Tízmilliárd évnél régebben került a galaxisok közötti térbe a vas

Egy nemzetközi kutatócsoport most bemutatott eredményei szerint a galaxishalmazokat alkotó galaxisok közötti térséget kitöltő ritka (ún. intergalaktikus) anyagban azonos a vas előfordulási gyakorisága, függetlenül a galaxishalmaz össztömegétől. A kutatók ebből arra következtetnek, hogy az intergalaktikus térség anyaga már azelőtt feldúsult a nehezebb elemekben, mielőtt maguk a galaxishalmazok kialakultak nagyjából 10 milliárd éve. Erre az eredményre röntgenhullámhosszakon kapott színképek elemzése alapján jutott a kutatócsoport, amelynek Werner Norbert lendületes kutató is tagja.

A hidrogéntől a vasig

Az univerzumban megfigyelhető nagy skálájú szerkezet kialakulása és az egész világegyetem fejlődése napjaink tudományának legizgalmasabb kérdései közé tartozik, ezért egyáltalán nem meglepő, hogy sokan foglalkoznak az extragalaxisok vizsgálatával, illetve kozmológiai kutatásokkal.

A csillagászati kutatások jellegzetessége, hogy távolról kell begyűjteni az adatokat, információkat a vizsgálandó égitestekről (néhány naprendszerbeli objektum kivételével), hiszen a csillagok és azok rendszerei az ember számára felfoghatatlanul nagy távolságban vannak. Mivel az elektromágneses sugárzás fénysebessséggel terjed – azaz egy tetszőleges foton másodpercenként 300 000 kilométert tesz meg – , minél távolabbra tekintünk, annál korábbi állapotában vizsgálhatjuk a kiszemelt kozmikus objektumot. A Nap fénye körülbelül 8 perc alatt jut el a Földig. Saját galaxisunk, a Tejútrendszer, nagyjából százezer fényév átmérőjű, vagyis kb. 100 000 évbe telik, mire az egyik szélétől az átellenes széléig eljut a fény. A csillagok világában azonban a százezer év rövid időnek számít, mivel fejlődésük millió-milliárd éves időskálán zajlik. Az igazi időutazás a galaxisok világában kezdődik. A millió vagy milliárd fényévre levő galaxisokat és halmazaikat vizsgálva a régmúltba tekintünk vissza, egyfajta régészeti tevékenységet végezve.

Az univerzum fejlődéséről tehát úgy alkothatunk képet, hogy egyre távolabbi galaxishalmazokat vizsgálunk, és a különböző távolságban levő objektumok éppen megfigyelhető állapotából lehet következtetni a kozmikus objektumoknak, illetve az egész univerzumnak a fejlődésére.

Az Abell 1689 jelű galaxishalmaz a Hubble űrtávcső felvételén. A galaxishalmazokról készített képeken jól látszanak a halmazt alkotó galaxisok, az intergalaktikus anyag észleléséhez viszont hullámhosszat kell váltani – röntgencsillagászati mérésekre van szükség. NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA), J. Blakeslee (NRC Herzberg Astrophysics Program, Dominion Astrophysical Observatory) és H. Ford (JHU)

Ismereteink szerint az univerzum az ősrobbanással vette kezdetét, és az eredetileg kiterjedés nélküli szingularitásból egy igen rövid felfúvódási fázison túljutva folyamatosan tágul. A kezdetben nagyon forró állapotú univerzum a tágulás során fokozatosan hűl, és egy megfelelő pillanatban bekövetkezett az elemi részecskék kialakulása, majd a legegyszerűbb atomok, a hidrogén és a hélium magjai is létrejöttek. Ezután kezdődött meg a csillagok kialakulása. A csillagok belsejében magfúzió során nehezebb elemek is létrejönnek a két legkönnyebb kémiai elemből, és a fúzió során még rengeteg energia is felszabadul.

A csillagok sugárzási energiáját is éppen ez a fúziós energia biztosítja. A csillagok belsejében zajló folyamatok hatására a nehezebb elemek fel is keverednek, és eljutnak a csillag atmoszférájába, majd onnan az ún. csillagszéllel vagy a csillagfejlődés bizonyos fázisában bekövetkező burokledobással a csillagközi anyagba is bekerülhetnek. Az eredetileg hidrogénből és héliumból álló (és némi lítiumot tartalmazó) csillagközi anyag így nehezebb elemekben is feldúsul, főleg a szén, az oxigén és a nitrogén gyakorisága nő. A fúziós reakciók során azonban a csillagok belsejében nem tud teszőleges elem létrejönni a periódusos rendszer száznál is több ismert eleme közül. A vas a legnehezebb elem, amelynek magja még energiafelszabadulással kialakulhat, a vasnál nehezebb elemek termeléséhez már energiát kell befektetni. Ezért a vas előfordulási aránya a csillagközi anyagban azt jelzi, hogy milyen ütemű volt a csillagok kialakulása az adott környezetben.

A galaxishalmazokról röviden

A világegyetem nagy skálájú szerkezetét kirajzoló legnagyobb „egyedi” képződmények a galaxishalmazok. Egy-egy ilyen galaxiscsoport olykor több ezer galaxist is tartalmazhat, és a halmaz össztömege is nőhet az idők folyamán, részben a környező anyag bekebelezésével, részben pedig a gravitációs eredetű kannibalizmussal, amikor a galaxishalmaz legnagyobb tömegű tagjai magukba vonzzák a környezetükbe került kisebb-nagyobb – de eredetileg nem a halmazhoz tartozó – galaxisokat. A Tejútrendszer egy viszonylag kis galaxishalmaz, az ún. Lokális Csoport tagja, két nagy társával (az Androméda-köddel és a Triangulum-galaxissal), valamint az e három spirális galaxis körül található több tucatnyi törpegalaxissal együtt.

A galaxisok között kisebbségben vannak a spirális alakúak, a legtöbb szferoidális vagy ellipszoidális törpegalaxis. Az ilyen kis galaxisok (sok millió éves időskálán lezajló) összeolvadásából keletkeznek a spirálgalaxisok. Léteznek ugyanakkor óriás elliptikus galaxisok is, általában a galaxishalmazok közepén található belőlük egy-egy példány.

Az, hogy mi történik a galaxishalmazokkal és a galaxishalmazokban, nemcsak a kozmológia, hanem az asztrofizika szempontjából is fontos kérdés, hiszen az egyedi galaxisok csillagokból és csillagközi anyagból állnak, és a csillagok fejlődése befolyásolja a galaxis mint egész viselkedését.

A galaxishalmazok tagjainak mozgását vizsgálva derült ki, hogy az univerzum lényeges alkotóeleme az ún. sötét anyag, amelynek gravitációs hatása érvényesül, de létéről közvetlenül, azaz elektromágneses sugárzása alapján nem lehet tudomást szerezni. A sötét anyag természetének kiderítése ugyancsak előtérbe helyezi a galaxishalmazokkal kapcsolatos vizsgálatokat.

Az egyik legalaposabban tanulmányozott galaxishalmaz a Perseus csillagkép irányában levő Perseus-halmaz, amely egyébként a nagy össztömegű galaxishalmazok egyik tipikus képviselője.

A tőlünk 240 millió fényévre levő Perseus-galaxishalmaz meghatározó galaxisa, a Perseus A környezete több színképtartományból összetett képen. A pirossal jelölt rádiólebenyek jelzik a galaxis magjából kiáramló nyalábokat, amelyek a röntgentartományban sugárzó (kékre színezett) forró plazmát fűtik. Forrás: röntgen – NASA/CXC/IoA/A. Fabian et al.; rádió – NRAO/VLA/G. Taylor; optikai – NASA/ESA/Hubble Heritage/STScI/AURA

Az intergalaktikus anyag vizsgálata

Werner Norbert és a vezetésével az ELTE Fizikai Intézetében működő Lendület Forró Univerzum Kutatócsoport nagy felbontású röntgenspektrumokat és egyéb megfigyelési adatokat használ a galaxisok közötti teret kitöltő gáz (vagy inkább plazma, hiszen nagyon magas hőmérsékletű, több millió fokos anyagról van szó) tulajdonságainak vizsgálatára. Ennek feltárása kulcsszerepet játszik annak megértésében, hogyan válhatott a világegyetem olyanná, amilyennek ma észleljük.

Az intergalaktikus térben rengeteg anyag van, amelynek sűrűsége viszont roppant alacsony. Az intergalaktikus anyag össztömege egy-egy galaxishalmazban a Nap tömegének billiószorosát (azaz milliószor millió naptömeget) is elérheti, hiszen galaxisok közötti térség hatalmas. A 10–100 millió fokos hőmérséklet pedig úgy alakul ki, hogy az intergalaktikus térségben fénysebességgel száguldó nagy energiájú elektromágneses sugárzási fotonok egy-egy ionizált részecskével (elektronnal vagy atommaggal) ütközve átadják az energiájukat az anyagnak.

A galaxishalmaz nagy össztömege nem engedi, hogy a benne levő anyag elszökhessen a rendszerből az idők folyamán. Ezért egy galaxishalmaz vizsgálatából meg lehet állapítani a benne lezajlott integrált csillagkeletkezés időbeli változásait, sok halmaz tanulmányozása alapján pedig a kozmikus nukleoszintézis és az univerzum kémiai fejlődésének történetét.

Azonban az intergalaktikus anyag vizsgálata, de még a kimutatása sem egyszerű. A rendkívül magas hőmérséklet miatt a sokszorosan ionizált elemek atomjai a röntgentartományban sugároznak, ezért a Földön kívül működő csillagászati röntgenszondák műszereivel lehet egyáltalán tanulmányozni a ritka közeget. Mivel az intergalaktikus anyag ionizációs egyensúlyban van, és a sugárzás számára átlátszó, a röntgentartományban felvett színkép emissziós vonalainak erőssége közvetlenül jelzi a vonalat kibocsátó elem gyakoriságát.

A japán Suzaku röntgenszonda, itt még a Földön (balra), valamint a szonda képalkotó röntgenspektrométere Forrás: NASA

Egy galaxishalmaz meg tíz másik

A Perseus-galaxishalmazt már korábban vizsgálták a benne levő intergalaktikus anyag elemösszetételének meghatározására. Ennek során azt is vizsgálták, hogy a vas ionjai hogyan oszlanak el a halmaz centrumától való radiális távolság függvényében. A vas előfordulási gyakoriságából ugyanis a csillagkeletkezési ütem időtől való függésére lehet következtetni.

A Perseus-halmaz vizsgálatát a japán Suzaku röntgenszonda egyik kulcsprojektje keretében végezte el Werner Norbert kutatócsoportja. A halmaz központjától kifelé nyolc irányban végeztek méréseket a szondán elhelyezett röntgenspektrométerrel. A műszer több mint egymillió másodpercig gyűjtötte a galaxishalmaz felől érkező röntgensugárzást. Az eredmény meglepő volt: a centrális rész kivételével (ahol a vas ionjainak előfodulási gyakorisága viszonylag nagy volt) a vas ionjainak egyenletes eloszlása tapasztalható sugárirányban kifelé haladva, de azimutálisan is (azaz körbehaladva a halmaz középpontjából húzott sugarak mentén). Maga a vas gyakorisága a Nap esetében mért jelenlegi gyakoriságnak mintegy harmada (pontosabban 31,4%-a).

Mit jelent ez a homogén vaseloszlás?

Azt a meglepő tényt sugallja, hogy a vasatomokban való feldúsulás nagyon régen következett be, akkor, amikor maga a galaxishalmaz még ki sem alakult, csak egyedi csillagok voltak nagyon nagy számban, és az azok életútja végén bekövetkezett szupernóvarobbanások „szennyezték be” a tartományt vassal. A Perseus-galaxishalmaz nagyjából 10 milliárd éves, tehát a benne levő intergalaktikus anyag viselkedése tízmilliárd évnél régebbi állapotról nyújt hasznos és érdekes információt.

Mennyire egyediek a Perseus-halmazban uralkodó viszonyok?

Erre a kérdésre keresték a választ annak az európai és amerikai csillagászokból álló kutatócsoportnak a tagjai, amelyben Werner Norbert is részt vesz. A Suzaku szonda méréseinek archívumából tíz másik galaxishalmazra vonatkozó adatokat gyűjtöttek ki. E halmazok közös jellemzője, hogy viszonylag közeliek, hiszen a távolabbi halmazok esetében használhatatlanul alacsony a műszerbe érkező röntgenfluxus, és a kiválogatás során arra törekedtek, hogy a mintában kis, közepes és nagy össztömegű galaxishalmazok is legyenek. A munka során elemzett adatokat 2005 és 2014 között mérte a Suzaku röntgenspektrométere, egy-egy halmazra fél óra és egy nap közötti ideig gyűjtve a jeleket. A jellemző „expozíciós idő” három óra volt. Az a tartomány, amelyet az egyes galaxishalmazok belsejében vizsgáltak, jellemzően ötmillió fényév átmérőjű.

Az adatfeldolgozás menetének részletezésétől itt eltekintünk, pedig a munka nagy részét az aprólékos és gondos analízis teszi ki, amelynek során egyebek között ki kell zárni minden szisztematikus hibaforrást. A röntgencsillagászatban például ilyen az előtérből és a háttérből eredő röntgenfluxus.

Egy galaxishalmaz esetében előtérnek minősül a látóirányba eső tejútrendszerbeli röntgensugárzás, háttérnek pedig a kozmológiai távolságokban levő objektumok összemosódó röntgenháttere. Az ilyen effektusok kiküszöbölésére a kutatócsoport igénybe vette más röntgenszondák (pl. ROSAT) archivált mérési adatait is.

A munka végeredményeként az derült ki, hogy a Perseus-galaxishalmaz területére kapott homogén vaseloszlás nem egyedi kivétel, hanem ez az általános viselkedés a galaxishalmazok esetében. A vasban (és más fémekben) viszonylag gazdag centrális térségen kívül a vasionok gyakorisága állandó, ráadásul nagyjából azonos valamennyi galaxishalmazra, függetlenül annak tömegétől. Ugyancsak nem tapasztalható összefüggés a vas gyakorisága és az intergalaktikus anyagra jellemző hőmérséklet között.

Ez az eredmény megerősíti és általánossá teszi annak a korábbi felismerésnek az érvényességét, amely szerint a vas feldúsulása az intergalaktikus közegben több mint tízmilliárd évvel ezelőtt következett be, amikor maguk a galaxishalmazok még ki sem alakultak, de csillagok már léteztek, méghozzá igen nagy számban, és nagyon nagy lehetett a csillagkeletkezés üteme.

Az itt bemutatott eredményeket részletező szakcikk a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society folyóiratban jelenik meg a közeljövőben.

Werner Norbert részben hasonló témájú előadása a Mindenki Akadémiája műsorán itt látható: