A titokzatos, közepes tömegű fekete lyukra utaló legjobb bizonyítékra lelt a Hubble

9271

Csillagászok megtalálták egy kozmikus gyilkosság elkövetőjére utaló legjobb bizonyítékot: egy, a titokzatos, közepes tömegű fekete lyukak csoportjába tartozó objektumot, amely a létezését egy hozzá túl közel merészkedő makacs csillag szétszaggatásával árulta el.

Közel 50000 naptömegnyi anyagával ez a fekete lyuk kisebb, mint a szupernagy tömegű (néhány millió vagy milliárd naptömegű) fekete lyukak, amelyek a nagy galaxisok magjában vannak, de több anyagot tartalmaz, mint a nagy tömegű csillagok kollapszusa során keletkező csillagtömegű fekete lyukak.

Ezek az ún. közepes tömegű fekete lyukak (IMBH – intermediate-mass black hole) a fekete lyukak evolúciójának régóta keresett hiányzó láncszemét képezik. Igaz ugyan, hogy volt néhány más IMBH jelölt korábban, a kutatók azonban ezen új megfigyeléseket tartják az eddigi legerősebb bizonyítéknak a közepes tömegű fekete lyukakra az Univerzumban.

A kozmikus szörny megfogásához két röntgenobszervatórium teljesítménye és a NASA Hubble-űrteleszkópjának éles látása volt szükséges.

Csillagászok rátaláltak a legjobb bizonyítékra egy, a megfoghatatlan, közepes tömegű fekete lyukak osztályába tartozó objektumra, amely a létezését egy hozzá túl közel kerülő makacs csillag szétszaggatásával árulta el. Ez az izgalmas felfedezés megnyitja azon lehetőségek kapuit, amelyek szerint sokkal több ilyen bujkál a sötétben észrevétlenül, várva arra, hogy egy hozzá túl közel elhaladó csillag elárulja a helyét. (Forrás: NASA Goddard Space Flight Center)

„A közepes tömegű fekete lyukak igencsak titokzatos objektumok, szóval nagyon fontos, hogy az egyes jelöltekre vonatkozó alternatív magyarázatokat figyelembe vegyük és kizárjuk. A Hubble ezt tette lehetővé a mi jelöltünkre,” közölte Dacheng Lin (University of New Hampshire), a tanulmány vezető kutatója. Az eredmények a The Astrophysical Journal Letters-ben jelennek majd meg.

A felfedezés története olyan, mint egy Sherlock Holmes sztori, a tettes elfogásához szükséges lépésről lépésre történő aprólékos esetfelépítést magába foglalva.

Lin és csapata a Hubble-űrteleszkóppal a NASA Chandra röntgenobszervatóriumának és az ESA XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission – többtükrű röntgenküldetés) távcsövének nyomait követték. 2006-ban ezek a műholdak erős rötngenflereket érzékeltek, de azt nem tudták megállapítani, hogy a mi galaxisunkon belülről vagy azon kívülről származnak. A kutatók egy olyan csillagnak tudták be, amely egy erős gravitációjú kompakt objektumhoz (amilyen egy fekete lyuk) közel érve szétcincálódott.

Meglepő módon a 3XMM j215022.4-055108-nak elnevezett röntgenforrás nem egy galaxis centrumában helyezkedett el, ahol a nagy tömegű fekete lyukak általában megtalálhatóak. Ez annak a reményét keltette fel, hogy egy IMBH volt a tettes, de először egy másik lehetséges röntgenfler-forrást kellett kizárni: egy, a Tejútrendszerünkben lévő neutroncsillagot, ami nagyon magas hőmérsékletre való hevítés után hűl le. A neutroncsillagok a felrobbanó csillagok összezúzott maradványai.

A Hubble-t ráállították a röntgenforrásra, hogy nagy felbontásával tisztázza a forrás pontos helyzetét. Az ún. deep imaging [1] technikával készült, nagy felbontású képek jelentős bizonyítékot nyújtanak arra, hogy a röntgensugárzás nem egy, a saját galaxisunkban lévő elkülönülő forrásból származik, hanem egy másik galaxis peremén lévő távoli csillaghalmazból – a csillagászok pontosan ilyen helytől várták, hogy IMBH-t találnak. Egy korábbi Hubble-kutatás azt mutatta, hogy egy galaxis centrumában lévő fekete lyuk tömege arányos a galaxis dudorának (bulge) tömegével. Következésképpen, a 3XMMj215022.4-055108-nak otthont adó csillaghalmaz lehet egy kis tömegű törpegalaxis lecsupaszított magja, amelyet a jelenlegi nagyobb galaxisával történő közeli kölcsönhatások gravitációsan és az árapályerőkön keresztül romboltak szét.

A Hubble-űrteleszkóp képe azonosította egy közepes tömegű fekete lyuk helyzetét. 50000 naptömegnyi anyagával ez az IMBH sokkal kisebb, mint a galaxisok centrumaiban található szupernagy tömegű fekete lyukak. A 3XMM j215022.4-055108 nevű fekete lyukat a fehér kör jelöli. A rejtélyes típusú fekete lyukat először egy általa befogott majd szétcincált csillag által kibocsátott árulkodó röntgenkitörésből azonosították. A Hubble-ra azért volt szükség, hogy a fekete lyuk helyzetét pontosan meg tudják határozni, az optikai tartományban. A Hubble nagy felbontású képein látszik, hogy a fekete lyuk egy sűrű csillaghalmazban van, messze a Tejútrendszertől. A csillaghalmaz a képen középen látható galaxis közelében van. Sokkal messzebb lévő háttérgalaxisok látszanak elszórva a képen, köztük egy szemből látható („face-on”) spirálgalaxis kicsivel az előtérben lévő központi galaxis felett. A kép a Hubble Advanced Camera for Surveys nevű műszerével készült. (Forrás: NASA, ESA és D. Lin (University of New Hamphsire))

IMBH-kat különösen nehéz találni, mert kisebbek és kevésbé aktívak, mint a szupernagy tömegű fekete lyukak, nincs folyamatosan készenlétben álló „üzemanyaguk”, és a gravitációs vonzásuk sem elég erős ahhoz, hogy csillagokat és más kozmikus anyagot magukhoz húzzanak, amelyek árulkodó röntgenfényléseket produkálnának. A csillagászoknak lényegében rajta kell kapniuk az IMBH-kat egy csillag felfalásán. Lin és csapata átfésülték az XMM-Newton adatarchívumát, megfigyelések százezreit ellenőrizve, hogy egyetlen IMBH jelöltet találjanak.

A szétcincált csillag röntgenfénye lehetővé tette a csillagászok számára, hogy a fekete lyukat 50000 naptömegűre becsüljék. Az IMBH tömegére a röntgentartományban mérhető luminozitásából és színképének alakjából is adtak becslést. „Ez sokkal megbízhatóbb, mintha pusztán a röntgenluminozitásokat használtuk volna, ahogy az jellemző volt a korábbi jelölteknél,” jelentette ki Lin. „Az tette lehetővé a spektrális illesztések használatát az objektumunk tömegének meghatározására, hogy a spektrális evolúciója azt mutatta, hogy az akkrétáló csillagtömegű fekete lyukaknál gyakran látott és jól értett termális spektrális állapotban van.”

Ez az objektum nem az első jó jelölt egy közepes tömegű fekete lyukra. 2009-ben a Hubble-űrtávcső együttműködött a NASA Swift obszervatóriumával és az ESA XMM-Newton röntgentávcsövével annak érdekében, hogy azonosítsa az ESO 243-49 galaxis széle felé látható, HLX-1 nevű, IMBH-ként értelmezett objektumot. Az is egy fiatal, kék csillagokból álló, nagy halmaz közepében van, és lehetséges, hogy egy lecsupaszított törpegalaxis magja. A röntgensugarak egy, a fekete lyuk körüli forró akkréciós korongból származnak. „A fő különbség az, hogy a mi fekete lyukunk széttépi a csillagot, erős bizonyítékot nyújtva ezzel arra, hogy nagyobb tömegű fekete lyukról van szó, nem pedig egy csillagtömegűről, mint ahogyan a szakemberek gyakran aggályukat fejezték ki a korábbi jelölteknél, beleértve a HLX-1-et is,” mondta Lin.

Ez az illusztráció egy kozmikus gyilkosságot ábrázol. Egy makacs csillagot egy több tízezer naptömegű fekete lyuk gravitációs vonzása szaggat szét. A csillagmaradvány akkréciós korongot alakít ki a fekete lyuk körül. A korongban lévő túlfűtött gázból származó röntgenflerek mutatták meg a csillagászoknak a fekete lyuk helyzetét, ezek nélkül az a sötétben bujkált volna. A titokzatos objektumot közepes tömegű fekete lyukként (IMBH) azonosították, mivel sokkal kisebb, mint azok a feke lyuk „szörnyetegek”, amelyek galaxisok centrumaiban tartózkodnak. Következésképpen, az IMBH-k többnyire csendesek, mert nem vonzanak be annyi anyagot, és nehezebb megtalálni őket. A Hubble-űrteleszkóp bizonyítékot nyújt arra, hogy az IMBH-k sűrű csillaghalmazokban tartózkodnak. A halmaz maga lehet egy törpegalaxis lecsupaszított magja. (Forrás: NASA, ESA és D. Player (STScI))

A jelen IMBH fellelése megnyitotta a kaput azon lehetőség előtt, miszerint sokkal több bujkál a sötétben arra várva, hogy egy csillag túl közeli elhaladása elárulja. Lin az aprólékos detektívmunkájának folytatását tervezi, a csapata által sikeresnek bizonyított módszerekkel. Sok kérdés marad még megválaszolatlan. A szupernagy tömegű fekete lyukak IMBH-k növekedésével alakulnak ki? Hogyan alakulnak maguk az IMBH-k? A sűrű csillaghalmazok a kedvelt otthonaik?

Megjegyzés:

[1] – A Hubble-mélyvizsgálati kép (Hubble Deep Field) sok, nagyon hosszú expozíciós idejű felvételből összeállított kép egy olyan égterületről, amely látszólag szinte teljesen üres, azonban a képen galaxisok ezrei tűnnek elő a háttérből (a felvételek 1995-ben készültek). Arra a technikára, amellyel a jelen kép készült, szokás deep imagingként hivatkozni.

Forrás: NASA

Hozzászólás

hozzászólás