Rieth József: Anyagvilág - Háttérinformáció

Összeolvadó fekete lyukak

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Anyag-időszak     

Amerikai csillagászok több aktív galaxismag (kvazár) fényességében is szokatlan, periodikusan ismétlődő változásokat fedeztek fel. Az egyik tüzetesebben is megvizsgált kvazárban észleltek alapján, amelyről a Nature-ben számoltak be, a kutatók úgy vélik, hogy a jelenség hátterében két, egymáshoz nagyon közel került, éppen összeolvadóban lévő szupernagy tömegű fekete lyuk állhat.

Mai ismereteink szerint szinte valamennyi (ha nem az összes) galaxis szívében található egy szupernagy tömegű (több millió vagy akár milliárdnyi Nap tömegét magába foglaló) fekete lyuk, amelynek fejlődése folyamatos kölcsönhatásban áll magának a galaxisnak a fejlődésével. Az „együttes evolúciót" (koevolúciót) feltételező modellekből egyebek közt az a következtetés is adódik, hogy amikor galaxisok egymással úgy ütköznek, hogy annak eredményeként egybeolvadnak, akkor a bennük lévő fekete lyukakkal is ugyanez történik.

A fekete lyukak közvetlenül nem észlelhetők, csak a gravitációjuk által maguk köré vonzott akkréciós korongban örvénylő anyagtömegek különféle sugárzásai árulják el jelenlétüket. Az így közvetve „láthatóvá" vált aktív galaxismagok (vagy kvazárok) által kisugárzott energia messze túlszárnyalhatja a galaxis összes csillagáét, ennek köszönhetően nagyon távoli kvazárok fénye is eljut hozzánk.

A cikkben George Djorgovskí, a CalTech csillagászprofesszora és munkatársai egy ilyen távoli kvazártól érkező szokatlan, periodikusan ismétlődő fényjelekről számolnak be, amelyeket két, egymáshoz nagyon közel került szupernagy tömegű fekete lyuk összeolvadásával magyaráznak. Ilyen jelenséget, bár létezését elméleti modellek megjósolták, korábban még nem sikerült megfigyelni.

Djorgovski és munkatársai a Catalina Real-Time Transient Survey (CRTS) nevű égboltfelmérés eddig összegyűlt hatalmas adatbázisát elemezve fedezték fel a szokatlan fényességváltozásokat a PG 1302-102 jelű kvazártól érkező sugárzásban. A CRTS felmérés három, az Egyesült Allamokban és Ausztráliában lévő földi távcső megfigyelésein alapul, amelyek az éjszakai égbolt mintegy 80 százalékán körülbelül 500 millió objektum fényét követik folyamatosan. Ennek köszönhetően hatalmas adatbázist halmoztak fel, köztük több mint negyedmillió kvazárét, mindegyikükre vonatkozóan több száz adatot.

Jóllehet csillagászok már korábban is észleltek szupernagy tömegű fekete lyukak összeütközésére utaló jeleket, ám azok a fekete lyukak még egymástól távol, több tízezer vagy százezer fényévre voltak, s ebből adódóan egybeolvadásukig még sok millió vagy akár milliárd év volt hátra. Ezzel szemben a PG 1302402 nevű kavazárban lévő fekete lyukak távolsága legfeljebb néhány század fényév, így az egybeolvadásig már egymillió év sem hiányzik — ez ugyan emberi időléptékben nagyon hosszúnak tűnhet, ám a galaxisok fejlődésének skáláján csupán egy röpke pillanat.

Djorgovski és munkatársai eredetileg nem összeolvadó fekete lyukakra „vadásztak", a kvazárok fényességének változásaiban jellegzetes mintázatokat keresve mintegy véletlenül bukkantak a periodikus ismétlődésekre 20 kvazár fényében. Ez roppant meglepő volt, mivel a kvazárok fénygörbéi időben általában teljesen véletlenszerű, kaotikus lefutásúak — tükrözve azt a tényt, hogy a fekete lyukak véletlenszerűen és változó mennyiségben jutnak friss, elnyelhető anyaghoz.

A 20 periodikus fényváltozást mutató kvazár közül a legtisztább és legerőteljesebb jelet a PG 1302-102 mutatta, amelynek ismétlődési ideje 5 év körüli volt, és lefutása szabályos szinusz-hullámra hasonlított.

Bár az izgalom tetőfokára hágott, a kutatók eleinte óvakodtak messzemenő következtetések levonásától. Nem zárhatták ki annak lehetőségét, hogy csak egy átmeneti, időleges szabályszerűséget látnak egy egyébként kaotikus jelhalmazban. Szerencséjükre azonban a PG 1302-102 kvazárról összességében 20 évnyi megfigyelési adat gyűlt már össze, s ezek megerősítették az 5 éves periodicitást.

A kvazár spektrumának elemzése aztán további adalékkal szolgált. Mivel a kvazár fénye a fekete lyuk körül örvénylő forró gáz sugárzása, az egyes színképvonalak a gáz sebességétől függő Doppler-kiszélesedést mutatnak, miközben az örvénylő anyag hol közeledik hozzánk, hol távolodik tőlünk. Ez általában egy szimmetrikus görbe. A PG 1302402 esetében megfigyelt spektrális görbét azonban csak úgy sikerült reprodukálni, ha két ilyen jellegű, de némileg eltérő sebességű forrásból eredő emissziót adtak össze. Ez azt jelezte, hogy a rendszer sugárzása nem egyetlen forrásból ered, hanem egy másik forrás perturbálja a rendszert.

A sebességekből és a spektrum lefutásából annyi egyértelmű volt, hogy a sugárzás egy nagyon kicsi, kompakt tartományból érkezik, amelynek átmérője legfeljebb néhány század fényév lehet. Ebből következik, hogy a perturbáló hatást egy, az elsőhöz hasonló szupernagy tömegű fekete lyuk hozhatja létre, mivel más, kevésbé sűrű objektumokat (például kisebb csillagcsoportosulásokat vagy -halmazokat) az első fekete lyuk gravitációja már rég szétszakított és elnyelt volna.

Az még nem teljesen világos, hogy az ismétlődő fényességváltozást pontosan milyen fizikai mechanizmus hozza létre. Az egyik lehetséges magyarázat, hogy a fekete lyukba áramló anyagból az akkréciós korong síkjára merőlegesen kidobott két plazmacsóvának (a jeteknek) a látóirányunkhoz képesti elfordulása hozza létre a világítótorony fénycsóvájához hasonló effektust, illetve hogy a második fekete lyuk gravitációja modulálja a csóvák precesszióját.

Egy további lehetőség, hogy a két, egymáshoz közeli fekete lyukat már egy közös, de torzult akkréciós korong veszi körül. Ha ebben a sűrűségeloszlás (a gravitációs mező szerkezete) egyenetlen, akkor az örvénylés során a fénykibocsátás intenzitása ezt az aszimmetriát követve szabályos időközönként változik. Végül az sem zárható ki, hogy a két fekete lyuk kölcsönhatása során olyan helyzet állt elő, amelyben s az akkréciós korongból szabályos időközönként hullik anyag a fekete lyukba, ismétlődő energiakitöréseket váltva ki ezzel.

Noha ezek némileg eltérő forgatókönyvek, egy elem közös bennük: a jelenséget egy egymáshoz nagyon közel került fekete lyuk-pár hozza létre, különbség csak a konkrét mechanizmus mikéntjében van.

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Anyag-időszak     

----------------

Forrás: https://www.caltech.edu/news/unusual-light-signal-yields-clues-about-elusive-black-hole-merger-45188  

Élet és Tudomány - 2015/5 - 131.o.