A szomszédos csillag buktatta le a rejtőzködő fekete lyukat

3974

Az Európai Déli Obszervatórium (ESO) csillagászai a Very Large Telescope (VLT) MUSE műszerével egy különlegesen viselkedő csillagot azonosítottak az NGC 3201 katalógusjelű gömbhalmazban. Ez a csillag mintha egy láthatatlan fekete lyuk körül keringene. Ez az első gömbhalmazban talált csillagtömegű, azaz néhány naptömegnyi fekete lyuk, továbbá az első olyan, amit a gravitációs hatásának közvetlen kimutatásával fedeztek fel. A felfedezés nagyban elősegíti a gömbhalmazok és fekete lyukak kialakulásának, valamint a gravitációs hullámok eredetének a megértését.

A gömbhalmazok sok tíz- vagy akár százezernyi csillag hatalmas, gömbszimmetrikus csoportosulásai, amelyek a legtöbb galaxis környezetében megtalálhatóak. A világegyetem legidősebb ismert csillagrendszerei közé tartoznak, és a galaxisok növekedésének, illetve fejlődésének legkorábbi időszakából származnak. A Tejútrendszerben is több mint 150 gömbhalmazt ismerünk.

Ezek egyikét, a déli Vitorla csillagképben látható NGC 3201-et tanulmányozták a csillagászok az ESO chilében működő VLT távcsőrendszerének MUSE műszerével. A nemzetközi kutatócsoport a halmazban egy furcsán viselkedő csillagot talált [1]. A csillag látóirányú sebessége több száz kilométer per másodperccel váltakozik 167 napos periódus szerint [2].

Fantáziarajz az NGC 3201 gömbhalmazban az ESO MUSE műszerével felfedezett csillag-fekete lyuk kettős rendszerről a halmaz csillagokban gazdag háttere előtt. Forrás: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

A kutatást vezető Benjamin Gieserst (Georg-August-Universität Göttingen, Németország) lenyűgözte a csillag viselkedése: „Valami teljesen láthatatlan dolog körül kering, aminek több mint négyszer nagyobb a tömege a Napnál – ez pedig csakis egy fekete lyuk lehet! Ez az első gömbhalmazbeli fekete lyuk, aminek közvetlenül megfigyelhető a gravitációs hatása.”

A fekete lyukak és gömbhalmazok kapcsolata fontos, ám alig ismert kérdés. Nagy tömegük és idős koruk miatt feltételezhető, hogy ezekben a halmazokban életük során rengeteg csillagtömegű fekete lyuk keletkezett, amikor a halmaz legnagyobb tömegű csillagai felrobbantak, magjuk pedig összeomlott [3][4].

Az ESO MUSE műszere egyedülálló módon teszi lehetővé egyszerre több ezer távoli csillag sebességének látóirányú, azaz radiális komponensének a megmérését. Ezzel a műszerrel a csillagászok képesek voltak egy gömbhalmazbeli inaktív fekete lyuk kimutatására is. Ez a fekete lyuk jelenleg nem nyel el behulló anyagot, és nem övezi ragyogóan sugárzó forró akkréciós korong. Az égitest tömege mégis megbecsülhető a rendkívül erős gravitációs terébe befogott kísérő mozgása alapján [5].

A látható csillag megfigyelhető tulajdonságai arra utalnak, hogy annak tömege 0,8 naptömeg, míg a láthatatlan kísérő 4,36-szor nagyobb tömegű a Napnál – majdnem biztos, hogy egy fekete lyuk [6].

A gömbhalmazok rádió- és röntgenforrásainak legutóbbi megfigyelései, valamint a 2016-os év gravitációshullám-észlelései arra engednek következtetni, hogy a gömbhalmazbeli viszonylag kicsi, csillagtömegű fekete lyukak gyakoribbak lehetnek, mint gondoltuk.

„Egészen a legutóbbi időkig azt gondoltuk, hogy a gömbhalmazokból rövid idő alatt eltűnnek a fekete lyukak, és hogy ilyen kettős rendszerek nem is léteznek! Ám nyilvánvalóan nem ez a helyzet. A mostani felfedezésünkkel elsőként mutattuk ki közvetlenül egy gömbhalmazbeli csillagtömegű fekete lyuk gravitációs hatását. Ez a felfedezés segít jobban megérteni a gömbhalmazok keletkezését, valamint a fekete lyukak és a kettőscsillagok fejlődését, és mindez elengedhetetlen a gravitációshullám-források megértéséhez is.” – foglalja össze Giesers.

Jegyzetek:
[1] A felfedezett csillag éppen elhagyja a fősorozatot, fősorozati élete végére ért. Magjában kimerült a legfőbb energiaforrás, a hidrogén, és a csillag lassan vörös óriássá válik.

[2] Jelenleg egy nagy kutatási program keretében a Tejútrendszer 25 gömbhalmazát vizsgálják az ESO MUSE műszerével, és a MUSE konzorcium támogatásával. A felmérés halmazonként 600–27000 csillag spektrumát fogja rögzíteni. A projekt keretében az egyedi csillagok radiális, vagyis látóirányú sebességeit is vizsgálják. Ezeknek a sebességeknek a megmérésével a csillagok pályái és az esetleges kísérő égitestek tulajdonságai is meghatározhatóak.

[3] A gömbhalmazokban a folyamatos csillagkeletkezés hiányában a csillagtömegű fekete lyukak hamar a rendszer legnagyobb tömegű tagjaivá válnak. A csillagtömegű fekete lyukak nagyjából átlagosan négyszer nagyobb tömegűek a környező kis tömegű csillagoknál. Az elméleti számítások szerint ezek a nagy tömegű égitestek a gömbhalmaz közepére süllyedve egy sűrű magot alkotnak, majd teljesen függetlenednek a halmaztól. A központi feketelyuk-halmaz tagjai pedig mozgásuk révén sorra kilökdösik egymást, és évmilliárdok elmúltával csak nagyon kevés marad belőlük a gömbhalmazban.

[4] A csillagtömegű fekete lyukak nagy tömegű csillagok életének legvégén keletkeznek, amikor a csillag hipernóvaként felrobban, a mag pedig saját gravitációja alatt összeroskad. A csillagból csak egy fekete lyuk marad, ami az égitest tömegének a nagy részét tartalmazza, ami néhánytól néhány tíz naptömegig terjedhet.

[5] Mivel a fekete lyukak hatalmas gravitációja a fény kijutását is megakadályozza, így elsősorban a környező forró anyag rádió-, illetve röntgensugárzása alapján mutathatóak ki. Ám amikor a fekete lyuk környezetében – mint jelen esetben is – nincsen elnyelhető gázanyag, olyankor sugárzás sincs. Ilyenkor azt mondjuk, hogy a fekete lyuk inaktív, és az ilyen égitest teljesen láthatatlan. Az inaktív fekete lyukak kimutatásához egyéb módszerek szükségesek.

[6] Mivel ennek a kettős rendszernek az egyik tagja nem észlelhető közvetlenül, így mibenlétére más, bár kevésbé meggyőző alternatív lehetőség is kínálkozik. Lehetséges, hogy a rendszer valójában három tagú, egy nagyon szoros neutroncsillag-kettőssel, és a látható csillag ezek körül kering. Ebben az esetben a szoros rendszer mindkét neutroncsillagának legalább két naptömegűnek kellene lennie, és ilyen kettős rendszert még sosem láttak a csillagászok.

Forrás: ESO

Kapcsolódó linkek:
A szakcikk angol nyelven (pdf)
További információ a VLT MUSE műszeréről
Fotók a VLT-ről

Hozzászólás

hozzászólás