Gyorsan hízó fekete lyukak a korai Univerzumban

687

Az L. Jiang által vezetett, amerikai és német csillagászokból álló kutatócsoport a Déli Gemini Teleszkóp GNIRS (Gemini Near Infrared Spectrograph) és az Északi Gemini Teleszkóp NIRI (Near-Infrared Imager) műszereivel hat nagyon távoli kvazárt figyelt meg az infravörös tartományban. A vizsgált objektumok vöröseltolódása z=5,8 és z=6,3 közé esik, ami egyben azt is jelenti, hogy a kutatás a Világegyetem mindössze 1 milliárd éves korába pillant vissza. Az eredmények szerint már ezekben a fiatal kvazárokban is nagyon jelentős a nehézelem-tartalom, s mivel a kvazárok energiáját szupernehéz fekete lyukak szolgáltatják, a felismerés új megvilágításba helyezheti a fekete lyukak szerepét az 1 milliárd évesnél is fiatalabb Univerzum kémiai összetételének kialakításában.

A kvazárok a legfényesebb és a legtöbb energiát kibocsátó objektumok a Világegyetemben. Az elméletek szerint az óriási energiatermelés forrásai a nagyon távoli, kialakulás közben lévő galaxisok magjában található szupernehéz fekete lyukak. Az ezekbe behulló anyag által kibocsátott sugárzás érzékelhető még több milliárd fényév távolságból is. Ezeket az ún. aktív galaxismagokat (AGN, Active Galactic Nuclei) körülvevő akkréciós korongokban a gáz nagy sebességgel áramlik, így a kvazár színképében széles vonalakat eredményez, ezért ezen területek szakirodalmi elnevezése BLR (broad line region). Az itt keletkező emissziós vonalak tipikusan az ultraibolya tartományba esnek, de a viszonylag nagy vöröseltolódás miatt átkerülnek spektrum hosszabb hullámhosszúságú részébe, az optikai, illetve a közeli infravörös tartományba. Ezen vonalak jól használhatók magának a gáznak, de a fekete lyuk tulajdonságainak tanulmányozására is.

A Jiang és csapata által vizsgált hat kvazár optikai és közeli infravörös spektruma. A színképekben jól láthatók a kiszélesedett emissziós vonalak.

A BLR-ek kémiai összetételének ismerete nagyon fontos a gazdagalaxis csillagkeletkezési folyamatainak feltérképezésében. Különösen érdekes a vasnak az oxigénhez, szénhez, és magnéziumhoz viszonyított aránya, ugyanis ez a várakozások szerint erős korrelációban áll a fiatal rendszerek korával. Az oxigén főleg nagytömegű csillagokban keletkezik, s gyorsan ki is dobódik, míg a vas hosszabb élettartamú, közepes tömegű csillagokban képződik. Így a vas jelentős feldúsulása az első csillagkeletkezési hullám után körülbelül 1 milliárd évre tehető.

A kvazárok infravörös spektrumában megfigyelhető emissziós vonalak erősségéből tehát meghatározható a BLR-ek fémtartalma. Az eredmények szerint ez a Nap esetében megfigyelhető arányoknál mintegy négyszer nagyobb. Nagy vöröseltolódásoknál a kémiai összetétel időbeli változásának egyik legfontosabb indikátora az egyszeresen ionizált vasnak (FeII) az egyszeresen ionizált magnéziumhoz (MgII) viszonyított aránya. Az eredmények alapján a fémesség nem változik drasztikusan a lokális és a z=6 körüli tartományok között. A z=6 vöröseltolódásnál tapasztalt magas fémtartalom azonban azt jelzi, hogy a kvazárok gazdagalaxisaiban már az Univerzum első 1 milliárd évében heves csillagkeletkezési és fémfeldúsulási folyamatok zajlottak.

Az FeII/MgII arány a vöröseltolódás függvényében. Látható, hogy nincs jele az elemgyakoriság jelentős időbeli változásának egészen a z=6 vöröseltolódásig visszamenően.

A nagy vöröseltolódású és fényességű kvazárok korai megjelenése a fekete lyukak gyors növekedésére is utal a galaxisok és a kvazárok első generációjának kialakulásakor. A BLR-ekben megfigyelhető nagyléptékű mozgások vizsgálata a központi fekete lyukak tömegének meghatározására is lehetőséget nyújt. Ennek alapja az, hogy összefüggés található a színkép kontinuumának fényessége és az emissziós vonalak szélessége között, ez utóbbit pedig az erős gravitációs térben fellépő nagysebességű mozgások befolyásolják. Jiang és munkatársai azt találták, hogy a mintájukban szereplő központi fekete lyukak tömege 1 és 10 milliárd naptömeg közé tehető. Figyelemre méltó, hogy 1 milliárd naptömegű fekete lyukak kevesebb mint 1 milliárd évvel az Ősrobbanás után már kialakulhattak. Az elképzelések szerint a korábban, z=20-nál keletkezett néhány ezer naptömegnyi fekete lyukak híztak fel kezdeti tömegük körülbelül 3 milliószorosára a közben eltelt néhány százmillió év alatt. Jiang és társai szerint az ilyen gyors növekedés komoly kihívások elé állítja a szupernehéz fekete lyukakkal foglalkozó elméleteket.

Az eredményeket közlő szakcikk az Astronomical Journal c. folyóiratban fog megjelenni.

A fentieket alátámasztani látszik a Chandra röntgenműhold egyik új eredménye, miszerint a nagyon távoli, fiatal galaxishalmazok sokkal több aktív magú galaxist (AGN) tartalmaznak, mint a közeli öregebbek. A vizsgálat keretében négy galaxishalmazt figyeltek meg, köztük a CL 0542-4100 és a CL 0848.6+4453 katalógusjelűt. Ezen galaxishalmazok a Világegyetem azon állapotát mutatják, mikor kora a mostaninak 58%-a volt. Egy korábbi munka során a Chandrával közelebbi galaxishalmazokat is vizsgáltak, az Univerzum 82%-os korából. Az eredmények azt mutatják, hogy a távoli minta körülbelül 20-szor annyi aktív galaxist tartalmaz, mint a közelebbi. A halmazokon kívüli AGN-ek száma is magasabb az Univerzum fiatal korában, mint később, de ez az arány már csak 2-3-szoros.

A Chandra felvétele a CL 0542-4100 és a CL 0848.6+4453 katalógusjelű galaxishalmazokról. Vörös szín jelzi a kisenergiájú, zöld a közepes, míg kék a nagyenergiájú röntgensugárzást. Mindkét mezőben 5 darab AGN található, bár az egyik valószínűleg nem tagja a halmaznak. A legtöbb AGN színe kék, jelezve, hogy ezek nagyenergiájú röntgensugárzás forrásai. A diffúz emisszió a halmazokban található forró gáztól származik. A pontforrások legtöbbje nem kapcsolódik a halmazokhoz, csak abban az irányban látszik. (NASA/CXC/Ohio State Univ./J. Eastman et al.)

A jelentős eltérések magyarázata, hogy a korai Világegyetemben ezek a galaxisok sokkal több gázt tartalmaztak, mint ma, s ez kedvező volt a csillagkeletkezés, de a fekete lyukak gyors növekedése szempontjából is. A rengeteg "üzemanyagot" a fiatal halmazokban található fekete lyukak olyan ütemben emésztették fel, mint ahogyan a piranhák végeznek áldozataikkal, így sokkal gyorsabban nőhettek, mint közelebbi, öregebb társaik.

Forrás: Gemini Observatory PR, 2007.07.31., Chandra X-ray Observatory PR, 2007.07.24.

Hozzászólás

hozzászólás