Magyar csillagászok egy összeolvadás előtt álló hatalmas kettős fekete lyuk nyomában

6445

Tényleg két hatalmas fekete lyuk összeolvadás előtti táncára utalnak a jelek egy különös rendszerben?

Ez a kérdés a J1918+4937 jelű kvazárral, egy távoli aktív galaxismaggal kapcsolatban merült fel. A több millió vagy milliárd naptömeggel egyenértékű ún. szupernagy tömegű fekete lyukak lényegében minden valamire való galaxis magjában megtalálhatók. Ha pedig a környezetükből anyagot fognak be, akkor a közelükben felforrósodó, korong alakba rendeződő anyagnak a sugárzása révén meg is figyelhetők, akár óriási távolságokból. A J1918+4937 általunk most felfogott sugárzása például majdnem 7 és félmilliárd éven át utazott felénk, ami valamivel több, mint a világegyetem jelenlegi korának a fele.

A galaxisok fejlődésük során közel kerülhetnek egymáshoz, sőt egyesülhetnek, és idővel ez a sors várhat a bennük levő központi fekete lyukakra is. Ezt a jelenséget azonban nem is olyan könnyű a gyakorlatban megfigyelni, hiszen távcsöveink felbontása általában nem eléggé finom ahhoz, hogy megkülönböztessük a páros tagjait. Így a megfigyelő csillagászoknak közvetett módszerekre kell hagyatkozniuk. Ugyanakkor fontos lenne minél többet megtudni arról, hogyan zajlanak le a feketelyuk-összeolvadások, egyáltalán mennyire lehet gyakori ez a jelenség. Ezzel egyrészt közelebb kerülnénk a galaxisfejlődés titkainak megértéséhez, másrészt pontosabban meg tudnánk jósolni, hogy a közeljövő gravitációshullám-detektoraival milyen jelekre számíthatunk.

Egymás körül keringő, hamarosan összeolvadó szupernagy tömegű fekete lyukak fantáziarajzon (NASA)

A J1918+4937 kvazárt az teszi igazán izgalmassá, hogy fényében különleges, gyors és nagymértékű változást fedeztek fel a Kepler-űrtávcsővel. Mint jól ismert, a Keplert eredetileg a Tejútrendszerben előforduló exobolygók kutatására készítették. Igen pontos és gyakori fényességmérései révén valóban ezerszám fedezték fel vele a tőlünk nézve a csillaguk előtt elvonulni látszó, annak fényét egy picit kitakaró bolygókat. Az űrtávcsővel azonban másféle égitesteket is megfigyeltek, köztük néhány épp „jó irányban” látszó aktív galaxismagot. Ezek egyike volt a J1918+4937, amely egy furcsa, közel szimmetrikus lefutású, csupán kb. három hétig tartó nagy felfényesedést, majd elhalványodást produkált.

A J1918+4937 kvazár, alias KIC 11606854, becenevén Spikey (avagy Tüskés) gyors optikai felfényesedésének görbéje a Kepler-űrtávcső 2011-es adatai alapján. A vízszintes tengelyen a kvazárral együtt mozgó rendszerben eltelt idő látható napokban mérve (K. L. Smith és mtsai, 2018)

A közelmúltban Betty Hu és az Egyesült Államokban dolgozó szerzőtársai (köztük Haiman Zoltán, Columbia Egyetem, New York) izgalmas elképzeléssel álltak elő, amellyel pontosan magyarázni lehet a kvazár fénygörbéjében megfigyelt változást. Modelljük szerint két, egymáshoz már igen közel keringő aktív fekete lyukról van szó. Kombinált fényük alakulását pedig alapvetően két jelenség határozza meg. Az egyik a relativisztikus Doppler-hatás. Pályájukon a rendszer komponensei hol nagy sebességgel közelednek épp felénk – ilyenkor felerősödni látjuk a sugárzásukat –, hol pedig távolodnak. Ez utóbbi esetben némileg elhalványodnak. A hirtelen, tüskeszerű felfényesedést pedig a gravitációs lencsehatás okozza. Ilyenkor az egyik (a kettő közül a nagyobb tömegű) fekete lyuk tőlünk nézve elvonul a másik, távolabbi társa előtt, amelynek a fényét a lencsézés felerősíti. A fénygörbe modellezésével meglehetős pontossággal meg tudták határozni a feltételezett kettős paramétereit. Eszerint a pályasíkjuk mindössze 8 fokos szöget zár be a mi látóirányunkkal. Valójában ez a speciális térbeli elhelyezkedés teszi lehetővé, hogy a gravitációs lencsehatást egyáltalán megfigyelhessük. A fekete lyukak egyike 5 millió, másika 25 millió naptömegű, elliptikus pályájuk pedig eléggé lapult. Keringési periódusuk a kvazár rendszerében 418 nap. (Mi ezt itt a Földön majdnem kétszer olyan lassúnak látjuk, mivel az univerzum tágulása miatt az időintervallumok „megnyúlnak”.) Ha minden igaz, a két fekete lyuk 100 ezer év múlva összeolvad. Ez emberi léptékkel soknak tűnhet ugyan, a világegyetem történetében azonban egy szempillantásnyi idő.

De nem kell ilyen hosszú ideig várakozni, hogy a modell jóslatait ellenőrizhessük. Hiszen az egymás körül keringő kettős fekete lyukak mozgása kiszámítható, s így előre jelezhető, mikor lesz a következő keskeny, a gravitációs lencsehatásnak betudható csúcs a fénygörbében. A számítások szerint legutóbb valamikor idén tavasszal lehetett, de a számolások bizonytalansága néhány hónapos. A Kepler-űrtávcső sajnos már nem működik, ilyen hosszú észlelési programot megszervezni amúgy is szinte lehetetlen, a jó előre megtervezett földi távcsöves megfigyelési kampány végrehajtása szempontjából pedig rosszkor érkezhetett a koronavírus-világjárvány is.

A Spikey fénygörbéjén a Kepler mérései feketével, a modellezésből kapott előrejelzés kékkel látható. Az időtengelyen felül a 2010 közepe óta eltelt évek olvashatók le. Ahogy telik az idő, úgy lesznek egyre bizonytalanabbak az előrejelzések, erre utalnak a zöld árnyalataival rajzolt, egyre inkább széttartó görbék. A legvalószínűbb forgatókönyv szerint 2020 áprilisában lehetett egy éles csúcs, ha pedig ezt elmulasztottuk volna megfigyelni, a következő 2022 júliusa körül várható (B. X. Hu és mtsai, 2020)

A J1918+4937 kvazár további különlegessége, hogy erős rádióforrás. A kvazárok alig egytizedét tudjuk detektálni rádiótávcsöveinkkel, ezeknél az anyagbefogási korongra merőlegesen a fényéhez közeli sebességre felgyorsított, elektromosan töltött részecskék nyalábja hagyja el a fekete lyuk környezetét. A plazmakilövellés az erős mágneses térben szinkrotronsugárzást bocsát ki, ezt érzékeljük itt a Földön. A Kun Emma (CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagázati Intézet) vezette magyar kutatócsoport rátalált azokra az archív adatokra, amelyeket még 2008-ban gyűjtöttek az amerikai Very Long Baseline Array (VLBA) rádióteleszkóp-hálózattal. Az egymástól akár több ezer km távolságban együtt dolgozó rádiótávcsövek rendszerével, az ún. interferométeres (VLBI) technikával olyan finom felbontást lehet elérni, mintha a Földéhez hasonló méretű hatalmas rádiótávcsövünk volna. Az eredeti kutatási programban a J1918+4937 méréseit csupán kalibrációs célra alkalmazták, utólag viszont az adatok feldolgozásával kiderült, hogy mennyire érdekesek!

A Spikey rádiónyalábjának finomszerkezete a VLBA mérések alapján, 1,7 GHz frekvencián (balra), és még jobb felbontással, 5 GHz frekvencián (jobbra). A rektaszcenzió és deklináció méretskálája az ívmásodperc ezredrészében (mas) értendő, 50 mas szögméret a kvazár távolságában kb. 1300 fényévnek felel meg az égbolt síkjára vetítve. (Kun E. és mtsai, 2020)

A kettős tagjai annyira közel vannak egymáshoz, hogy még ezzel a módszerrel sem lehetséges felbontani őket. Viszont a J1918+4937 plazmanyalábja alig észrevehető, de az interferométeres mérési adatok modellezésével egyértelműen igazolható „hullámos” alakot ölt. Ha a megfigyelt jelenséget úgy értelmezzük, hogy a nyaláb az egyik fekete lyuk környezetéből indul ki, a másik, hozzá közel keringő szupernagy tömegű fekete lyuk pedig a tengelyét „rángatja”, akkor meg tudjuk állapítani, hogy a látott rádiószerkezet összhangban van-e a Kepler-fénygörbe alapján felállított kettős fekete lyuk modellel. A rövid – és egyúttal izgalmas – válasz az, hogy igen! Ehhez persze fel kellett állítani a rendszer matematikai modelljét, méghozzá úgy, hogy az az erősen elnyúlt pályát is kezelni tudja. Korábban ugyanis a hasonló számításokat az egyszerűség kedvéért, és persze ellenkező információ hiányában mindig körpályákra végezték.

Meglehetősen összetett magyarázó ábra az elliptikus pályán keringő kettős fekete lyuk modelljéhez, ahol a rendszer egyik tagjából relativisztikus plazmanyaláb indul (Kun E. és mtsai, 2020)

De a rádióadatok modellezéséből több is kijött, mint a Spikey rendszer feltételezett tulajdonságainak független megerősítése. Ha tényleg az a helyzet, aminek látszik, akkor úgy fest, hogy a plazmanyalábot a kettős kisebbik, kb. 5 millió naptömegnyi tagja lövelli ki, és a nyaláb látóirányunkkal bezárt szögére is következtethetünk az adatokból. Ráadásul a rádióforrás fényességének évtizedes időskálán tapasztalt csökkenő trendjére is magyarázattal szolgál a modell: a nyaláb a tengelyének precessziós mozgása következtében lassan, de biztosan kifordul a látóirány közeléből. Így a rádiósugárzásának relativisztikus Doppler-erősítése egyre kevésbé hatékony, a kvazár halványodni látszik.

Remélhetőleg előbb vagy utóbb bebizonyosodik, hogy a J1918+4937 jelű kvazár tényleg egy szoros kettős fekete lyuknak ad otthont. Akár így lesz, akár nem, később várhatóan több hasonló rendszert is sikerül majd találni. Leírásukra pedig most elkészültek a megfelelő modellek.

A Spikey érdekes és eddig egyedi tulajdonságairól beszámoló tanulmányok nemrég a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society című folyóiratban jelentek meg, szövegüknek szabadon hozzáférhető változata is elérhető. A hazai kutatómunkát az MTA Prémium posztdoktori kutatói program (K.E.), valamint az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíj és az Információs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-19-1 kódszámú Új Nemzeti Kiválósági Programja (G.K.É.) támogatta.

Forrás:

Kapcsolódó cikkek:

Hozzászólás

hozzászólás