A ma ismert fekete lyukak alapvetően két nagy csoportba sorolhatók: egyik osztályba az aktív galaxisok központjában található, sok millió naptömegű objektumok, míg a másikba a nagy tömegű csillagokból az életüket lezáró szupernóva-robbanás után létrejövő, körülbelül 10 naptömegnyi fekete lyukak tartoznak. (Az utóbbi időben néhány felfedezés arra utal, hogy létezhetnek a kettő közötti átmenetet képező objektumok is.)
Az M33 X-7 a Hubble Űrteleszkóp felvételén (balra fent), ill. ugyanaz a kép, de rámásolva a Chandra röntgenműhold felvételét (jobbra fent). Az M33 X-7 röntgenképe fedésen kívül (balra lent) és fedés közben (jobbra lent).
(NASA/STScI/SDSU/J. Orosz et al., NASA/CXC/CfA/P. Plucinsky et al.)
A Triangulum-galaxis M33 X-7 katalógusjelű röntgenforrása egy kettős rendszer, másodkomponense egy körülbelül 70 naptömegű óriáscsillag, a főkomponens pedig az új felfedezés, egy majdnem 16 naptömegű fekete lyuk. A keringési periódust a Chandra röntgenműhold méréseiből állapították meg, s az mindössze 3,45 napnak adódott, s így a tagok távolsága is kicsi, a Nap sugarának 42-szerese, azaz körülbelül 30 millió kilométer. A periódus meghatározását a fedés tette lehetővé: a másodkomponens, a röntgenintenzitásban jól mérhető csökkenést okozva, periodikusan elfedi a tagok közötti tömegátadási korong forró foltját. A 3,45 napos periódussal teljesen összhangban van a másodkomponensről a 8,2 méteres északi Gemini teleszkóppal készített 22 színképből származtatott radiálissebesség-görbe, illetve a szintén a Gemini teleszkóppal kimért fénygörbe is. Utóbbin a szoros fedési kettősök fényváltozására jellemző, a másodkomponens árapály erők által eltorzított alakjából származó effektusok is jól láthatók. A rendszerre körülbelül 75 fokos szög alatt látunk rá.
Az M33 X-7 sematikus ábrája. A másodkomponens és a fekete lyuk körüli anyagbefogási korong három pályamenti fázisban látható. A csillag felszínének színezése a hőmérsékletet jelzi, s nem az intenzitást. A méretek érzékeltetésére a Nap-Merkúr távolság is szerepel az ábrán. (J. Orosz et al.)
A J. Orosz vezette kutatócsoport modellszámításokkal a rendszer egyéb paramétereit is meghatározta. Így a másodkomponens hőmérséklete 35000 K körüli, színképtípusa O7III, a kitöltött Roche-térfogatának effektív sugara a Napénak körülbelül 20-szorosa, ugyanez a fekete lyukra 11 napsugár. A másodkomponens becsült kora mindössze 2-3 millió év, s luminozitása háromszor kisebb, mint az a fejlődési modellekből várható.
Az M33 X-7 igazi meglepetése a fekete lyuk nagy tömege, ami számos kérdést vet fel. A hasonló rendszerekben eddig talált fekete lyukak ugyanis mind 10 naptömeg körüliek. Ahhoz, hogy másfélszer nagyobb tömegű objektum jöjjön létre, a fekete lyuk szülőcsillagának a külső rétegeiben lévő anyagot egészen addig meg kellett tartania, míg magjában be nem fejeződik a hélium égése. Másrészről a nagyon kicsi pályaperiódus és szeparáció miatt a rendszer fejlődése során a komponensek valamikor közös burokban kellett hogy legyenek, ugyanis a fekete lyuk szülőcsillaga minden bizonnyal nagyobb volt a tagok mai távolságánál. Ilyen közös burok léte viszont a rendszer jelentős tömegvesztésével jár. Az M33 X-7 esetében tehát a közös burok csak a főkomponens héliumégető fázisának a végén jöhetett volna létre. Ennek két feltétele lenne. Egyrészt az eredetileg anyagot átadó főkomponens tömegének a folyamat megindulásakor legalább 1,2-szer nagyobbnak kell lennie, mint az anyagot befogó kísérőé, másrészt sugarának a héliumégető fázis végén nagyobbnak kell lennie, mint a hidrogénégető fázis végén. Ha a második feltétel nem teljesül, akkor a közös burok a főkomponens héliumégető fázisának befejezése előtt létrejön, így annak "védtelen" magja az erős csillagszél miatt olyan sok anyagot veszít, hogy a következő fejlődési szakaszokban már nem lesz elegendően nagy az észlelt tömegű fekete lyuk létrehozásához.
Fantáziarajz az M33 X-7 kettős rendszerről. A kék óriáscsillagról csillagszél formájában távozó anyag egy része a narancssárgával jelölt tömegbefogási korongon keresztül a fekete lyukra áramlik. A korongnak a másodkomponenssel ellentétes oldalán jól látszanak a csillagszélben általa és a fekete lyuk által okozott zavarok miatti turbulenciák.
(NASA/CXC/M. Weiss)
Ha feltesszük, hogy a mai 2,6 milliomod naptömeg/év tömegvesztési rátájában a fejlődése során nem következtek be drasztikus változások, akkor a másodkomponens összesen 5,2 és 7,8 naptömeg közötti anyagot veszített, így kezdeti tömege közel lehetett a 80 naptömeghez. Ekkor a közösburok-fázis kialakulásához a fekete lyuk szülőcsillagának 96 naptömegűnek kellett volna lennie, ami viszont erősen problematikus. A csillagfejlődési modellek szerint ugyanis minél nagyobb egy csillag kezdeti tömege, annál több anyagot veszít a fejlődése során csillagszél formájában. Még egy extrém nagy, a születésekor 120 naptömegű csillagból sem marad 17 naptömegnél több a héliumégető fázis végére. Másrészt ezen nagy tömegvesztés miatt a csillag sugara a magbeli hélium elégése után kisebb lesz, mint a hidrogén elfogyta után. Ezen okok miatt valószínűtlen, hogy az M33 X-7 esetében a közös burok a főkomponens héliumégető fázisa után alakult volna ki. Úgy tűnik, hogy valamilyen okból a fekete lyuk szülőcsillaga a fejlődési modellek által jósolt tömegnek mindössze tizedét veszítette el a közösburok-fázis előtt. Tovább bonyolítja a képet, hogy modellszámítások szerint ilyen rendszereknél még a közös burok kialakulása esetén is a legvalószínűbb kimenet az összeolvadás. Igaz ugyanakkor, hogy ezen számításokban figyelembe vett legnagyobb csillagtömegek kisebbek, mint a M33 X-7 esetében.
Az eredményeket részletesen ismertető szakcikk a Nature c. folyóirat 2007. október 18-ai számában jelent meg.
Forrás: arXiv:0710.3165v1 [astro-ph], Chandra News Release, 2007.10.17.
