Közepes tömegű fekete lyukat fedeztek fel a Tejútrendszerben

3134

Egy főleg kínai csillagászokból álló kutatócsoport egy galaktikus kettős rendszer közel két éven át tartó megfigyelése alapján megállapította, hogy annak egyik komponense csak fekete lyuk lehet, a tömegére kapott kb. 70 naptömegnyi érték magyarázata azonban egyelőre komoly kihívást jelent.

A fekete lyukaknak két típusa ismert. Az egyik csoportot a galaxisok középpontjait uraló ún. szupernagy tömegű fekete lyukak alkotják, amelyek a sok millió vagy milliárd naptömeget is elérik, míg a másik csoportba az ún. csillagtömegű fekete lyukak tartoznak, amelyek nagy tömegű csillagok szupernóva-robbanásai után maradnak vissza, így tömegük a nagy testvérekénél jóval kisebb, jellemzően legfeljebb egy-két tucat naptömeg. Az összes eddig azonosított csillagtömegű fekete lyukat kettős rendszerekben találták, mégpedig a kísérőről átáramló anyag röntgensugárzása alapján. Ezek mindegyike 30 naptömeg alatti. Az elméletek szerint azonban a röntgensugárzó csillag-fekete lyuk kettősök a populáció kisebbik részét adják csak. Ha a társcsillagról a fekete lyukra nem áramlik megfelelő mennyiségű anyag, akkor a fekete lyuk csak a kísérő radiálissebesség-változása alapján detektálható.

A Jifeng Liu (Key Laboratory of Optical Astronomy, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China) által vezetett népes kutatócsoport az LB-1 jelű, B színképtípusú csillagot figyelte két éven keresztül, és a radiálissebesség-görbékből, illetve a hidrogén emisszióban jelentkező Hα Balmer-vonalának tulajdonságaiból arra a következtetésre jutottak, hogy a csillagnak egy sötét kísérője van, amelynek tömege 68 naptömeg, 11-13 naptömegnyi bizonytalansággal. Egy ekkora tömegű objektum csak fekete lyuk lehet, a 78,9 napos, hosszú keringési periódus pedig azt jelzi, hogy tág rendszerről van szó. Érdekes, hogy az elmúlt években detektált gravitációs hullámok egy részét is hasonló tömegű, kettős rendszerekben keringő fekete lyukak összeolvadásának tulajdonítják, amelyek első példái lehetnek az ún. közepes tömegű fekete lyukaknak, a csillagtömegű és a szupernagy tömegű fekete lyukak közötti tartományt kitöltő, már régebb óta sejtett csoportnak. A jelenlegi csillagkeletkezési elméletek számára azonban hatalmas kihívást jelent egy ilyen objektum létrejöttének magyarázata abban a fémgazdag környezetben, ahol az LB-1 is található. (A csillagászati terminológiában a hidrogénen és a héliumon kívül minden egyéb elemet fémnek nevezünk.)

A kutatók a radiálissebesség-mérések nagy részét a LAMOST (Large Aperture Multi-Object Spectroscopic Telescope) távcsővel végezték: 2016-tól kezdődően közel háromezer, 14 magnitúdónál fényesebb csillagot mértek a Kepler K2-0 mezőben, mindegyiket 26 alkalommal. A színképi megfigyelések alapján a Galaxis centrumával nagyjából ellentétes irányban található, 11,5 magnitúdó fényességű LB-1 abszorpciós vonalai periodikus radiálissebesség-változást mutatnak, de emellett kisebb amplitúdóval megfigyelhető volt a Hα emissziós vonal ellentétes fázisú változása is. Ezeket a mérési eredményeket a 2017 decembere és 2018 áprilisa között a Keck és a kanári-szigeteki GTC teleszkópokkal végzett megfigyelések (7, illetve 21 mérés) is megerősítették. A színképi tulajdonságokból modellszámításokkal meghatározták, hogy a B csillag tömege kb. 8 naptömeg, míg sugara a Napénak kilencszerese, kora pedig 30-40 millió év. Az általa kibocsátott energia hullámhossz szerinti eloszlásából (SED) az irányában tapasztalható csillagközi vörösödésre, illetve a távolságára is becslés adható, ez utóbbi kb. 5 százalékos hibával 4,2 kiloparszeknek (nagyjából 14 ezer fényév) adódott.

Az LB-1 színképei. a) Feketével a LAMOST-spektrum, pirossal és zölddel pedig egy A1 és egy B3 színképtípusú csillag szintetikus spektruma, a jobb láthatóság kedvéért függőlegesen eltolva. b) Feketével a Keck-spektrum, zölddel a legjobban illeszkedő modellszínkép, kékkel pedig egy B színképtípusú szubtörpe szintetikus spektruma a spektrumkönyvtárban hozzáférhető legnagyobb felszíni nehézségi gyorsulással (log g). c) A Hα, a HeI 4471 és az intersztelláris NaI vonal sebességprofiljának változása a 78,9 nap periódussal számolt Φ keringési fázis függvényében (kék: LAMOST, piros: GTC, zöld: Keck). A szaggatott vonalak a szemnek szánt segítségek. Jól látszik a héliumvonal radiális sebességének periodikus változása, illetve az, hogy ezen a skálán a Hα változásának sokkal kisebb amplitúdója is egyenesnek tűnik. Az intersztelláris nátriumvonalak sebessége a várakozásoknak megfelelően konstans. (Liu és mtsai, 2019)

A radiálissebesség-görbe elemzéséből a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy az LB-1 kettős rendszer tagja, amelynek keringési periódusa 78,9 nap, a pálya pedig közel kör alakú. A sebességamplitúdóból a sötét kísérő tömege 1,2 naptömegnél biztosan nagyobb, a tényleges érték a pályasík látóirányunkkal bezárt szögétől függ. Mivel a B csillag tömege a modellszámításokból már ismert, kiszámítható, hogy a sötét objektum 6 naptömegnél valamivel nagyobb, ha a pályasík éppen a látóirányunkra illeszkedik, azaz a pályahajlás 90°. Mivel egy 6 naptömegű fősorozati csillag csak 4-6-szor lenne halványabb a B csillagnál, színképvonalai a Keck-spektrumokban könnyen azonosíthatók lettek volna, így az objektum csak fekete lyuk lehet. Alacsonyabb pályahajlásokat feltételezve természetesen nagyobb tömegek adódnak, i=10° esetén például 250 naptömeg. A kettős komponenseinek a 6 és 250 naptömeg szélsőértékeknek megfelelő szeparációi 0,9 és 2,3 csillagászati egység, ezek pedig nagyobbak a fekete lyukat tartalmazó galaktikus kettősök esetében eddig mért értékeknél.

Megfigyelési és elméleti megfontolások alapján a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a színképekben megfigyelhető Hα emisszió csak a fekete lyuk körüli gázkorongból származhat, sem a B komponens körüli burok, sem a teljes kettőst övező közös burok feltételezésével nem magyarázhatók a megfigyelt paraméterek. A Hα vonalból meghatározott radiális sebességek ellentétes fázisban változnak a B csillag sebességével, így a görbe amplitúdójából a fekete lyuk tömege közvetlenül is meghatározható, az eredmény pedig a már említett 68 naptömeg. Az ennek megfelelő pályahajlás 15-18°, ami teljes mértékben összhangban áll a Hα emissziós vonal borosüveg alakú profiljával is.

Bal oldalon az LB-1 látható és sötét komponensének radiális sebességei a keringési fázis függvényében (kék: LAMOST, piros: GTC, zöld: Keck), a sötét komponens esetében a Hα vonal alapján. A bíborszínű és a narancssárga görbék a legjobban illeszkedő modellek. Jobb oldalon a Hα vonal jellemző profilja látható a nagy felbontású Keck-színképek alapján. A borosüveg alakú vonalprofil egy közel pólusának irányából látszó korongban bekövetkező szórás eredményeként alakul ki. (Liu és mtsai, 2019)

Több tíz naptömegű fekete lyukak létezésére már a LIGO/Virgo gravitációshullám-detektálások eredményei is utaltak, de ezek ez értékek minden eddig ismert galaktikus csillag-fekete lyuk kettős megfelelő értékeinél nagyobbak. Az LB-1 70 naptömegnyi fekete lyukának felfedezése erősítheti meg azt, hogy a Tejútrendszerben is léteznek ilyenek. A nagy csillagtömegű fekete lyukak keletkezését azonban fémszegény környezetben várjuk, míg az LB-1 B színképtípusú komponensének fémessége (fémtartalma) a Napéhoz hasonló. Ennek magyarázata pedig komoly kihívás elé állítja a jelenlegi csillagfejlődési elméleteket. Az LB-1 fekete lyuka valószínűleg nem egyetlen nagy tömegű csillag kollapszusa során született. Egyik lehetséges magyarázat az, hogy az LB-1 valójában hármas rendszer volt, amelynek a B típusú csillag volt a legkülső, legkisebb tömegű komponense, míg a fekete lyuk a belső két komponensből jött létre, mégpedig úgy, hogy a közös burokban zajló fejlődés végén egy “közönséges” csillagtömegű fekete lyuk olvadt egy 60 naptömegnél nagyobb csillag magjába, majd az így létrejött fekete lyuk a csillag külső részeit is elnyelte. Egy másik lehetőség, hogy a sötét tömeg valójában két fekete lyuk szoros párosa, amelyek egyedi tömegértékei csak 35 naptömeg körüliek, így kialakulásuk már könnyebben magyarázható. Ebben az esetben az objektum segítségével a hármas rendszerekben létrejövő feketelyuk-kettősök kialakulását tanulmányozhatnánk.

Egy csillagból és egy fekete lyukból álló LB-1 kettős rendszer fantáziarajza. (Yu Jingchuan/Beijing Planetarium)

Ezen forgatókönyvek realitása persze nagyban függ attól, hogy a B színképtípusú komponens tömege tényleg 8 naptömeg körüli-e, de a kutatók szerint mindent egybevetve ez a legvalószínűbb érték. A pálya kicsi excentricitása miatt az sem valószínű, hogy a B típusú csillagot egy kis fémességű csillagból létrejött fekete lyuk, vagy egy feketelyuk-kettős fogta volna be, mivel egy ilyen esemény először nagy excentricitású pályát eredményezne, amelynek árapályerők miatti “körösödése” csak nagyon-nagyon hosszú idő (karakterisztikusan tízmilliárd év) alatt következne be, ami nagyságrendekkel hosszabb, mint a rendszer becsült kora.

A kutatók a Chandra röntgenobszervatóriummal is megvizsgálták az LB-1-et, és valóban nem tapasztaltak jelentős röntgenemissziót az irányából: a mért fluxus nagyon kicsi akkréciós rátának felel meg, ami jól magyarázható a B csillagról kiáramló csillagszél befogásával. Az LB-1 esete azt példázza, hogy a röntgenben éppen csendes csillag-fekete lyuk kettősök felfedezésének jó módszere a radiális sebességek monitorozása, ezekre a jövőben érdemes hosszabb kampányokat szervezni.

Forrás:  arXiv:1911.11989

Hozzászólás

hozzászólás