Óriás egy törpe szívében

Óriás egy törpe szívében

2023 április 08
| Szerző: Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs
Az SDSS J090613.77+561015.2 jelzésű törpegalaxis tőlünk bő 600 millió fényévre, kozmikus értelemben tehát nem túl nagy távolságra van.

Nem is baj, hiszen így halványsága ellenére is viszonylag kényelmesen tudjuk vizsgálni csillagászati műszereinkkel. Bár a galaxis a látható fény tartományában nem kifejezetten izgalmas célpontnak tűnik, rádiómérések alapján igen ritka példánnyal van dolgunk!

 

Törpegalaxis a közelben

Az SDSS J090613.77+561015.2 (sokkal rövidebb és barátságosabb, egy törpegalaxis-katalógusra utaló jelöléssel: RGG 9) egyike a világegyetem számtalan apró csillagvárosainak, amelyekben „mindössze” néhány milliárdnyi csillagot találunk, ellentétben az akár több százszor ekkora „igazi” galaxisokkal. A szóban forgó objektum csillagai a mérések szerint összen 2–3 millárd naptömeget tehetnek ki.

Az RGG 9 törpegalaxis a Hubble-űrtávcsővel készített felvételeken, az infravörös (balra) és a látható fény (jobbra) tartományában. (Forrás: J. Yang és munkatársai, 2023)
Az RGG 9 törpegalaxis a Hubble-űrtávcsővel készített felvételeken, az infravörös (balra) és a látható fény (jobbra) tartományában. (Forrás: J. Yang és munkatársai, 2023)

Ami az RGG 9-et különlegessé teszi, hogy középpontjában egy kis kiterjedésű, kompakt fényes régió látható, amely az inkább a „nagyoknál” megszokott aktív galaxismagokra emlékezteti a megfigyelőt. Tudvalevő, hogy az aktív galaxismagok intenzív energiakibocsátását a központjukban meghúzódó fekete lyuknak tulajdoníthatjuk, amely anyagot fog be a környezetéből, és ennek egy részét alakítja át sugárzási teljesítménnyé. Nagy galaxishoz óriási – a megszokott kifejezéssel élve szupernagy tömegű – fekete lyuk dukál. A „szuper” jelzőt akkor érdemli ki egy ilyen fekete lyuk, ha tömege legalább az egymillió naptömeg nagyságrendjébe esik. (Saját Tejútrendszerünk jól ismert fekete lyuka valamivel több mint négymilló naptömeget zár magába.) De a skála másik végén akár több tízmillárd naptömegnyi fekete lyukakat is ismerünk.

 

Egy törpegalaxisba azonban normális esetben nyilván nem fér el egy akkora központi fekete lyuk, amely összemérhető lenne az egész galaxis csillaganyagának tömegével. Tudjuk, hogy az univerzum fejlődése során a galaxisok és központi fekete lyukaik egymással kölcsönhatásban, többé-kevésbé összhangban fejlődtek. Emiatt általános szabályként kis galaxishoz kis tömegű fekete lyuk, nagyhoz pedig nagyobb tömegű jár. Hogy a törpegalaxisokban is előfordulhatnak nagy – még ha nem is szupernagy – tömegű fekete lyukak, azt a csillagászok régóta sejtik, csak meggyőző bizonyítékot nehéz beszerezni az ilyenekről. Nem véletlen, hogy hosszú évtizedeken át az ún. közepes tömegű fekete lyukak létezése intenzív kutatások tárgya volt, és napjainkig is az maradt. Ma már több ilyen, tömegben a jól ismert – szupernóva-robbanásokból visszamaradó – csillagtömegű fekete lyukak és szupernagy tömegű rokonaik közé eső, vagyis a száztól százezer naptömegig terjedű nagyságrendű fekete lyukról tudunk. Épp ilyen van az RGG 9 centrumában is, méghozzá az anyagalaxis törpe méretéhez képest elég tekintélyes példány, a becslések szerint közel négyszázezer naptömeggel (vagyis tizedakkora, mint a sokkal nagyobb galaxisunké, a Tejútrendszeré).

 

Az asztrofizika egyik izgalmas, a mai napig nyitott kérdése, hogy hogyan jöttek létre és híztak meg az akár több milliárd vagy tízmilliárd naptömeget magukba sűrítő fekete lyukak. Eddig akármilyen távolra sikerült is visszapillantanunk a világegyetem múltjába, mindig felfedeztünk olyan korai galaxisokat, amelyek aktív magjában ilyen behemótok működtek. A jelek szerint már az univerzum néhány százmillió éves korára kialakultak ekkora fekete lyukak. De hogy pontosan hogyan mehetett ez végbe ilyen gyorsan, az még nem világos, több versengő elképzeléssel is előálltak a kutatók. Könnyen lehet, hogy a hozzánk térben és időben viszonylag közeli törpegalaxisok jelenthetik majd a megértés egyik kulcsát. Ezek ugyanis a jelek szerint viszonylag háborítatlanul vészelték át az évmilliárdok viharait, vagyis nem ütköztek, nem olvadtak össze más galaxisokkal. Meglehet, hogy a bennük levő felete lyukak olyan „zárványok”, amelyek már a legkorábbi kozmológiai korszakban kialakultak.

 

Aktív mag röntgenben és rádióban

A környezetükből anyagot befogó fekete lyukakat nem könnyű tetten érni, pláne ha egy törpegalaxis viszonylag kisebb példányáról van szó. Nem véletlen, hogy csak néhányszor tízre tehető azon ismert törpegalaxisok száma, amelyekben az aktivitás egyértelmű jelei mutatkoznak. Egy fekete lyuk maga természetesen nem sugároz, de anyagbefogását elárulhatja a körülötte forgó, felforrósodott korong, valamint egyes esetekben a forgástengelye irányában a rendszert nagy sebességgel elhagyó, nagy energiájú töltött részecskékből álló nyalábok. Mindezek a folyamatok szinte a teljes elektromágneses spektrumban, a rádiótól a röntgensugárzásig jellegzetes, megfigyelhető nyomokat hagynak. Ilyen nyom lehet a plazmanyalábok rádiósugárzása, amint azt nagy galaxisok szupernagy tömegű fekete lyukainál jól ismerjük. Ezek a nyalábok a fényéhez közeli sebességgel hagyják el a galaxismagot, és eljuthatnak egészen több millió fényéves távolságba, vagyis nem csak az adott galaxis gáz- és poranyagára, de a galaxisok közti térségre is hatással lehetnek.

Fantáziakép egy törpegalaxis szívében található, két átellenes plazmanyalábot kilövellő aktív magról. (Forrás: NASA & ESA/Hubble, M. Polimera)
Fantáziakép egy törpegalaxis szívében található, két átellenes plazmanyalábot kilövellő aktív magról. (Forrás: NASA & ESA/Hubble, M. Polimera)

Az RGG 9 egyike az röntgenben és rádióban is aktív törpegalaxisoknak. Ráadásul néhány évvel ezelőtt a Jun Yang (Onsala Space Observatory, Svédország) vezette, magyar résztvevőkkel is felálló kutatócsoportnak sikerült nagy felbontásra képes rádióinterferométeres módszerrel kimutatni, hogy a központból kiterjedt rádiónyaláb indul ki – épp úgy, ahogy azt a nagyobb és sokkal fényesebb rádiósugárzó aktív galaxismagok esetében szoktuk látni. Az akkori mérésekhez a nagyon hosszú bázisvonalú interferometria (angol rövidítéssel: VLBI) módszerét használtuk, az Európai VLBI Hálózat (EVN) Európában és Ázsiában telepített rádióantennáival. Ilyen kísérleteknél az egymástól távol, akár több ezer km-re elhelyezkedő antennák összehangolt méréseket végeznek ugyanarra a célpontra. Ezzel minden más módszernél finomabb felbontást érhetünk el a rádiószerkezet feltérképezésében. Az eredmény már csak amiatt is izgalmas volt, mert korábban csupán egyetlen másik törpegalaxisnál sikerült efféle rádiószerkezetet megfigyelni, és az távolról sem volt ennyire fényes és kiterjedt.

Az RGG 9 korábbi rádiótérképe az EVN 1,7 GHz-es mérései alapján, északon egy fényesebb (N), dére egy halványabb (S) komponenssel. A szintvonalak és a színskála egyaránt a felületi rádiófényességet jelölik. (Forrás: J. Yang és munkatársai, 2020)
Az RGG 9 korábbi rádiótérképe az EVN 1,7 GHz-es mérései alapján, északon egy fényesebb (N), dére egy halványabb (S) komponenssel. A szintvonalak és a színskála egyaránt a felületi rádiófényességet jelölik. (Forrás: J. Yang és munkatársai, 2020)

Mi van a másik oldalon?

 

Már akkor gyanítottuk, hogy ez nem minden! A 2020-ban publikált, 1,7 GHz-es frekvencián készült régebbi EVN térképen, amelynek felbontása a törpegalaxis távolságában mindössze 10–15 fényévnek felel, két fő komponens tűnt fel egymástól az égboltra vetítve mintegy 150 fényévre. A fényesebb és kompaktabb északi komponens bizonyult a galaxis magjának, amire nem csak rádiótulajdonságai utaltak, hanem az is, hogy pozíciója egybeesett az RGG 9 optikai magjának helyzetével. Ez utóbbit a Gaia asztrometriai űrszonda mérései alapján lehet pontosan tudni. A délebbi komponens az egyik oldali nyalábnak egy rádiósugárzó csomója.

 

Ha ez az értelmezés helytálló, és van rádiónyaláb a mag egyik oldalán, akkor kell lennie a másikon is, elvégre ezeknek szimmetrikus módon, egymással átellenben kell elhagyniuk a fekete lyuk környezetét. Más kérdés, hogy képesek vagyunk-e detektálni a túloldali nyalábot. Erre tett kísérletet a csoport, amely az új mérésekhez nem csak az EVN antennáit kérte (és kapta meg), hanem kiegészítésül a Nagy-Britanniában telepített e-MERLIN hálózatét is. Több rádiótávcső és hosszabb észlelési idő nagyobb érzékenységet jelent, a rövidebb (legfeljebb néhány 100 km-es) interferométeres bázisvonalak bevonása pedig nagyon fontos, mert alkalmassá teszi a VLBI rendszert a térben kiterjedtebb rádiószerkezet feltérképezésére is.

Az RGG 9 rádiótérképei, balról jobbra haladva egyre javuló szögfelbontással. A bal oldali képen jól látható a központi, fényes komponensre szimmetrikus szerkezet (rövid e-MERLIN bázisvonalak, 1,7 GHz). Jobb oldalt a hosszú EVN bázisvonalak és a nagyobb frekvencia (5 GHz) mellett már csak a legfényesebb és legkompaktabb rádiósugárzó régió (C) a feltűnő, amelynek pozíciója az optikai tartományban mért Gaia-koordinátákkal (sárga kereszt) lényegében megegyezik. (Forrás: J. Yang és munkatársai, 2023)
Az RGG 9 rádiótérképei, balról jobbra haladva egyre javuló szögfelbontással. A bal oldali képen jól látható a központi, fényes komponensre szimmetrikus szerkezet (rövid e-MERLIN bázisvonalak, 1,7 GHz). Jobb oldalt a hosszú EVN bázisvonalak és a nagyobb frekvencia (5 GHz) mellett már csak a legfényesebb és legkompaktabb rádiósugárzó régió (C) a feltűnő, amelynek pozíciója az optikai tartományban mért Gaia-koordinátákkal (sárga kereszt) lényegében megegyezik. (Forrás: J. Yang és munkatársai, 2023)

Az immár két különböző frekvencián (1,7 és 5 GHz) elvégzett új mérések valóban még több fontos részletet árultak el erről a különleges, törpegalaxisban megbújó kiterjedt rádióforrásról. Ahogy számítottunk rá, az e-MERLIN térképen tényleg megjelent a déli komponens halványabb és kiterjedtebb párja a központi mag átellenes oldalán. A két oldalra kiterjedő szimmetrikus rádiószerkezet égboltra vetített teljes mérete eléri a 450 fényévet is. A középső „mag” komponens inkább maga is egy nagyon fiatal plazmakidobódásnak tűnik, amelynek még nem volt ideje fokozatosan elhalványodva, igazán távolra jutnia a fekete lyuktól.

Montázs az EVN és e-MERLIN rádióantennáinak fényképeiből. (Forrás: University of Manchester)
Montázs az EVN és e-MERLIN rádióantennáinak fényképeiből. (Forrás: University of Manchester)

Bár néhány más törpegalaxisban is detektáltak már kompakt rádiósugárzást, eddig az RGG 9 az egyetlen, amelyben egyértelműen sikerült kimutatni a mag két oldalára kiterjedő szimmetrikus nyalábszerkezetet. Az eredmények igazolják, hogy törpegalaxisok magjában, közepes tömegű fekete lyukaknál is léteznek a „nagy” aktív galaxismagokból jól ismert rádiósugárzó plazmanyalábok, amelyek epizodikus aktivitás eredményeként – vagyis amikor és ameddig a központi fekete lyuknak lehetősége nyílik anyagot befogni – jönnek létre.

 

Kutatócsoportunknak a fiatal aktív galaxismagokkal kapcsolatos vizsgálatait a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (OTKA K134213 projekt) támogatja.

 

 

 

Kapcsolódó cikkek:

 

Yang J. és munkatársai (2023): Intermediate-mass black holes: finding of episodic, large-scale, and powerful jet activity in a dwarf galaxy. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 520, 5964

https://doi.org/10.1093/mnras/stad493

 

Yang J. és munkatársai (2020): A parsec-scale radio jet launched by the central intermediate-mass black hole in the dwarf galaxy SDSS J090613.77+561015.2. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, Vol. 495, L71

https://doi.org/10.1093/mnrasl/slaa052

 

Kapcsolódó hír:

Meglepetés egy törpegalaxis szívében (csillagaszat.hu, 2020. május)

https://www.csillagaszat.hu/hirek/extragalaktikus-csillagaszat-hirek/exg-aktiv-galaxismagok/exg-kozponti-fekete-lyukak/meglepetes-egy-torpegalaxis-sziveben/

Szerző: Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs
CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet