A távoli galaxisok lenyűgöző objektumai, a kvazárok létrejöttéhez sok idő kell – nem tűnnek fel egy éjszaka leforgása alatt az égbolton. Ezért olyan rejtélyesek a fiatal kvazárok. Nem tudjuk, hogyan sikerült ezeknek az aktív galaxisoknak hamar szert tenniük egy több mint egymilliárd naptömegű fekete lyukra.
Kvazárnak hívjuk a távoli galaxisok közepén lévő szupernagy tömegű fekete lyukat és az azt körülvevő akkréciós korongot, amely nagy energiát bocsát ki a látóirányunkban. Feige Wang (University of Arizona) és munkatársai nemrég rekorder kvazárt fedeztek fel: az 1,6 milliárd naptömegű fekete lyuk fénye az Ősrobbanás után csupán 670 millió évvel indult el felénk. (Vagyis egy z=7,64-es vöröseltolódású objektum.) Ez az az időszak, amikor az első csillagok kigyulladtak. A világjárvány kitörése előtt a chilei Magellan-teleszkóppal gyűjtött adatok elemzéséből született szakcikk az Astrophysical Journal Letters című szaklapban jelent meg.
A három legtávolabbi kvazárt az elmúlt három évben fedezték fel. A most megfigyelt J0313–1806 jelű égitest csupán nagyjából 20 millió fényévvel van távolabb, mint a korábbi rekorder. A tömege viszont kétszerese annak, és az óriási méret arra késztet bennünket, hogy elgondolkodjunk, vajon hogyan jöhetnek létre ilyen gyorsan ezek a lenyűgöző struktúrák.
A szupernagy tömegű fekete lyukak kialakulásával kapcsolatban két elmélet viaskodik egymással. Az egyik szerint a fekete lyukak csillagokból jönnek létre: nagyon nagy tömegű csillagokból, vagy különleges körülmények között. A csillagok első generációja, az úgynevezett III. populációs csillagok valószínűleg sokkal nagyobb tömeggel rendelkeztek, mint a későbbi generációk tagjai: átlagosan több száz naptömeggel. Gyorsan elégették a fűtőanyagukat, és fiatalon haltak meg, ezért válhatott belőlük szupernagy tömegű fekete lyuk. A sűrű csillaghalmazok felgyorsíthatták a növekedésüket.
A másik elmélet szerint nem csillagok, hanem hűvös gázfelhők összeomlása hozhatta létre a szupernagy tömegű fekete lyukakat. Ez ma nem lehetséges, de úgy gondolják, hogy a zsúfolt korai Világegyetemben előfordulhatott.
A most felfedezett rekorder kvazár eldöntheti a kérdést. Még ha a fekete lyuk a teljes idő alatt a legnagyobb rátával gyarapodott is, a kutatók szerint akkor is hatalmasnak, úgy 10 ezer naptömegűnek kellett lennie ahhoz, hogy az észleléskor 1,6 milliárd naptömegű lehessen. Wang és munkatársai szerint ezért nem jöhetett létre nagy tömegű csillagból vagy csillaghalmazból.
„Ezt a fekete lyukat egy másik folyamatnak kellett létrehoznia.” – mondja Xiaohui Fan (University of Arizona), a kutatócsoport tagja, aki ismertette az eredményeket az Amerikai Csillagászati Társaság (American Astronomical Society) 237. találkozóján. „Ebben az esetben olyan folyamatról lehet szó, amelyben egy fekete lyuk kezdeménye hatalmas mennyiségű ősi, hűvös hidrogéngázt nyelt el.”
Az ábra felső sorában egyre nagyobb hullámhosszokon látszik a kvazár, az alatta lévő spektrumon pedig egy mintakvazár spektrumához (kék vonal) hasonlítva látjuk, hogy mennyi sugárzást bocsát ki a vizsgált kvazár az egyes hullámhosszokon. A legnagyobb hullámhosszokon kibocsátott sugárzást majdnem teljesen elnyeli az objektum és a Föld között elhelyezkedő hidrogéngáz. Ez egy olyan egyértelmű jel, amely a csillagászokat a távoli kvazárok keresésében segíti. (Forrás: Wang et al. / Astrophysical Journal Letters)
„Úgy gondolom, hogy a 7-nél nagyobb vöröseltolódásnál tapasztalt nagy tömegek arra utalnak, hogy a III. populációból jöttek létre.” – mondja Mitch Begelman (University of Colorado). „Még akkor is, ha egy 10 ezer naptömegű objektum összeomlásáról beszélünk, a fekete lyuknak a legnagyobb rátával kellett növekednie teljes idő alatt.” – teszi hozzá a kutató, aki ugyanakkor az úgynevezett maximum feletti növekedést sem zárja ki.
A maximum növekedési ráta annak köszönhető, hogy a fekete lyukak annyit esznek, amennyit csak bírnak, de van egy pont, ahol már több morzsa hullik ki a szájukból, mint amennyit benyelnek. Begelman és más kutatók úgy gondolják, hogy megfelelő körülmények között a fekete lyukak a maximálisnál is nagyobb tempóban táplálkozhatnak. Ez azt jelenti, hogy nem kell mindig a lehető leggyorsabban táplálkozniuk: az is lehet, hogy extrém sebességgel gyarapodnak, de csak időszakosan.
„Az a gond, hogy az eddig megfigyelt összes kvazár az észlelés időpontjában a határ alatt maradt.” – jegyzi meg Fan. A J0313–1806 például éppen a maximális rátával növekszik, évente 25 Napnak megfelelő tömeggel gyarapodva. Az is lehet, hogy a fekete lyukak korábban sokkal nagyobb sebességgel táplálkoztak.
A rejtélyt csak az oldhatja meg, ha még távolabb kutakodunk. Begelman azonban arra figyelmeztet, hogy óvatosnak kell lennünk. „A hipergyorsan táplálkozó fekete lyukak lehet, hogy nem kvazárnak látszanak.” – mondja, megjegyezve, hogy ezeket az objektumokat sűrű por veheti körül.
A J0313–1806 jelű kvazár központjában lévő fekete lyuk, amellett, hogy a legtávolabbi ismert kvazárt fűti, egy forró gázból álló szelet is táplál, amely a fénysebesség 20%-ával áramlik kifelé. Az ehhez hasonló kiáramlások a korai Világegyetemben gyakoriak lehettek, amikor még nem csak a fekete lyukak, de azok galaxisai is hatalmas ütemben növekedtek.
Az azonban még vita tárgya, hogy a kiáramlások mennyiben befolyásolják a galaxisok fejlődését. A chilei ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) antennarendszerrel végzett megfigyelések szerint a kvazár galaxisa 200 naptömegnyi új csillagot hoz létre évente. Egy galaxist átszelő gázkiáramlás ezt teljesen leállíthatja. Így azonban csak egy hatalmas, halott galaxis marad hátra, ahol ritkaságszámba mennek az új csillagok, és amelynek központjában a gigantikus fekete lyuk trónol.
Forrás: Sky & Telescope
