai nem periodikusak.
Egy kettősjelölt végső (?) bukása
Mi magunk is végeztünk rádióméréseket, nagyjából az amerikaiakkal egy időben vagy még egy kicsit korábban is – röviddel azután, hogy a PSO J334 mint különleges objektum felbukkant a szakirodalomban. 2015 októberében például az Európai VLBI Hálózattal (EVN), egy, a VLBA-hoz hasonló elven működő, de még kiterjedtebb, nemzetközi rádiótávcső-rendszerrel céloztuk meg a kvazárt, egy évvel később pedig a VLA-hoz benyújtott sikeres távcsőidő-pályázat nyomán készíthettünk 1,5 és 6,2 GHz frekvenciákon rádiótérképeket. Érdekes módon a másik csoport mérései és a mieink jól kiegészítették egymást, mind a frekvenciák, mind az elért felbontások tekintetében. A mi VLA-méréseink ugyanis a változtatható méretű hálózat legfinomabb felbontást nyújtó, legkiterjedtebb konfigurációjában készültek, és ez a körülmény utólag lényegesnek bizonyult.
Elérkezett az idő, hogy minden rádiómérés összegyűjtésével és együttes elemzésével kimondjuk az ítéletet a PSO J334-ről mint kettősjelölt kvazárról. Az átfogó tanulmány nemrég az Astronomy & Astrophysics folyóiratban látott napvilágot, vezető szerzője Benke Petra, aki a bonni Max Planck Rádiócsillagászati Intézetben végzi doktori tanulmányait. A nagyobb felbontású és érzékenyebb VLA-mérések legfontosabb üzenete, hogy precesszáló nyalábra utaló egyértelmű jelek nincsenek. Ellenkezőleg, a keleti irányba (a képeken balra) induló nyaláb egy jó darabig nyílegyenesen látszik haladni, aztán – talán egy sűrűbb anyagfelhővel való kölcsönhatás következtében – irányt változtat, és egy lökéshullámfrontban végződik. Ezt az értelmezést erősítik meg a rádiósugárzó komponensek polarizációs tulajdonságai is.
Úgy tűnik tehát, hogy nincs semmi bizonyíték a szoros kettősbeli szupernagy tömegű fekete lyukak jelenlétére a PSO J334 belsejében. De az eddig elmondottakból talán világos, hogy az óvatosság mindig indokolt. Mivel semmilyen közvetlen módon nem tudnánk megfigyelni egymáshoz ennyire közeli objektumokat, nehéz lenne egyértelműen kizárni a létezésüket – legfeljebb ügyesen álcázzák magukat.
Kutatócsoportunknak az aktív galaxismagokkal kapcsolatos vizsgálatait a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (OTKA K134213 projekt) támogatja.
Kapcsolódó cikkek:
Liu T. és munkatársai (2015): A Periodically Varying Luminous Quasar at z = 2 from the Pan-STARRS1 Medium Deep Survey: A Candidate Supermassive Black Hole Binary in the Gravitational Wave-driven Regime. Astrophysical Journal Letters, Vol. 803, L16
Liu T. és munkatársai (2016): A Systematic Search for Periodically Varying Quasars in Pan-STARRS1: An Extended Baseline Test in Medium Deep Survey Field MD09. Astrophysical Journal, Vol. 833, 6
Mooley K.P. és munkatársai (2018): The twisted radio structure of PSO J334.2028+01.4075, still a supermassive binary black hole candidate. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 473, 1388
Benke P. és munkatársai (2023): From binary to singular: The AGN PSO J334.2028+1.4075 under the high-resolution scope. Astronomy & Astrophysics, Vol. 677, A1
Kapcsolódó hírek:
A nyomok egy feketelyuk-kettőshöz vezetnek (Svábhegyi Csillagvizsgáló blog, 2022. december)
Magyar csillagászok egy összeolvadás előtt álló hatalmas kettős fekete lyuk nyomában (csillagaszat.hu, 2020. augusztus)
Nyomozás kettős fekete lyukak után (csillagaszat.hu, 2020. március)
Vadászat a kettős aktív galaxismagokra: a dió keményebb a vártnál (csillagaszat.hu, 2016. június)
Szerző: Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs
CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet