Az ESA XMM-Newton röntgenteleszkópjának méréseit egy új módszerrel elemezve újabb bizonyítékot találtak az eddig vitatott, ún. közepes tömegű
fekete lyukak (IMBH, Intermediate Mass Black Hole) létezésére.
Az eljárást 1998-ban L. Titarchuk, a NASA Goddard Space Flight
Center (GSFC) kutatóközpontjának munkatársa javasolta, s első alkalmazásként kollégájával,
N. Shaposhnikovval (szintén GSFC) meghatározta a tőlünk mintegy 10
ezer fényévre a Hattyú csillagképben található Cygnus X-1 katalógusjelű
fekete lyuk tömegét. A számítások alapján a kettős rendszerben található objektum tömege 8,7 naptömegnek adódott, kb. 10%-os bizonytalansággal. A kettőscsillag másik komponense egyébként egy kék szuperóriás csillag, míg rendszerük azért is érdekes, mert ez volt az elsőként felfedezett, röntgensugárzása alapján már az 1970-es évek elején is fekete lyukat tartalmazónak tekintett égitest. Független módszerekkel mások korábban 10 naptömegnyire hozták ki a Cyg X-1 röntgensugárzását generáló objektum tömegét, ami azért jó, mert jelzi Titarchuk és Shaposhnikov módszerének alkalmazhatóságát – ez aztán olyan esetekben is jól jöhet, amikor az
egyéb módszerek nem működnek.
Az előbbi kutatóktól függetlenül a GSFC egy másik csoportja T.
Strohmayer és R. Mushotzky vezetésével a Titarchuk-módszert alkalmazta
az XMM-Newton teleszkóppal gyűjtött adatokra, s ez alapján egy közepes
tömegű fekete lyukra bukkant. Eredményeik szerint a közeli NGC 5408
katalógusjelű galaxisban az egyik ultrafényes röntgenforrás (ULX, Ultra
Luminous X-ray) valójában egy körülbelül 2000 naptömegű fekete lyuk, s
így ma a legjobb példa az IMBH-k létezésére.
A kérdés elméleti szempontból azért érdekes, mert nincs
általánosan elfogadott mechanizmus a közepes tömegű fekete
lyukak keletkezésére. Létezésük ugyanakkor "kívánatos" lenne, mert
kitöltenék a Cygnus X-1-hez hasonló, nagytömegű csillagok
összeomlásakor keletkező 5-20 naptömegnyi és a galaxisok centrumában
található óriási, akár 1 milliárd naptömeget is elérő fekete lyukak közötti űrt.
A fekete lyuk tömegének becslésére szolgáló Titarchuk-féle
módszer a fekete lyuk és az azt körülvevő anyagbefogási (akkréciós)
korong közötti kapcsolatot használja ki. A korongban lévő gáz nem
egyenes vonalú, hanem spirális pályán halad a fekete lyuk felé, aminek oka az
egyik legáltalánosabb természeti törvény, az impulzusnyomaték
megmaradása. Ha a fekete lyuk anyagbefogási rátája túlságosan megnő,
akkor a fekete lyuk közelében az anyag egy forró területen feltorlódik.
Az ilyen típusú feketelyuk-jelöltek egyébként elsősorban ezen forró foltok
intenzív röntgensugárzása alapján azonosíthatók.
A forró
területek azért alkalmazhatók a központi tömeg becslésére, mert mint azt Titarchukék kimutatták, egyenes arányosság áll fenn a torlódási területek
fekete lyuktól mért távolsága (s így keringési periódusa) és a fekete
lyuk tömege között: minél nagyobb a centrum tömege, annál messzebb alakulnak ki a röntgensugárzó forró foltok, azaz annál hosszabb lesz a keringési periódusuk. A modellben az anyagbefogási ráta változása a
feltorlódó forró gáz röntgensugárzásának intenzitásában bekövetkező
majdnem periodikus változások (QPO, Quasi-Periodic Oscillations)
formájában jelentkezik, ami nagyon sok fekete lyukat tartalmazó
rendszernél megfigyelhető. Ezen oszcillációkhoz ugyanakkor a rendszer
spektrumában bekövetkező, viszonylag egyszerű és könnyen előrejelezhető
változások is kapcsolódnak, aminek oka a beáramló gáz hőmérsékletében
a tömegátadás sebességének változása miatt bekövetkező emelkedés, illetve
csökkenés. A NASA Rossi röntgenteleszkópjának (RXTE, Rossi X-ray Timing
Explorer) mérései alapján szoros összefüggés van a QPO-k frekvenciája
és a röntgenspektrum között, ami jelzés arra, hogy a fekete lyuk milyen
hatásfokkal bocsát ki röntgensugárzást.
Shaposhnikov és Titarchuk az RXTE segítségével a módszert egy 3 naptömegű fekete lyukra alkalmazta a Tejútrendszerben, s azt
találták, hogy ez a tömegmérési eljárás nagyon jól használható más,
konkurens módszerekkel összehasonlítva. Strohmayer és Mushotzky
munkacsoportja az XMM-Newton mérései alapján két QPO-t azonosított a
Centaurus csillagképben 16 millió fényévre található NGC
5408 jelzésű galaxis legfényesebb
röntgenforrása, az NGC 5408 X-1 sugárzásában. A detektált QPO frekvenciák,
valamint a forrás luminozitása és spektrális jellemzői mind azt
sugallják, hogy itt egy közepes tömegű fekete lyuk hatását figyelhetjük
meg. Mivel másik két független tömegmeghatározási módszer is egy kettes
faktoron belül hasonló eredményt ad, ezért a kutatók úgy gondolják,
hogy valóban a közbülső tömegtartományba eső fekete lyukak egy példányát találták meg. Az esetleges
bizonytalanságot talán csak az jelzi, hogy az egyik társszerző az NGC
5408 X-1 tömegét inkább 100 naptömeghez közelinek becsüli.
A két kutatócsoport eredményei két cikkben fognak megjelenni az Astrophysical Journal c. szakfolyóiratban.
Forrás: ESA News, 2007. május 16.