Mégis miféle fánk? A cím arra a két közelmúltbeli képre utal, amelyek egy-egy hatalmas fekete lyuk „árnyékáról” készültek egy egész Földre kiterjedő rádiótávcső-hálózattal, és bejárták a világsajtót. Ezzel azonban a szóba jöhető hasonló célpontok igazából ki is merültek. De van kiút – a világűr felé!
Fekete vagy sem?
A történet – legalábbis a széles közvélemény számára – 2019 áprilisában kezdődött, amikor az Eseményhorizont Távcső (Event Horizon Telescope, EHT) együttműködésben részt vevő kutatók nyilvánosságra hozták az első olyan képet, amely közvetlenül egy fekete lyukat ábrázol. Ez az extragalaktikus léptékben mérve viszonylag közeli, tőlünk bő 50 millió fényévre levő M87 (vagy a rádiócsillagászok által használt nevén Virgo A) rádiógalaxis közepén található fekete lyukról készült. Az ottani fekete lyuk tömege több mint 6 millárd naptömeggel egyenértékű, így „kozmikus környékünkön” kétségtelenül a legnagyobb, de az egész univerzumban ismert szupernagy tömegű fekete lyukak mezőnyében is a tekintélyesebb példányok között tartjuk számon.
A fekete lyukakról mindenki tudja, hogy a kis kiterjedésükkel párosuló hatalmas tömegük miatt még a fény sem tudja elhagyni őket. Eseményhorizontjuknak, vagyis annak az elméleti határfelületnek, ahonnan már semmi sem juthat ki a külvilágba, a mérete egyenesen arányos a fekete lyukban koncentrálódó tömeggel. Adott távolságból nézve tehát minél nagyobb egy fekete lyuk, annál kiterjedtebbnek „látszik” az égen. No de mi látszik belőle, ha még a fény sem hagyhatja el? Ha maga a fekete lyuk természetesen nem is, a környezetében levő, egy gyorsan forgó anyagbefogási korongba rendeződött, felforrósodott és ionizált gáz sugárzása annál inkább! Az olyan objektumokat, mint az M87 magja, ahol egy szupernagy tömegű fekete lyuk számottevő anyagot gyűjt be a környezetéből, aktív galaxismagoknak nevezzük. Az anyagbefogási korongból eredő elektromágneses sugárzás a fekete lyuk közvetlen közelében, a rendkívül erős gravitációs térben igen furcsán viselkedik, terjedési iránya elhajlik. Van egy, az eseményhorizontnál valamivel nagyobb régió, ahonnan a fotonok még épp elszabadulhatnak – ennek pontos mérete függ attól, hogy forog-e a fekete lyuk vagy sem –, és végül eljuthatnak a műszereinkig. A relativisztikus hatásokat figyelembe vevő szimulációk szerint így egy fényes gyűrűt kellene látnunk, azon belül pedig magának a fekete lyuknak az „árnyékát”.
Képalkotás egy fekete lyukról
A kutatók számára természetesen nem 2019-ben, sőt nem is 2017-ben – a nagy figyelmet kapott mérések elvégzésének idején – kezdődött a történet, hanem sokkal korábban. Közvetett úton már évtizedekkel ezelőtt rájöttek, hogy az aktív galaxismagok hatalmas sugárzási teljesítményét a szupernagy tömegű fekete lyukakba történő anyagbefogás okozhatja. Más kérdés volt, hogy sikerülhet-e ilyet közvetlenül valaha is megfigyelni. Ahhoz ugyanis szinte hihetetlenül finom felbontással kellene tudni képet alkotni. A szögfelbontás a csillagászati megfigyelőműszerek egyik lényeges paramétere. Egyszerűen szólva, minél nagyobb átmérőjű egy távcső, és minél rövidebb a megfigyelt elektromágneses sugárzás hullámhossza, annál jobb felbontást lehet vele elérni.
Viszonylag hosszú hullámhosszai ellenére manapság mégis a rádiótartományban képesek a „legélesebben látni” a csillagászok. Ugyancsak sok évtizedes múltra tekint ugyanis vissza a rádiócsillagászati interferometria mérési módszere. Ennek lényege, hogy a szükségképpen korlátozott méretű és így korlátozott felbontású rádiótávcsövek helyett azok összehangolt, hálózatban végzett méréseire támaszkodunk. Ebben az esetben a műszeregyüttes felbontását nem az antennaméret, hanem az egyes antennák közötti távolság, az ún. bázisvonal (alapvonal) hossza határozza meg. Ha sikerül az egymástól távol telepített antennák méréseit rögzíteni és utána visszajátszani, akkor az interferenciát utólag, egy számítóközpontban is elő lehet állítani. Ekkor már a rádiótávcsövek közvetlen összekötésére sincs szükség, szinte akármilyen messze elhelyezhetők. Ezt a módszert nevezik VLBI-nek, ami a nagyon hosszú bázisvonalú interferometria angol elnevezésének (very long baseline interferometry) rövidítése.
A VLBI technikát centiméteres hullámhosszakon az 1960-as évek vége óta alkalmazzák. Sőt 1997-ben Japánból pályára állt az első űr-VLBI rádiótávcső, amit a földfelszíni hálózathoz hozzáadva még nagyobb felbontást is el lehetett érni. Ebből a szempontból a csúcstartó az orosz RadioAstron űr-VLBI műhold (2011–2019) volt, ez akár 30 földátmérőnyi (!) bázisvonalakat is alkotott a földi rádióteleszkópokkal.
Az aktív galaxismagok legbelső, a fekete lyukakat közvetlenül övező tartományának felbontásához a centiméteresnél még rövidebb hullámhosszakra van szükség, még egy Föld méretű interferométer esetében is. Szerencsére ez a sugárzás keresztülhalad a fekete lyukat körülvevő gázfelhőkön – a Föld légkörében levő vízpárára azonban figyelni kell, nem véletlenül telepítették az EHT-ben részt vevő obszervatóriumokat magaslati vagy igen százaz levegőjű helyszínekre.
Az EHT együttműködés a gyakorlatban 2009-ben indult, de a megfigyelések előkészítését megelőzték elméleti tanulmányok, amelyek kimutatták, hogy ha a fekete lyukak valóban léteznek, akkor azok árnyéka egyáltalán megfigyelhető, és megjósolták, hogy milyen látványt várhatunk. A munkát megalapozó tudományos publikációk sora már az 1970-es években megkezdődött, az ezredforduló körül pedig világossá vált, miféle eredményeket remélhetünk saját galaxisunk, a Tejútrendszer közepén található, „mindössze” néhány milló naptömegnyi fekete lyuk nagyfelbontású interferométeres feltérképezésétől. Ez az objektum, a Sagittarius A* (röviden Sgr A*) alaposan feladta a leckét az EHT kutatóinak, hiszen gyors változásai miatt a 2017-ben végzett mérések feldolgozása új módszereket igényelt. Az eredmények ismertetéséhez végül 2022 áprilisáig kellett várni.
A két fekete lyuk, amelyekről eddig sikerült képet alkotni, lényegében ki is meríti az EHT számára elérhető mintát. Az M87 közepén található több milliárd naptömegnyi fekete lyuk ugyanis a hozzánk legközelebbi ilyen behemót. Mások sokkal távolabb vannak, így látszó szögméretük olyan kicsi, hogy még a Föld méretű hálózat számára is reménytelen a felbontásuk. A Sgr A* fekete lyuka ugyan három nagságrenddel kisebb, viszont szinte „helyben van”, tőlünk csak 26 ezer fényévnyi távolságban. A Tejútrendszerben azonban nem található még egy ehhez fogható. Emiatt természetesen még nem kell bezárni az EHT-t, hiszen egyrészt e két célpont megfigyeléseit is folytatják vele, változások után kutatva, másrészt egyéb aktív galaxismagokat is vizsgálnak – igaz, azoknál csak az eseményhorizonttól távolabbi régiókat.
Irány az űr!
Még távolabbi galaxisok centrumában rejtőző szupernagy tömegű fekete lyukak árnyékának megfigyelésére tehát még finomabb felbontásra, vagyis a Föld átmérőjénél is sokkal hosszabb interferométeres bázisvonalakra volna szükség. Nosza, terjesszük ki az EHT-típusú megfigyelésekre is a centiméteres rádióhullámhosszakon már bizonyított űr-VLBI technikát! A lépés teljesen kézenfekvőnek tűnik, a gyakorlati megvalósítás azonban rengeteg buktatót rejt magában, és olyan komoly technológiai fejlesztéseket igényel, amelyek megoldása az elkövetkező évtizedek feladata lesz. A jó hír azonban, hogy a gondolkodás már megkezdődött. Nemrég az Európai Űrügynökség (ESA) Voyage 2050 pályázati felhívására készült el egy reménybeli küldetés, a THEZA (TeraHertz Exploration and Zooming-in for Astrophysics) koncepciója.
Ez az interferométeres rendszer már mikroívmásodperces vagy annál is jobb felbontást nyújthatna, amivel kézzelfogható közelségbe kerülne számos további fekete lyuk árnyékának feltérképezése. Egy 5 mikroívmásodperces felbontású eszközzel a mostani kettőről hatra növekedne az elérhető minta (az M85, Cen A, M104 és IC 1459 galaxisok magjai kerülhetnének be a most még csak kéttagú „klubba”), de 2 mikroívmásodperces felbontás már az IC 4296 és az M81 központi fekete lyuka körüli képzeletbeli „fánkot” is láthatóvá tenné. Ráadásul a legnagyobb ismert, tízmilliárd naptömeget megközelítő fekete lyukak árnyéka lényegében a legtávolabbi univerzumból is megfigyelhetővé válna ekkora felbontással, hihetetlen távlatokat nyitva a fekete lyukak kutatásában. A jelenleg az EHT-val elérhetőnél is jobb felbontás és érzékenység természetesen hasznos plusz információval szolgálna az M87 és a Tejútrendszer központi fekete lyukáról is, lehetővé téve például azok forgásának meghatározását, ami a jelenlegi adatokból még nem igazán megy.
Akár THEZA-nak hívják majd az űrbeli feketelyuk-térképező interferométeres rendszert, akár nem, néhány évtizedet még biztosan várni kell a megvalósításáig. Ez nem szokatlan az összetett és költséges űrprogramok esetében. Fiatalabb olvasóink bizonyára tanúi lesznek azoknak a tudományos szenzációknak, amelyeket majd akkor jelentenek be – sőt talán olyanok is akadnak közöttük, akik majd annak idején csillagászként a méréseken és az adatok elemzésén dolgoznak!
Kapcsolódó publikációk:
Gurvits L.I. és munkatársai (2021): THEZA: TeraHertz Exploration and Zooming-in for Astrophysics. Experimental Astronomy, 51, 559 (https://doi.org/10.1007/s10686-021-09714-y)
Gurvits L.I. és munkatársai (2022): The science case and challenges of space-borne sub-millimeter interferometry. Acta Astronautica, 196, 314 (https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2022.04.020)
Kapcsolódó hírek:
Először alkottak képet egy fekete lyukról (https://www.csillagaszat.hu/hirek/extragalaktikus-csillagaszat-hirek/exg-aktiv-galaxismagok/exg-kozponti-fekete-lyukak/eloszor-alkottak-kepet-egy-fekete-lyukrol/)
Megtörtént a nagy bejelentés: fénykép készült galaxisunk központi fekete lyukáról! (https://www.csillagaszat.hu/hirek/megtortent-a-nagy-bejelentes-fenykep-keszult-galaxisunk-kozponti-fekete-lyukarol/)
A fekete lyuk árnyéka után egy kvazár plazmanyalábját bontotta fel az Eseményhorizont Teleszkóp (https://www.csillagaszat.hu/hirek/extragalaktikus-csillagaszat-hirek/exg-aktiv-galaxismagok/exg-kozponti-fekete-lyukak/a-fekete-lyuk-arnyeka-utan-egy-kvazar-plazmanyalabjat-bontotta-fel-az-esemenyhorizont-teleszkop/)
Kapcsolódó honlap:
Event Horizon Telescope (https://eventhorizontelescope.org/)
Szerző: Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs
CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet