A kvazárok olyan aktív galaxismagok, amelyek hatalmas teljesítménnyel sugároznak a teljes elektromágneses spektrumban, miközben a bennük levő szupernagy tömegű fekete lyuk anyagot fog be a környezetéből. A kvazárok egy kis hányada erősen rádiósugárzó, a fekete lyuk közvetlen közeléből kiinduló, a fényéhez közeli sebességre gyorsított részecskék nyalábjai révén. Vajon másképpen „működtek-e” ezek a plazmanyalábok, amikor az Univerzum még csak alig több mint egymilliárd éves volt?
Plazmakifúvások, avagy az Univerzum legnagyobb részecskegyorsítói
A rádiósugárzó kvazárok akár több milliárd naptömegnyi fekete lyukai – a közhiedelemmel ellentétben – nem mindent nyelnek el, ami a közelükbe kerül. A körülöttük gyorsan forgó, felforrósodott anyagbefogási korongból az anyag egy részének sikerül „megszöknie”, mielőtt örökre eltűnne szemünk elől a fekete lyuk eseményhorizontja mögött. Ezeket a plazmakifúvásokat, amelyek a korongra merőlegesen, a forgástengely mentén két átellenes irányban hagyják el a rendszert, szokás az angol nyelven elterjedt, kényelmesen rövid jet (ejtsd: dzset) szóval is emlegetni. A plazmanyalábokat elektromosan töltött részecskék alkotják, amelyek az erős mágneses tér erővonalai mentén, spirális pályákon mozognak kifelé. Eközben szinkrotronsugárzást bocsátanak ki, amely jelentős részben a rádiótartományba esik – emiatt a plazmakifúvással rendelkező kvazárok kiváló célpontok a rádiótávcsövek számára.
A könnyű töltött elemi részecskék (leptonok, például elektronok, pozitronok) és a nehéz részecskék (hadronok, például protonok) hihetetlenül nagy, a fényét megközelítő sebességre tudnak felgyorsulni. De mégis mekkorára? A kifelé haladó anyagcsomók sebességét szokás az általános relativitáselméletben elterjedt, a fénysebesség és az aktuális sebesség közötti kapcsolatot megadó Lorentz-tényezővel jellemezni. Egy 20-as Lorenzt-tényezővel leírható – tipikus – rádiósugárzó plazmanyaláb esetén ez a fénysebesség 99,87%-át jelenti, de az ugyancsak előforduló, már meglehetősen nagy, 40-es Lorentz-faktor esetében az érték 99,97%!
Talán mondani sem kell, hogy az ilyen helyeken extrém fizikai folyamatok játszódnak le, bőven kínálva érdekes kutatási témákat az asztrofizikusoknak. A nagy sebességgel mozgó leptonok például az elektromágneses jelenségekért felelős elemi részecskékkel, a fotonokkal ütközve energiát adnak át nekik. Az inverz Compton-szórásnak nevezett jelenség révén így keletkezhet a kvazárok irányából észlelt röntgen- vagy akár a legnagyobb energiájú gamma-sugárzás. A manapság a csillagászat egyik új ágaként rohamléptekkel fejlődő neutrínócsillagászathoz az „alapanyag”, a kozmikus neutrínók egy jelentős része ugyancsak a kvazárok plazmanyalábjaiban, hadronok és fotonok kölcsönhatása révén jöhet létre.
Rádiókvazárok a legfinomabb felbontással
Hogy mi játszódik le a kvazárok legbelső régióiban, az anyagbefogási korongban és a plazmakifúvások kezdő szakaszán, arról többnyire közvetett megfigyelési információt tudunk csak gyűjteni, hiszen a csillagászati műszereink véges felbontóképessége korlátot szab a közvetlen képalkotáshoz. Gondoljunk bele, hogy fényévnél is kisebb kiterjedésű régiókról van szó, miközben a kvazárok távolsága inkább fényévmilliárdokban mérhető. A legnagyobb elérhető felbontást rádióteleszkópok kiterjedt hálózataival, az ún. nagyon hosszú bázisvonalú interferometria (angol rövidítéssel VLBI) technikájával tudjuk elérni. A több, a Föld felszínén – sőt akár még a Föld körüli pályán is – egymástól nagy távolságban elhelyezett rádiótávcső összehangolt mérései segítségével még a legtávolabbi ismert rádiósugárzó kvazárokban is fel tudunk térképezni akár tíz fényéves nagyságrendű részleteket.
Márpedig valóban ismerünk igen távoli rádiókvazárokat, amelyek színképvonalainak vöröseltolódása a 6-os értéket is meghaladja (ez az időben visszatekintve a most 13,8 milliárd éves Univerzum 1 milliárd évesnél is fiatalabb korát jelenti). A kvazárok tényleg annyira nagy teljesítménnyel sugároznak, hogy még ilyen hatalmas távolságból is észlelni tudjuk őket – még ha természetesen halványabbnak is látszanak, mint időben és térben hozzánk közelebbi társaik. Szerencsére azért segítségünkre van a fizika is. Ha ugyanis egy jet történetesen úgy mozog a térben, hogy majdnem mifelénk lövell – vagyis csaknem épp „szemből” látunk rá –, akkor a relativisztikus Doppler-erősítés jelensége hatására fényessége látszólag megsokszorozódik.
Külön kihívás az ilyen távoli objektumokban a plazmakifúvás szerkezetét felmérni, hiszen a legbelső régióhoz, a fényes „maghoz” képest a távolabbi területek jellemzően halványabbak. Ha nem is 6-os vöröseltolódásnál, de 5 fölött korábban már két kvazárnál is sikerült – magyar csillagászok vezetésével vagy közreműködésével – megmérni a jet komponenseinek látszólagos sajátmozgását, vagyis hogy a maghoz viszonyított égi pozíciójuk hogyan változik az idő előrehaladtával. Ez nemcsak azért nagy fegyvertény, mert a komponensek általában elég halványak, és a legtöbb nagyon távoli kvazárban emiatt nem is látszanak jól, hanem azért is, mert türelem kell hozzá, hiszen lassú elmozdulást várunk tőlük. Ennek oka, hogy a táguló Világegyetemben az idő is „megnyúlik”: a mi óránk lassabban jár, mint a kvazárral együtt mozgó rendszerben elképzelt időmérő szerkezet. Ha például a kvazárnál valamilyen esemény 1 év alatt zajlott le, azt mi (1+z) év alatt látjuk megtörténni, ahol z jelöli a vöröseltolódás értékét. Emiatt a földi megfigyelőnek hosszasan kell várakozni – vagyis sok, időben kellően távoli VLBI-mérést kell elvégezni – az elmozdulások megbízható detektálása érdekében.
Kilenc távoli kvazár
Nemrég egy kínai, magyar és orosz kutatókból álló csoport kilenc olyan távoli kvazárt választott ki, amelyeknél volt remény a jet sajátmozgásának meghatározására. E kvazárok vöröseltolódása 3,5 és 4,5 közötti, vagyis az Univerzum 1,3–1,8 milliárd év közötti „gyerekkorának” megfelelő időszakba pillanthatunk vissza segítségükkel. Olyan célpontokat kellett találni, amelyekben egyrészt jól látszott a nagyságrendileg 100 fényéves skálákig kiterjedő rádiószerkezet, másrészt több évre visszanyúlóan léteztek már róluk archív VLBI-mérések – hiszen ezek nélkül csak egy pillanatképet kaphatnánk, a szerkezeti változásaikat nem lehetne nyomon követni. A 9-es szám első pillantásra nem tűnhet soknak, mégis több mint ahány z>3,5 vöröseltolódású rádiókvazárra ilyen típusú ismétlődő VLBI-méréseket korábban összesen elvégeztek!
Az új program végrehajtásához a VLBA (Very Long Baseline Array) interferométer biztosított időt, 2017 februárjában és márciusában. A mérésekhez a 8,4 GHz-es rádiófrekvenciát választotta a csapat, mivel az rendelkezésre álló – habár kevésbé érzékeny – archív megfigyelésekhez is ezt használták. A VLBA az Egyesült Államok területén, az észak-amerikai kontinensen, valamint a Karib-szigeteken és Hawaii-n telepített tíz darab, egyenként 25 m átmérőjű rádiótávcső hálózata. Az egyes antennák között több ezer km-es távolság is van, ami meghatározza a műszeregyüttes nagy felbontóképességét. Nem csak a kilenc távoli kvazár plazmakifúvásában történt változásokat – vagy azok hiányát – sikerült felmérni, de minden eddiginél érzékenyebb, nagy felbontású rádiótérképek születtek a megcélzott objektumokról.
Az eredmények
Az új VLBA-mérések valóságos kincsesbányának bizonyultak. A rádiótérképekkel együtt az Európai Űrügynökség (ESA) Gaia asztrometriai űrtávcsövével végzett pontos optikai pozícióméréseket is felhasználva például kiderült, hogy van olyan kvazár a mintában, ahol a rádiófényesség eloszlásának csúcsa nem esik egybe a galaxismag pontos helyével. Ebben az esetben nem egy felénk irányuló, Doppler-erősített plazmakifúvást látunk, hanem az égbolt síkjához közel eső, szimmetrikus párt. Ilyesmi csillagászati értelemben nagyon fiatal, akár csupán néhány száz vagy ezer éve kezdődött aktivitásra utal, amikor a fekete lyuk környezetéből előtörő, átellenes irányokban elinduló plazmanyalábok „utat vágnak” maguknak a csillagközi anyag felhőin át, s a létrejövő lökéshullámfrontokat látjuk fényesen sugározni a rádiótartományban.
A mag–jet szerkezetet mutató többség közül öt kvazárnál sikerült megbízható mérést végezni a jet komponenseinek sajátmozgására. Az értékek között van, amely látszólag majdnem 16-szorosan meghaladja a fény sebességét. Persze nem kell megijedni, az efféle „szuperfénysebességű” mozgás egy sok évtizede ismert jelenség – még ha a sajtóban időről időre manapság is találkozhatunk szenzációs szalagcímekkel, amikor ilyesmiről adnak hírt. Nincs ellentmondás a relativitáselmélettel, ugyanis itt sem halad semmi a fényénél nagyobb sebességgel. A jelenséget épp az okozza, hogy a jet komponensei a fényét megközelítő sebességgel mozognak, és szinte pontosan a megfigyelő irányába. Ha két különböző időpontban megmérjük a komponens helyzetét, akkor az elmozdulásának az égbolt síkjába eső vetületét látjuk. A sebesség úgy adódik, hogy a megtett távolságot elosztjuk a megtételéhez szükséges idővel. Az idő tekintetében ugyanakkor nagyon megtréfál bennünket a jelenség: a látóirányhoz közel, majdnem – de azért mégsem egészen – fénysebességgel haladó plazmacsomó szinte utoléri a saját, korában kibocsátott sugárzását. Emiatt a földi megfigyelő úgy érzékeli, hogy két mérés között sokkal rövidebb idő telt el, mint a valóságban. Ezért mérünk látszólag szuperfénysebességű mozgást. S valóban, a mintában szereplő távoli kvazároknál a plazmanyaláb és a látóirány által bezárt szögek néhány, de legfeljebb kb. 10 fokosnak adódtak.
Az adatok alapján becslést lehetett végezni a plazma mozgásának sebességére jellemző Lorentz-tényezőre is, amelyre kb. 3 és 44 közötti értékek jöttek ki, némely esetben a mérési hibákból adódóan elég nagy bizonytalansággal. Azt mindenesetre ki lehet jelenteni, hogy a fiatal Világegyetem kvazárjai és a hozzánk közelebb levő rádiókvazárok között a plazmakifúvások fizikai tulajdonságai szempontjából nem látszik semmilyen alapvető különbség. Azért, hogy a megfigyelt mozgások sokkal lassabbnak tűnnek, kizárólag a táguló Univerzum és az ebből következő „időmegnyúlás” a felelős.
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:
Zhang Y. és társai (2022): Radio Jet Proper-motion Analysis of Nine Distant Quasars above Redshift 3.5. Astrophysical Journal, 937, 19 (https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac87f8)
Pillantás a legtávolabbi ismert blazár belsejébe (csillagaszat.hu, 2020. január)
Látszólag a fénynél tízszer gyorsabban (csillagaszat.hu, 2014. december)
https://www.csillagaszat.hu/hirek/latszolag-a-fenynel-tizszer-gyorsabban/
Kapcsolódó korábbi blogbejegyzés:
Új távolsági rekord a rádiósugárzó kvazároknál
https://svabhegyicsillagvizsgalo.hu/hirek/blog/uj-tavolsagi-rekord-a-radiosugarzo-kvazaroknal
Szerző: Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs
CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet
