Tizenhárom fekete lyukat fedeztek fel galaxisunk közepén

A múlt század harmincas éveiben a rádiócsillagászat atyjaként tisztelt Karl Jansky felfedezett egy rádióhullám-forrást a Tejútrendszer közepén, a Nyilas (Sagittarius) csillagkép irányából, ez a Sagittarius-A. Ezt az összetett objektumot később három részre tagolták, miután felfedezték az egy egykori szupernóva „romjaiként” létező keleti Sagittarius-A-t, a spirális karokat formáló nyugati Sagittarius-A-t, illetve a rendszer közepén elhelyezkedő fényes, de igen kompakt, erős sugárzású Sagittarius-A*-ot. Utóbbi lesz történetünk főszereplője.

Az izgalmas csillaghalmaz

Az objektum egyik leírója, Bruce Brown, az amerikai Nemzeti Rádiócsillagászati Obszervatórium munkatársa afféle szóviccként adta neki ezt a nevet 1982-es tanulmányában. Minthogy rendkívül izgalmasnak (angolul: exciting) találta az objektumot, és az atomfizikában *-gal jelölik a részecskék gerjesztett (angolul ugyancsak: excited) állapotát, így a rádióforrást is csillaggal illette.

A múlt század végén egy fekete lyukat fedeztek fel a Sagittarius-A*-ban, amelynek tömege eléri a Nap tömegének négymilliószorosát. De az igazán szenzációs felfedezés egészen máig váratott magára. Az elméletek szerint ugyanis a galaxisok közepén elhelyezkedő szupernehéz fekete lyukak környezetében lenniük kell kisebb fekete lyukaknak is – csakhogy ilyenekre mindeddig nem leltek. A Nature-ben minap megjelent tanulmányukban a Columbia Egyetem kutatói azonban arról számoltak be, hogy tucatnyinál is több kis fekete lyukat sikerült azonosítaniuk a Sagittarius-A* közelében, és az is valószínű, hogy még sokkal több lehet ott.

A Saggitarius-A* egy hamis színes kompozit felvételen, melynek infravörös összetevője (pirosas színnel) a Hubble, röntgenösszetevője (kékes színnel) pedig a Chandra űrtávcső felvételeiből származik. A kis keretben a Saggitarius-A* röntgenfelvételének kinagyított képe látható. Forrás: NASA/UMass/D.Wang et al. és NASA/STScI

„A galaxis közepén lévő szupermasszív fekete lyuk környezetében lévő fekete lyukak tömege összemérhető a Napéval (tömegük feltehetően 5 és 30 naptömeg között van). E felfedezés nem ma történt, hosszú éveknek kellett eltelniük, míg a Chandra űrtávcső adataiból a jel és a zaj aránya alkalmassá vált a fekete lyukak azonosítására” – mondta az mta.hu-nak Kocsis Bence, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Atomfizikai Tanszékének adjunktusa, akinek tanulmányát a Nature-cikk összefoglalójában (absztraktjában) is idézik.

A Sagittarius-A* környezetében lévő sűrű csillaghalmaz megismerése azért váratott magára évtizedekig, mert a Föld és közte számos olyan objektum (gáz- és porfelhők) található, amelyek mind zavarják, sőt gyakorlatilag meg is akadályozzák, hogy a látható fény eljusson tőle hozzánk. Az elektromágneses sugárzás bizonyos komponensei (az infravörös fény, a rádió- és röntgenhullámok) azonban áthatolnak az akadályokon, és a mai legmodernebb vizsgálóeszközökkel már nagy felbontással tanulmányozhatók.

Az utóbbi 12 évben a Chandra sokszor irányította detektorait a Sagittarius-A*-ra, a teljes megfigyelési idő két hetet tesz ki, ami rendkívül soknak számít. Ezeket az adatokat összességében elemezve a Nature-ben publikáló, a Sagittarius-A* közepére koncentráló kutatók nagyjából száz különálló röntgenforrást írtak le a középponttól számított 13 fényéven belül, amelyek közül 26 három fényév távolságon belül helyezkedik el. A kérdés az volt ezután, hogy pontosan mik ezek a röntgensugárzást kibocsátó objektumok.

A fekete lyukak közvetlen megfigyelése éppen azért olyan nehéz, mert maguk nem bocsátanak ki semmiféle általunk érzékelhető sugárzást. A környezetükben lévő és a fekete lyukak hatására örvénylő gázok viszont igen. A központ három fényéves környezetében felfedezett 26, röntgensugárzást kibocsátó objektum felét találták stabilnak, amelyek valószínűleg úgynevezett milliszekundumos pulzárok (a felvillanásaik között eltelő időtartam a milliszekundumos nagyságrendbe esik). A fennmaradó 13 sugárforrásról pedig úgy vélik, hogy maguk is fekete lyukak, bár sokkal kisebbek a központinál.

A most azonosított fekete lyukak és indirekt sugárzásuk eredetének fantáziaképe Forrás: news.columbia.edu

Lesüllyedő fekete lyukak

„A Chandra űrtávcső különböző energiaszinteken méri a röntgensugárzást. Ez alapján felvehető a különböző forrásokból érkező sugárzás spektruma, és azonosítható maga a forrás – folytatja Kocsis Bence. – Számos röntgenpontforrást láttak a galaxis közepén, és azt találták, hogy a fekete lyukak jellegzetességeit mutató források jellemzően közelebb helyezkedtek el a központi szupernehéz fekete lyukhoz, mint a fehér törpék (végstádiumú csillagok). Ennek elméleti háttere abból a cikkemből tudható, amelyet a Nature-cikk absztraktjában idéz. A jelenség lényege, hogy ha berakunk egy szupernehéz fekete lyukat egy csillagpopulációba, akkor a kisebb fekete lyukak besűrűsödnek a szupermasszív fekete lyuk környezetében. Úgy kell ezt elképzelni, mint amikor egy edényben a nehezebb összetevők alul gyűlnek össze, lesüllyednek. A fekete lyukak tömege nagyobb, mint a csillagoké, így közelebb vonzza őket a nagy fekete lyuk gravitációja.”

A felfedezett fekete lyukak térbeli eloszlásából arra következtetnek a kutatók – idézi közleményüket a Smithsonian magazin –, hogy a Sagittarius-A* közvetlen környezetében még vagy 300-500 felfedezésre váró fekete lyuk – csillag kettős rendszer lehet, továbbá ott rejtezik még akár tízezer magányos fekete lyuk is, amelyek felfedezése – röntgenforrás híján – még nehezebb lesz. A fekete lyuk – csillag kettős rendszerekben ugyanis a csillagból folyamatosan anyag áramlik a fekete lyukba. Ez az anyagáramlás örvénylő forró gázfelhőt, úgynevezett akkréciós korongot képez a fekete lyuk körül. Az izzó gáz elektromágneses sugárzást, többnyire röntgensugárzást bocsát ki, ezt sikerült érzékelni.

Kocsis Bence Fotó: Trupka Zoltán

„Nemcsak fekete lyukak, de neutroncsillagok is képesek röntgensugárzás kibocsátására. Ezek a neutroncsillagok is anyagot szippantanak el a környezetükből, és ennek a beléjük áramló gáznak a hatására felgyorsul a forgásuk, mondhatni felpörögnek. A mágnesezett neutroncsillagokat pedig pulzároknak hívjuk – mondja Kocsis Bence. – A milliszekundumos pulzárok igen érdekes osztályát képezik a pulzároknak, hiszen utóbbiak másodpercenként egy felvillanásához képest ennél több százszor gyorsabban pörögnek és villognak. Feltételezhető, hogy számos milliszekundumos pulzár található a galaxis közepén, bár eddig még nem találtunk ilyet. Pedig hatalmas jelentősége lenne annak, ha végre felfedeznénk efféle szélvészgyorsan pörgő pulzárokat. Ezek segítségével ugyanis lehetőségünk nyílna pontosan megmérni a szupermasszív fekete lyuk geometriáját, vagyis a környezetében lévő téridő struktúráját.”

Látni a láthatatlant

„A milliszekundumos pulzárok pontosan, mindig ugyanolyan frekvenciával sugároznak jeleket. Igazából ezek megfigyelésével pontosabb időzítést kaphatunk, mint a Föld legpontosabb atomórájával, főleg hosszú, éves időskálán – folytatja az asztrofizikus. – Magyarul a szupermasszív fekete lyuk környezetében iszonyatosan pontos órák állnak a rendelkezésünkre. Ezek megfigyeléséből modellezhető a mozgásuk. Ha közel kerülnek a fekete lyukhoz, akkor jelük gravitációs vöröseltolódást, illetve Doppler-eltolódást szenved, amit ki tudunk mérni. Ezen eltolódások alapján pedig következtetni tudnánk a fekete lyuk gravitációs terére, a téridő szerkezetére, illetve magának a fekete lyuknak a pörgési sebességére (spinjére).”

A fekete lyukak többsége (amelyek nem alkotnak kettős rendszert) azonban továbbra is árnyékban marad, így szinte esélytelen, hogy detektálni tudjuk őket. Sok objektumról, amelyet azonosítottak, pedig nem lehet biztosan tudni, hogy vajon tényleg fekete lyuk-e.

„Azt mindig is tudtuk, hogy az univerzumban rengeteg fekete lyuk kell hogy létezzen, hiszen minden 25 naptömegnél nehezebb csillag várhatóan fekete lyukká alakul. Ezek száma alapján sejthető, hogy a galaxisunkban több százmillió fekete lyuk van, és rengeteg galaxis van az univerzumban – érvel Kocsis Bence. – Korábban elméleti megfontolások alapján kiszámoltuk, hogy a galaxismagban húszezer fekete lyukat várunk. A nagy kérdés persze az, hogy az egyedülálló fekete lyukakat hogyan érzékeljük. Régebben erről (pontosabban ennek elméleti megközelítéséről) is írtunk egy cikket. Eszerint, ha a fekete lyuk áthalad egy gázfelhőn, akkor a felhő elkezd világítani a fekete lyuk gravitációs ereje miatt. Minthogy a galaxismagban vannak gázfelhők, az sem kizárt, hogy fekete lyukak haladjanak át rajtuk. Sőt kiszámoltuk, hogy ennek elég nagy a valószínűsége. Tehát a jövőben meg lehet majd találni ezeket a különálló fekete lyukakat is, bár ez eddig még nem sikerült.”