Fekete lyukak táncát figyelte meg a Spitzer-űrteleszkóp

9788

A fekete lyukak sem mozdulatlanok a térben – sőt, lehetnek kifejezetten mozgékonyak is. Tanulmányozni azonban nem egyszerű őket, hiszen teljesen sötétek, nem lehet őket közvetlenül megfigyelni. Alapos munkával azonban sikerrel kimutatták két hatalmas fekete lyuk bonyolult táncát, ezidáig rejtett részleteket is felfedezve a misztikus objektumok fizikai tulajdonságairól.

Az OJ 287 jelű galaxisban található az eddig ismert egyik legnagyobb fekete lyuk, melynek tömege a mi Napunkénak 18 milliárdszorosa. A gigantikus objektum körül egy másik, 150 millió naptömegű fekete lyuk kering, amely 12 évente kétszer beleütközik a nagyobbik fekete lyuk körüli gázkorongba. Ez az egész Tejútrendszernél fényesebb, több mint egy billió csillag fényénél is nagyobb erejű felvillanást okoz, mely 3,5 milliárd év alatt éri el a Földet.

Az OJ 287 galaxisban található két nagy tömegű fekete lyuk művészi elképzelése. A kisebbik a nagyobb fekete lyuk körül kering, melyet gázkorong vesz körbe. Mikor beleütközik a korongba, olyan látványos felvillanást hoz létre, mely 1 billió csillag fényével vetekszik. (©NASA/JPL-Caltech)

A kisebbik fekete lyuk pályája elnyúlt, nem körkörös, ráadásul szabálytalan is: a nagyobbik fekete lyuk körüli koronghoz képest döntött, a pozíciója pedig minden egyes keringéssel változik. Mikor beleütközik a gázba, két folyamatosan táguló, forró gázzal teli buborékot hoz létre, melyek a korong két oldalán távolodnak el. Az egész rendszer fényessége mintegy 48 óra leforgása alatt megnégyszereződik.

Irreguláris pályája miatt a fekete lyuk minden 12 éves keringése során más és más időpontokban ütközik a gázkorongba. A felfényesedések közt olykor alig 1 év telik el, máskor pedig akár 10 év is. Évtizedeken keresztül próbálták lemodellezni a keringést és megjósolni a fényesedéseket, míg 2010-ben sikerült olyan modellt alkotni, ami körülbelül 1-3 hét pontossággal előre tudta ezeket jelezni.

2018-ban a Lankeswar Dey vezette kutatócsoport még részletesebb modellel állt elő, amely állításuk szerint 4 óra pontossággal működött. Az Astrophysical Journal Letters tudományos folyóiratban megjelent új publikáció szerint pedig ezt a 2019. július 31-i esemény pontos előrejelzésével sikerült bizonyítani is. A felfényesedést azonban majdnem nem sikerült megfigyelni. Mivel az OJ 287 a Földről nézve éppen a Nap túloldalán látszott, minden földi és Föld körüli pályán keringő teleszkóp számára láthatatlan volt az esemény.

A NASA 2020 januárjában nyugdíjazott Spitzer űrteleszkópja viszont rálátott a rendszerre. A teleszkópot pályája 16 évnyi működés után 254 millió kilométerre távolította el a Földtől, így körülbelül 600-szor messzebb volt, mint a Hold. Ebből a pontból jó kilátása nyílt az OJ 287 rendszerre július 31-től (amikor a felfényesedés történt) és szeptember elején is (amikorra az OJ 287 megfigyelhetővé vált a Földön is). Óriási szerencse volt, hogy épp attól a naptól látott rá, amikorra a kitörést előrejelezték. Bár a működése mára leállt, a Spitzer adatait folyamatosan vizsgálják, újabb és újabb felfedezések után kutatva.

Fodrozódó világűr

Kutatóink rendszeresen modellezik a naprendszerbeli kis égitestek pályáját, mint például egy Nap körül keringő üstökösét. A pontos számításhoz figyelembe kell venni a mozgásra legnagyobb hatással levő más égitesteket is – az üstökösnél például a domináns erő általában a Nap, de pályáját a közeli bolygók is befolyásolhatják.

Kettő óriási fekete lyuk mozgását jóval bonyolultabb meghatározni. Ilyen esetben olyan behatásokat is figyelembe kell venni, melyek kisebb objektumok mozgását jelentősen nem befolyásolnák. Köztük a legfontosabbak az ún. gravitációs hullámok. Einstein általános relativitáselméletében a gravitációt úgy határozza meg, mint az objektum tömege okozta görbületet a téridőn. Ha egy test gyorsul a térben, ezek a torzulások hullámokká alakulnak. Einstein már 1916-ban megjósolta létezésüket, de közvetlenül csak 2015-ben sikerült megfigyelni őket a LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) gravitációs hullámokra specializált műszerrel.

Minél nagyobb egy test tömege, annál nagyobb energiájú gravitációs hullámokat hoz létre. Az OJ 287 rendszerben olyan erősnek gondolják a gravitációs hullámokat, hogy elég energiát szállítanak ki a rendszerből a kisebb fekete lyuk pályájának megváltoztatásához – és így pedig a kitörések időpontjainak módosításához. Korábbi modellek is számoltak a gravitációs hullámokkal, de a 2018-as az eddigi legrészletesebb. A LIGO eredményeinek felhasználásával a becslés pontosságát másfél napra tudták javítani.

A további pontosításhoz a nagyobbik fekete lyuk fizikai tulajdonságait vették részletesen figyelembe. Az új modell a fekete lyukak ún. “no-hair” elméletét alkalmazza. Stephen Hawking és kutatótársainak 1960-as elmélete a fekete lyukak “felszínének” természetét tárgyalja. Míg valós felszínük nincsen, található egy határ, amin túl semmi, még a fény sem tud kiszabadulni. Némely elgondolások szerint ez a külső határ, melyet eseményhorizontnak nevezünk, göröngyös, szabálytalan; a no-hair elmélet szerint viszont a “felszínen” nincs semmi ilyesmi, még egy hajszál sem (az elmélet vicces elnevezése is erre utal).

Más szóval, ha a fekete lyukat kettévágnánk a forgástengelye mentén, akkor a felszín szimmetrikus lenne.

A két fekete lyuk interakcióját bemutató, angol nyelvű NASA JPL videó. (©NASA/JPL/Abhimanyu Susobhanan)

A szimmetria nyomában

Az 1970-es években Kip Thorne fizikus leírta, hogyan lehet kideríteni nagy tömegű fekete lyuk körül keringő objektum segítségével, hogy a felszíne hepehupás, vagy sima. A kisebbik fekete lyuk pályáját ilyen precizitással meghatározva az új modell a no-hair elméletet támasztja alá, tehát az alapvető elképzelésünk eme furcsa objektumokról helyes. Az OJ 287 rendszer azt sugallja, hogy a fekete lyukak felszíne szimmetrikus a forgástengelyükre.

Hogyan hat tehát egy fekete lyuk felszíne a kisebb fekete lyuk pályájára? A pályát legfőképpen a nagyobbik fekete lyuk tömege határozza meg. Ha nagyobbra hízna, vagy fogyna egy kicsit, megváltozna a kisebbik fekete lyuk pályájának sugara. Azonban nem csak a tömeg, hanem a tömeg eloszlása is számít. Ha a nagyobbik fekete lyuk egyik oldalán egy méretes kitüremkedés lenne, máshogyan torzítaná maga körül a teret, mintha szimmetrikus lenne. Ez pedig megváltoztatná a kisebbik fekete lyuk pályáját, és mérhetően befolyásolná a kisebbik fekete lyuk gázkoronggal való ütközésének időpontját is. Mauri Valtonen, az új tanulmány egyik szerzője szerint azért is fontos megerősíteni vagy cáfolni a no-hair elméletet, mert így tudhatjuk meg, valóban olyanok-e a fekete lyukak, mint ahogy Hawking és más kutatók elképzelték.

Forrás: NASA JPL

Hozzászólás

hozzászólás