A James Webb-űrtávcső esete a szupernagy tömegű és extrém vörös fekete lyukkal

19489

Ez a bizonyos szupernagy tömegű fekete lyuk tőlünk rendkívül távol, 12,9 milliárd fényévre található, tömege Napunkénak negyvenmilliószorosa, és egy olyan kvazárt működtet, amely már 700 millió évvel az ősrobbanás után létezett.

A képen egy, a korai univerzumban született, extrém vörös fekete lyuk művészi ábrázolása látszik. (Forrás: Robert Lea)

A kutatók a korai Univerzum egy igen érdekes objektumát fedezték fel a James Webb-űrtávcsővel (James Webb Space Telescope, JWST) egy extra vörös színben pompázó fekete lyuk képében. A forrás különleges, vöröses árnyalata az elméletek szerint Világegyetemünk tágulása hatására alakult ki: ahogy az Univerzum a születése óta minden irányba nagy sebességgel tágul, a szemünkbe egy adott pontból érkező fény vöröseltolódást szenved. Ilyen módon minél távolabbi, így tehát minél korábban létrejött objektumra nézünk, az általa kibocsátott sugárzás hullámhossza annál nagyobb, színe következésképp annál vörösebb lesz. A nemrég felfedezett fekete lyuk (pontosabban az általa éppen befogás állapotában lévő környező por- és gázanyag) azért látszik kiemelkedően vörösnek, mert az elektromágneses sugarakat kibocsátó környezet fénye az objektum nagy távolsága miatt jelentősen eltolódott a hosszabb hullámhosszak (vörösebb szín) felé.

A negevi Ben Gurion Egyetem (Izrael) kutatócsoportja Lukas Furtak és Adi Zitrin vezetésével a James Webb-űrtávcső adatait felhasználva meghatározta az extrém vörös sugárzásért felelős szupernagy tömegű fekete lyuk tömegét is, amelyre körülbelül 40 millió naptömeg adódott. Ez az érték meglepően nagy a fekete lyuknak otthont adó galaxis tömegéhez képest.

A kutatócsoport azt is kimutatta, hogy a fekete lyuk jelenleg is növekszik: akkréciós (tömegbefogási) folyamatokkal falja be a körülötte lévő gázt és port.

A csoportot vezető Lukas Furtak a következőképp nyilatkozott: „Nagyon izgatottan vártuk, hogy kézhez kaphassuk a JWST UNCOVER programjának első adatait. Amikor ez megtörtént, rögtön szemet szúrt nekünk három kompakt, rendkívül vörös színű, pontszerű alakzat, amelyek már első ránézésre arra engedtek következtetni bennünket, hogy kvazárszerű objektumokról van szó.”

A három piros pont

A kvazárok az égbolton pontszerűnek látszó, aktív galaxismagok, amelyek fényessége túlragyoghatja gazdagalaxisukét is. Kialakulásuk a galaxis középpontjában található szupernagy tömegű fekete lyuk anyagbefogási folyamataihoz köthető. A nagy akkréciós rátájú fekete lyukak gyorsan magukba szippantják a körülöttük lévő port és gázt, és ahogy ezek a fekete lyukba történő spirálozás közben súrlódnak, minden hullámhossztartományban látszó sugárzást bocsátanak ki.

Mindemellett azt az anyagot, amely nem hullik közvetlenül a fekete lyuk felszínére, a fekete lyuk mágneses mezeje az objektum pólusai felé irányítja, ahol a töltött részecskék a fénysebességhez közeli (relativisztikus) sebességre gyorsulva, jetnek nevezett, nyalábszerű struktúrában lökődnek ki erős sugárzás kibocsátása mellett.

Ezek a nagy energiájú folyamatok azt eredményezik, hogy a kvazárok túlragyogják a körülöttük lévő galaxis összes csillagának együttes fényességét, és még nagy távolságokból is látszanak mint pontszerű, avagy csillagszerű források.

Rachel Bezanson, az UNCOVER program egyik vezetője a következőket mondta az újonnan felfedezett fekete lyukkal kapcsolatban: „Már az objektum színének vizsgálatából gyanítottuk, hogy az elvárásokkal ellentétben nem egy csillagontó galaxisról van szó, hanem inkább egy szupernagy tömegű fekete lyukról, ami a forrás pontszerűségét és kompaktságát tekintve egyértelművé vált. Mindezek mellett azonban ez az újonnan felfedezett objektum különbözik a hozzá hasonló távolságban felfedezett kvazároktól.”

Fontos megemlíteni, hogy ezt az igen távoli, így a nagyon fiatal Univerzumban keletkezett kvazárt még a JWST kifinomult, infravörös érzékelői sem pillanthatták volna meg némi segítség, az Einstein által 1915-ben megjósolt gravitációs lencsézés jelensége nélkül.

A gravitációs lencsézés

Einstein általános relativitáselmélete szerint azok a testek, amiknek tömege van, meggörbítik a téridő szövetét ahhoz hasonlóan, mint amikor egy vasgolyót ráteszünk egy gumilepedőre. Az elmélet szerint maga a gravitációs erő is a tér ilyetén görbületének eredménye: minél nagyobb egy test tömege, annál inkább meghajlítja a téridő szövetét.

Ez a görbület nemcsak a bolygóknak a csillagok körüli mozgását vagy a csillagoknak a galaxis középpontja körüli mozgását határozza meg, hanem egyúttal képes megváltoztatni egy adott forrásból érkező fény irányát is, máshogy megfogalmazva „meggörbíti a fény útját”.

A fény minél közelebb halad el egy nagy tömegű testhez, annál inkább eltérül. Így egy hozzánk közelebbi előtérobjektum, egy úgynevezett gravitációs lencse el tudja téríteni egy tőlünk távolabbi forrás fényét úgy, hogy más irányba lássuk azt az égbolton, mint ahol valójában van. Ennek a jelenségnek köszönhetően nemcsak hogy felerősödhet, hanem akár meg is sokszorozódhat egy lencsézett objektum képe.

Az ábra a fény útjának eltérülését mutatja egy nagy tömegű lencséző objektum mellett. (A kép forrása: NASA, ESA & L. Calçada.)

Az itt bemutatott kutatás esetében a JWST az Abell 2744 nevű galaxishalmazt mint gravitációs lencsét használta fel ahhoz, hogy felerősítse bizonyos távoli háttérgalaxisok fényét, amelyeket a gravitációslencse-hatás nélkül nem figyelhetnénk meg. Ilyen módon sikerült felfedezni az extrém vörös kvazárt, amelynek képe a lencsézés miatt három piros pontként jelent meg a felvételeken. Ezek kombinációja adta meg tehát az extrém vörös háttérobjektumot.

„A galaxishalmazt numerikus modellekkel vizsgálva határoztuk meg, hogy a három piros pont valójában egy objektum gravitációs lencsézéssel megsokszorozott képe, mégpedig egy olyan kvazáré, amely már az Univerzum igen korai stádiumában, mintegy 700 millió évvel az ősrobbanás után létezett.” – mondta Adi Zitrin, a kutatás egyik vezetője.

Egy szupernagy tömegű fekete lyuk és a pólusaiból kilövellő nyaláb művészi ábrázolása. (Forrás: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))

A forrás további vizsgálatából fény derült arra is, hogy a kvazár egy kompakt régióból származik. A felfedezés emellett újabb megválaszolásra váró kérdéseket vet fel azzal kapcsolatban, hogy vajon hogyan nőttek ekkorára a korai Univerzumban a millió vagy akár milliárd naptömegű fekete lyukak.

„A korai Univerzum számos szupernagy tömegű fekete lyuka különböző viselkedést mutat ettől az újonnan felfedezett objektumtól. Ez még több kérdést vet fel a fekete lyukak és gazdagalaxisuk növekedési ütemével, illetve ezek összefüggésével kapcsolatban.” – nyilatkozta a kutatásban részt vevő Jenny Green.

A JWST a működése során rengeteg „kis piros pontot” figyelt meg, amelyek fénye szintén származhat szupernagy tömegű fekete lyukak kvazárjából. Ezek vizsgálata a későbbiekben hozzájárulhat a fekete lyukak növekedését övező talányok megfejtéséhez.

„Bizonyos tekintetben ez a problémakör az asztrofizikai megfelelője a tyúk és a tojás esetének.” – mondta Zitrin. „Jelenleg nem tudjuk, melyik volt előbb: a galaxis vagy a fekete lyuk, illetve hogy kezdetben mekkora volt a fekete lyuk tömege, és az hogyan növekedett.”

A kutatócsoport legújabb eredményeit a Nature folyóiratban közölt cikkük tartalmazza.

A cikk forrása: https://www.space.com/james-webb-space-telescope-extremely-red-supermassive-black-hole

Hozzászólás

hozzászólás