Az elsőként felfedezett fekete lyuk másfélszer nagyobb tömegű, mint eddig gondoltuk

7026

Egy új tanulmány szerint az 1964-ben felfedezett Cygnus X-1 jelű röntgenkettős távolsága mintegy 20%-kal nagyobb az eddig gondoltnál, így a komponensei – köztük az elsőként azonosított fekete lyuk – fizikai paraméterei is eltérnek az eddig elfogadott értékektől. A James Miller-Jones (International Centre for Radio Astronomy Research, Curtin University, Perth, Ausztrália) által vezetett nemzetközi kutatócsoport szerint a fekete lyuk tömege a Napénak 21-szerese, ami közel másfélszer nagyobb az eddig elfogadott értéknél, de nagyobb annál is, mint amit a nagy tömegű csillagok fejlődésére vonatkozó elméletek alapján várhatnánk.

Az elmúlt öt évben a kettős rendszerekben összeolvadó fekete lyukak által keltett gravitációs hullámok detektálásának eredményeként kiderült, hogy ezen objektumok tömege 7 és 50 naptömeg közé esik. Azok a nagy tömegű kettősök, amelyekben csak az egyik komponens fekete lyuk, a másik pedig még “működő” csillag, a röntgensugárzásuk alapján azonosíthatók. A kísérő csillag színképéből meghatározott radiálissebesség-görbék azt jelzik, hogy a röntgenkettősökben a feketelyuk-komponensek tömege nem haladja meg a 20 naptömeget. E tekintetben eddig a rekorder az M33 galaxis X-7 jelű objektuma volt, amelyben a fekete lyuk nagyjából 16 naptömegű.

A nagy tömegű csillagok életútjának végén bekövetkező szupernóva-robbanás során keletkező fekete lyuk kezdeti tömege a szülőcsillag jellemzőitől függ. Ezek közül egyik legfontosabb annak robbanás előtti tömege, de lényeges paraméter az is, hogy a szülőcsillag mennyi fémet tartalmaz. (A csillagászati terminológiában fémnek nevezünk minden elemet a hidrogénen és a héliumon kívül. Ezek részaránya a fémtartalom vagy fémesség.) A csillagok tömege fejlődésük során anyagbefogással vagy összeolvadással növekedhet is, de a nagy tömegű csillagok életük során jelentős mennyiségű anyagot veszítenek csillagszél formájában: a külső burok egy részét a magas hőmérséklet miatti nagy sugárnyomás egyszerűen lefújja.

Fantáziarajz a Cygnus X-1 röntgenkettősről. A rendszerben egy csillagtömegű fekete lyuk és egy forró szuperóriás csillag kering a tömegközéppont körül. A fekete lyuk típusának eddigi legnagyobb tömegű olyan példánya, amelyet nem összeolvadás keltette gravitációs hullámok alapján detektáltak. (International Centre for Radio Astronomy Research)

A Cygnus X-1 röntgenkettősben tehát egy fekete lyuk és egy O színképtípusú forró szuperóriás csillag (HDE 226868) kering a rendszer tömegközéppontja körül, mégpedig 5,6 nap periódussal, miközben a szuperóriásról (donorcsillag) anyag áramlik a fekete lyuk körüli akkréciós korongba. A rendszer távolságmérései a parallaxisán alapulnak, azaz azt mérik, hogy a távoli galaxisok által definiált háttérhez képest a kettős mennyit mozdul el az égbolton, miközben a Föld Nap körüli pályáját rója. Az égi pozíciókat szolgáltató nagy bázisvonalú rádióinterferometriai mérések alapján a rendszer távolsága 1,86±0,12 kpc (kiloparszek), azaz körülbelül 6000 fényév. Ebből az értékből az optikai tartományban végzett radiálissebesség-mérésekkel kombinálva a fekete lyuk tömegére 14,8±1,0 naptömeg adódott. Ha azonban feltételezzük, hogy a donor még a magjában hidrogént égető ún. fősorozati csillag, akkor ebbe a képbe az előbbi paraméterek nem illenek. Ráadásul a rádiómérések által szolgáltatott 0,54±0,03 mas (milliívmásodperc) parallaxisérték nem egyezik a Gaia-űrtávcső által az optikai tartományban mért 0,47±0,04 mas értékkel sem, ami pedig 119 teljes keringési periódus megfigyelési eredményei alapján megállapított átlagérték.

A fentiekből kiindulva 2016. május 29. és 2016. június 3. között Miller-Jones és munkatársai a VLBA (Very Long Baseline Array) antennarendszerrel hat napon keresztül – azaz egy teljes keringési perióduson át – naponta egyszer mérték a Cygnus X-1-ben található fekete lyuk által indított kilövellések (jet-ek) rádiósugárzását. Az így nyert adatokat aztán korábbi mérésekkel kombinálták, így végül egy 7,4 éves időszakra kiterjedő adatsor alapján elemezhették újra a kettős komponenseinek pályamozgását, illetve a rendszernek az égbolton a Föld Nap körüli keringése miatt bekövetkező parallaktikus elmozdulását is. Az összetett analízis eredményeként a pálya fél nagytengelyének vetülete 58±20 μas (mikroívmásodperc) szög alatt látszik, a rendszer parallaxisa pedig 0,46±0,04 mas, ami viszont már összhangban áll a Gaia-mérésekkel. A parallaxis alapján a Cygnus X-1 új távolsága 2,22±0,18 kpc.

A 8,4 GHz-es méréseket a VLBA rádióinterferométer-hálózat végezte, amely tíz, egyenként 25 m átmérőjű rádiótávcsőből áll. A hálózat a Karib-szigetektől a Hawaii-szigetekig terjed, a leghosszabb bázisvonal több mint 8600 km-es. (NASA GSFC)

Az új távolságértékkel és a donorcsillag fizikai paramétereire (effektív hőmérséklet, felszíni gravitációs gyorsulás, héliumtartalom) vonatkozó megalapozott feltevésekkel a kutatók újra elemezték az optikai fény- és radiálissebesség-görbéket, és azt kapták, hogy mindkét komponens tömege lényegesen nagyobb az eddig elfogadott értéknél: a fekete lyuké 21,2±2,2 naptömeg, míg a donorcsillagé 40,6±7,7 naptömeg. Az optikai adatok új analíziséből a fekete lyuk pályájának fél nagytengelye 0,160±0,013 CSE (csillagászati egység), amely az új távolságadattal 73±8 μas látszó szögméretnek felel meg, ez pedig összhangban van a VLBA-asztrometriából közvetlenül meghatározott értékkel.

A nagyobb tömeg és a nagyobb távolságból adódó nagyobb luminozitás miatt a donorcsillag paraméterei is jobban illeszkednek a hidrogénégető fősorozati csillagokra érvényes tömeg-fényesség relációhoz, bár a színképből meghatározható felszíni hélium-hidrogén-arány (He/H) kb. 2,6-szer nagyobb, mint a Nap esetében. A nagyobb távolság- és tömegértékeknek a fekete lyuk forgási sebességével kapcsolatban is van következményük. A megfigyelési eredmények és a modellszámítások szerint a fekete lyuk nagyon gyorsan forog a tengelye körül, még az ebből a szempontból viszonylag kedvezőtlen geometriai elrendeződés esetén is néhány százalékra megközelítve az elméletileg lehetséges legnagyobb értéket. A donorcsillagról átáramló anyag impulzusnyomatéka azonban nem pörgethette fel ekkora szögsebességre a fekete lyukat, még a kísérő nagyjából 4 millió éves eddigi életútja alatt sem. A fekete lyuk gyors forgásának tehát a szülőcsillag magjának nagy impulzusnyomatékát kell tükröznie. Az viszont úgy növekedhetett meg, hogy a fősorozati fejlődése során anyagot adott át a kísérőnek, miközben a mag forgását az árapályerők a keringéssel szinkronizálták, azaz felpörgették azt.

A fekete lyuk szülőcsillagáról átáramló, nehezebb elemekben feldúsult anyag magyarázhatja a hélium magasabb arányát is a donorcsillagon. Ennek fémessége a Napénak kétszerese lehet – messze nagyobb, mint az M33 X-7 esetében –, bár a rendszer bonyolultsága miatt a mérések nem egyszerűek, így a tényleges érték még akár közelebb is lehet a szoláris fémességhez. A 21 naptömegű fekete lyuk létezése egy Napéhoz közeli fémességű rendszerben a nagy tömegű csillagok fejlődésének utolsó fázisaiban (LBV, Wolf-Rayet) csillagszél formájában zajló tömegvesztés ütemére vonatkozó elképzelések felülvizsgálatát is szükségessé teheti: a jelenlegi modellekben megadott értékeket mindkét esetben jelentősen, akár 30-60%-kal is csökkenteni kell.

A Cygnus X-1 VLBA-pozíciómérései. A piros pontok az új, a kék pontok pedig a régebbi VLBA-méréseket jelölik, míg a betűk az észlelések kronológiai sorrendjét jelentik. A szaggatott vonalak a mérési pontok helyzetét adják meg az illesztett, színes ellipszissel jelölt pálya mentén. A színek a felső színskálának megfelelően a fekete lyuk látóirány menti pozícióját adják meg a tömegközépponthoz (fekete csillag) viszonyítva. A pozitív értékek azt jelentik, hogy a fekete lyuk ekkor a tömegközéppont “mögött” járt. A ívelt nyilak a keringés irányát adják meg, a hosszú fekete nyíl pedig a kilövellés (jet) tengelyét. (Miller-Jones és mtsa, 2021)

A csillagok keletkezésére és fejlődésére vonatkozó elméletek szerint egyes csillagok születésükkor akár 100–200 naptömegűek is lehetnek, de a fejlődésük során az intenzív csillagszél miatt ennek jelentős részét elvesztik. Minél nagyobb a csillag és minél több nehéz elemet tartalmaz, annál intenzívebb a tömegvesztése. Az elképzelések szerint a fémekben gazdag galaxisokban – ilyen a Tejútrendszer is – ezek az objektumok a kezdeti tömegüktől függetlenül legfeljebb 15 naptömegnyi értékkel érik el a fekete lyukká váláshoz vezető szupernóva-robbanás előtti állapotot. Ezt aknázza most alá a Cygnus X-1 21 naptömegű fekete lyuka: a kisebb tömegvesztési ráta miatt a szülőcsillagok nagyobb tömeggel érkezhetnek el a szupernóva-robbanáshoz, ami azok észlelési jellegzetességeit is befolyásolhatja, illetve a környező csillagközi anyag nehezebb elemekkel történő “beszennyezése” is kisebb hatásfokú lehet a tömegvesztési ráta csökkenése miatt.

A LIGO és a Virgo gravitációshullám-detektorok mérései alapján a feketelyuk-kettősök összeolvadó komponensei néhányszor tíz naptömegűek. De ezek mindegyike távoli galaxisokban következett be, ezért a körülményeik az Univerzum jóval korábbi állapotát tükrözik, amikor még kevesebb nehéz elem létezett, így a nagy tömegű csillagok csillagszele is gyengébb volt, mint ma. A 21 naptömegű fekete lyuk azonban “ma” jött létre nehéz elemekben gazdag környezetben, azaz talán lehet esélyünk arra is, hogy az eddigieknél jóval közelebbi összeolvadás által keltett gravitációs hullámokat is detektálhassunk majd. Ez azonban egészen biztosan nem a Cygnus X-1 esetében fog bekövetkezni, mivel egyrészt az egyik komponens még nem is fekete lyuk, másrészt ha az is lenne, a jelenlegi szeparáció alapján az összeolvadás időskálája az Univerzum korával lenne összemérhető.

Tudománytörténeti érdekességként érdemes megemlíteni, hogy a Cygnus X-1 egy híres fogadás tárgya is volt: 1974-ben Stephen Hawking Kip Thorne ellenében arra fogadott, hogy a Cygnus X-1 megfigyelt jellegzetességei nem fekete lyuk jelenlétével magyarázhatók. Hawking az addig összegyűlt megfigyelési adatok hatására 1990-ben kénytelen volt elismerni, hogy veszített, így Kip Thorne egyéves előfizetést nyert a Penthouse magazinra.

Az eredményeket részletező szakcikk a Science magazinban jelent meg 2021. február 18-án.

Forrás:

Hozzászólás

hozzászólás