Ezen folyamat során olyan nagy energia szabadul fel, hogy az aktív galaxismag sokszor az egész galaxisát túlragyogja. Időnkét kettős rendszert is alkothat két hatalmas fekete lyuk, ilyenkor gravitációs hullámokat is kibocsáthatnak végső összeolvadásuk közben.
A fekete lyukak számos formában vannak jelen az Univerzumban: léteznek kis tömegű, avagy csillagtömegű fekete lyukak (10-100 naptömeg), közepes tömegű fekete lyukak (néhány 100 - néhány 1000 naptömeg), illetve szupernagy tömegű fekete lyukak (több millió - több milliárd naptömeg). Az aktív galaxismagok olyan különleges helyek, ahol mindhárom típusú fekete lyuk előfordulhat közel egy helyen: a galaxis közepében lévő mag egy szupernagy tömegű fekete lyuk, a körülötte lévő akkréciós korong pedig befoghat a környezetből kis, illetve közepes tömegű fekete lyukakat is.
Jelenleg a LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) hálózattal képesek vagyunk csillagtömegű fekete lyukak detektálására, de a jövőben a Laser Interferometer Space Antenna (LISA) nevű űreszközzel akár nagyobb tömegű, illetve szupernagy tömegű fekete lyukak összeolvadását is megfigyelhetjük majd. A különböző tömegű fekete lyukak összeolvadásának detektálásakor egy fontos megmérendő paraméter az egymásba olvadó objektumok tömegének aránya. Érdekes, hogy a jelentősen különböző tömegű fekete lyukak egymásba olvadásának megfigyelése jóval többet árul el az általános relativitáselméletről, mint a közel azonos tömegű fekete lyukak egyesülése, ugyanis amikor egy kisebb fekete lyuk sokszor megkerül egy nagyobbat, minden keringés során erőteljes gravitációs hullámokat generál.
A LISA nevű detektor egyik legnagyobb ígérete, hogy képes lesz az úgynevezett extrém tömegarányú fekete lyukak egymásba olvadásának (extreme-mass-ratio inspiral, EMRI) megfigyelésére. Ezek a rendszerek egy kis tömegű és egy annál legalább tízezerszer nagyobb tömegű fekete lyuk együtteséből állnak. Emellett a LISA képes lesz a közepes tömegarányú fekete lyukak (intermediate-mass-ratio inspiral, IMRI) egyesülésének detektálására is, amely esetben a rendszer kisebb tömegű tagjánál minimum százszor, maximum tízezerszer nagyobb tömegű a másik komponens.
Egy új tanulmány szerzői szimulációkkal vizsgálták meg azt a lehetőséget, amikor egy aktív galaxismag körüli akkréciós korongban egyszerre van jelen egy közepes, illetve egy kis tömegű fekete lyuk. A szimuláció során a központi objektumra 1 millió naptömeget tételeztek fel, amely körül kering egy 1000 naptömegű, közepes tömegű fekete lyuk. Amint a közepes tömegű fekete lyuk körbejára rendszer középpontja körül, utat váj magának az akkréciós korong gázanyagában, miközben a súrlódási erők révén egyre közelebb kerül az középen található óriás fekete lyukhoz. Amikor a közepes tömegű fekete lyuk utat vágott magának a gázanyagban, a szimulációban feltételezett rendszerbe bekerül egy kis tömegű fekete lyuk is, a közepes tömegű közelébe.
A szimuláció során a kis tömegű fekete lyuk kétféle kezdőfeltétellel kerülhet a rendszerbe:
a) amikor a közepes tömegű fekete lyuknak a szupernagy tömegű fekete lyuk körüli pályáján a központi régióhoz közel még van gázanyag;
b) amikor csak a közepes tömegű fekete lyuk pályáján kívül található gázanyag, így tehát a szupernagy tömegű és a közepes tömegű fekete lyuk között nincs ilyesmi.
Az a) esetben a rendszerbe újonnan bekerülő kis tömegű fekete lyuk először távolabb kerül a központi régiótól a korong belső részén jelenlévő gáz nyomásának hatására, ám mivel ez a gázanyag egy idő után bespirálozik a központi szupernagy tömegű fekete lyukba, a gáz által kifejtett nyomás az időben egyre gyengül. A b) forgatókönyv esetén a közepes tömegű fekete lyuknak a kis tömegű fekete lyukra tett gravitációs hatása érvényesül a leginkább. Ez utóbbi esetben a kis tömegű fekete lyuk "követi" közepes tömegű társát a központi régió felé, nagyjából azzal azonos sebességgel haladva. A közepes tömegű fekete lyuk mindkét forgatókönyv esetén utat váj magának a gázanyagban, de a rendszer legbelső régiójában lévő gázanyag mennyisége határozza meg azt, hogy a kis tömegű fekete lyuk milyen sebességgel követi közepes tömegű testvérét.
Amikor a kis és a közepes tömegű fekete lyuk eléggé közelre kerül a központi szupernagy tömegű fekete lyukhoz, az ekkor fellépő gravitációs hullámok egyre több energiát vesznek el a rendszerből. Ennek köszönhetően, amikor a két kisebb objektum a központ közelébe ér, a szimuláció a gáznyomás hatásának érvényesítése helyett átkapcsol egy nem newtoni háromtest probléma megoldására.
Amikor ez bekövetkezik, a szimuláció végkimenetele egyre inkább kaotikussá válik: egy apró változtatás a kezdőparaméterekben drasztikus következményekhez vezethet a végkifejletet tekintve. Bizonyos esetekben a kis tömegű fekete lyuk kilökődik a rendszerből, máskor szinte azonnal összeolvad a közepes tömegű fekete lyukkal, s megint máskor rögtön bekebelezi a szupernagy tömegű fekete lyuk. Ebből azt a következtetést vonhatjuk le, hogy míg a központi régiótól távol viszonylag szabályosan viselkedik a kis és a közepes tömegű fekete lyuk, a szupernagy tömegű fekete lyuk közelében kaotikussá válik a viselkedésük.
Az érdekes szimulációk megmutatták tehát, hogy az aktív galaxismagok természetes környezetéül szolgálhatnak a gravitációs hullámok kibocsátásával járó feketelyuk- kölcsönhatásoknak, a LISA működése előtt pedig érdemes minél több további számítást végezni a lehetséges végkimenetelek megismerésének érdekében.
A cikk forrása: https://aasnova.org/2026/01/27/the-black-hole-meetup-emris-and-imris-in-the-same-active-galactic-nucleus-disk/
Szerző: Könyves-Tóth Réka, Tudományos munkatárs
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet