Rejtélyes röntgenjelek egy távoli kvazár környezetéből

5494

A korai Univerzumban, az Ősrobbanást követő legfeljebb egy-két milliárd évben megfigyelhető aktív galaxismagok (pl. kvazárok, rádiógalaxisok, blazárok) kialakulásának és pontos tulajdonságainak megismerése napjaink csillagászatának egyik legdinamikusabban kutatott témája. Ezek a galaxisok középpontjaiban található, akár milliárd naptömegnyi szupernagy tömegű fekete lyukak a környezetükből történő jelentős anyagbegyűjtésük eredményeképpen nagy teljesítményű sugárzást bocsátanak ki, az elektromágneses színkép szinte minden tartományában. Ahhoz, hogy ezen objektumok fizikai és empirikus tulajdonságait minél nagyobb részletességgel megismerjük, elengedhetetlen, hogy minél többet vizsgáljunk meg közülük, lehetőleg többféle hullámsávban és eltérő méretskálákon.

A J0909+0354 jelű távoli rádió- és röntgenkvazár ezer-tízezer fényéves léptékű (az égen ívmásodperces szögskálán kiterjedt) sugárzását számos égboltfelmérés keretében megfigyelték. Az aktív galaxismag az általunk most detektált fotonokat több mint 11,5 milliárd évvel ezelőtt bocsátotta ki. (Összehasonlításul: a Világegyetem kora nem egészen 14 milliárd év.) Az Egyesült Államokban épített Very Large Array (VLA) rádiótávcső-hálózat kb. fél szögmásodperc felbontású, az 1,5, 6,2 és 8,5 GHz frekvenciákon elvégzett interferométeres mérései felfedték, hogy a kvazár szerkezetében két, jól elkülönülő komponens azonosítható.

A VLA egy Y alakban elhelyezett, 27 antennából álló interferométeres hálózat Új-Mexikó államban (Forrás: NRAO / AUI / NSF)

Az elképzelés szerint mindkét komponens a szupernagy tömegű fekete lyuk anyagbegyűjtése következtében jött létre. A fekete lyuk körül örvénylő anyagbefogási korongra merőlegesen kibocsátott anyagnyalábpár azonos oldali tagjához kapcsolódik: egyik (a fényesebb mag) a fekete lyuk közvetlen környezetében kibocsátott, relativisztikus sebességgel kiáramló plazmanyaláb, a másik (az északnyugati komponens) a plazmaáram egy külső tartományának sugárzása – feltehetően onnan érkezik, ahol a nyalábnak a központból indult anyaga, galaxisméretnyi út megtétele után egy gázfelhővel lép kölcsönhatásba és lelassul.

Fantáziaképen egy galaxis centrumában található szupernagy tömegű fekete lyuk környezetét elhagyó plazmanyaláb (Forrás: Robin Dienel / Carnegie Institution for Science)

A kvazár korábbi, kettős forrásként való értelmezését a Chandra-űrtávcső röntgentartományban elvégzett előzetes mérései kérdőjelezték meg, ugyanis az új, a korábbi röntgenméréseknél finomabb (és a VLA méréseivel összevethető) szögfelbontású képeken egy további, a kettőstől északkeletre található röntgensugárzó objektum tűnt elő. Az újonnan felfedezett röntgenkomponens valódiságát később további, hosszabb ideig tartó Chandra-mérések is igazolták.

A kvazár röntgentérképe a Chandra-űrtávcső mérései alapján, a színskála a detektált fotonok számát jelöli. A kontúrvonalak a VLA 6,2 GHz-es mérésében azonosított komponensek rádiósugárzását szemléltetik. Figyelem, az égi térképeken – a földrajzi atlaszoknál megszokottal ellentétben – balra van kelet és jobbra nyugat! (Perger és társai, 2021)

Van-e fizikai kapcsolat a három komponens között, vagy csak véletlenül épp abban az irányban láthatjuk őket, de a tőlünk mért távolságuk egészen eltérő? A valódi viszonyok feltárása érdekében egy magyar vezetésű nemzetközi kutatócsoport méréseket tervezett és végzett az Európai VLBI Hálózat (EVN) távcsöveinek segítségével. Ez a rádióteleszkóp-rendszer még a VLA-nál is sokkal kiterjedtebb, szinte az egész Földet behálózza, Európától Ázsiáig és Dél-Afrikáig. Emiatt a vele elérhető felbontás is sokszorosan finomabb. Az 5 GHz-es frekvencián végzett, a nagyon hosszú bázisvonalú interferometria (VLBI) módszerét alkalmazó észlelés segítségével a kvazár rádiószerkezete ezredívmásodperces (vagy akár annál is jobb) felbontással vizsgálható, így a fekete lyuk környezetéből kiinduló plazmanyaláb haladási iránya egyértelműen meghatározható. A néhányszor tíz fényéves léptékű szerkezet elemzéséhez további, archív VLBI méréseket is sikerült találni.

A legfinomabb szögfelbontású EVN térképen egy, az északi irányba tartó, közel húszezred-ívmásodperc (az égbolt síkjára vetítve kb. 500 fényév) távolságig megfigyelhető nyalábszerkezetet lehet azonosítani. Vagyis a nyaláb legbelső szakasza alapvetően a nagyobb skálán – a VLA képen – megfigyelhető északnyugati komponens irányába terjed, de útja során kb. 30°-kal elfordul. Az eredmény megerősíti a mag és az északnyugati komponens között feltételezett ok-okozati kapcsolatot. A különböző időpontokban elvégzett nagy felbontású rádióinterferométeres (VLBI) mérések alapján továbbá sikerült megállapítani, hogy a központi komponens (a mag) fényessége számottevően változik az időben, valamint hogy a sugárzását jelentős relativisztikus erősítés jellemzi. A rádiókomponensek modellezése nyomán kiderült, hogy a kvazár rádiónyalábja közel felénk, a látóirányunkba mutat. (Emiatt egyébként az átellenes irányba induló párját nem is tudjuk megfigyelni, annyira elhalványodik.) Tulajdonságai alapján a J0909+0354 a blazárok osztályába tartozik.

A kvazár rádiótérképei a VLA (bal) és EVN (jobb) hálózatok teleszkópjaival végzett mérések alapján. A bal alsó sarokban látható fehér ellipszisek az adott hálózat szögfelbontását szemléltetik. A VLA-rádióképen látható még az északkeleti röntgensugárzó komponens helye, de a kör üres: onnan nem detektálható rádiósugárzás. A VLBI-térkép koordinátatengelyeinél a mas rövidítés az ívmásodperc ezredrészét jelenti (Perger és társai, 2021)

Az északnyugati rádióforrás természetének megértéséhez a kutatócsoport felhasználta a VLA által három különböző frekvenciasávban elvégzett méréseket, és megállapította, hogy a komponens nagy valószínűséggel a kvazár egyik „forró pontja”. Vagyis abból a tartományból érkezik a rádió- és röntgensugárzás, ahol a plazmanyaláb a környező sűrű csillagközi anyagban lefékeződik, és egy lökéshullámfront alakul ki.

A kvazárról és környezetéről a WISE űrteleszkóp által 3,4 μm-es hullámhosszon készített közép-infravörös térkép (WISE: NASA / JPL-Caltech; Perger és társai, 2021)

Bár a fényéves skálájú szerkezet iránya alapján a rejtélyes röntgenforrás nem hozható egyértelműen összefüggésbe a J0909+0354 kvazárral, a közép-infravörös tartományban vizsgálódó WISE űrteleszkóp mérései alapján az sem zárható ki teljesen, hogy az északkeleti forrás valamiféle kölcsönhatásban állhat a kvazárral. A látható tartományban való azonosítás, valamint a rádió- és röntgenanalízis alapján arra a következtetésre jutott a kutatócsoport, hogy a komponens vélhetően egy független előtér- vagy háttérobjektum. Biztosat akkor lehetne állítani, ha sikerülne megmérni színképvonalainak vöröseltolódását, amiből egyértelműen lehetne következtetni a tőlünk mért távolságára.

A J0909+0354 kvazár a Világegyetem egészen korai korszakáról tanúskodik. Ráadásul azon ritka aktív galaxismagok közé tartozik, amelyeknek sikerült röntgentartományban is megfigyelni nem csak a fényes magját, de a hatvanezer fényévnyi távolságra kiterjedő szerkezetét is.

A munka a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (OTKA K134213) támogatásával folyt. Az eredményekről beszámoló szakmai publikáció az Astrophysical Journal folyóiratban jelenik meg, szövege már olvasható az arXiv szerverén.

Forrás: Perger K. és társai (2021): Multi-scale Radio and X-ray Structure of the High-redshift Quasar PMN J0909+0354, Astrophysical Journal, megjelenés alatt (https://arxiv.org/abs/2105.06307)

Kapcsolódó cikkek:

Hozzászólás

hozzászólás