Olyan kozmikus szörnyet látott a James Webb űrteleszkóp, ami alapjaiban kérdőjelezi meg a csillagászati ismereteket
Brit kutatók vizsgálata alapján az ősi univerzumban létezett egy szupermasszív fekete lyuk, amely nem a szokásos módon jött létre.
Az ELTE kutatói mintegy százezer kvazár, vagyis rendkívül fényes galaxismag adatainak elemzésével statisztikai bizonyítékot találtak arra, hogy a galaxisok közepében található szupernagy tömegű fekete lyukak egy része a keletkezésük után kilökődött a helyéről.
Az adatokban most megtalált összefüggést ugyanennek a csoportnak a tagjai, Raffai Péter és Frei Zsolt, Haiman Zoltánnal együtt már tíz évvel ezelőtt megjósolták. A mostani vizsgálatot az ELTE-n végzett, ma a Birminghami Egyetemen dolgozó Bécsy Bence vezette. Az eredmény a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society tudományos folyóiratban jelent meg.
Kilökődött fekete lyukak
Minden nagy galaxis közepén található egy szupermasszív fekete lyuk, amelynek a tömege a Nap tömegének milliószorosa, de akár milliárdszorosa is lehet. Amikor két galaxis összeolvad, a központi fekete lyukaik is egymás közelébe kerülnek, kettős rendszert alkotnak, gravitációs hullámokat sugároznak, végül pedig maguk is összeolvadnak, és egy még nagyobb fekete lyuk jön létre.
Az összeolvadás utolsó pillanataiban rendkívül erős gravitációs hullámok keletkeznek. Ha ezek nem egyformán sugárzódnak ki minden irányba, a visszamaradó fekete lyuk erős „visszarúgást” kap, hasonlóan a puskához, amelyből kilőttek egy golyót. Az így meglökött fekete lyuk sebessége elérheti az óránként több millió kilométert, és kimozdul a galaxis közepéből.
A meglökött fekete lyuk azonban nem tűnik el. Ha a lökés nem elég erős ahhoz, hogy a fekete lyuk elhagyja a galaxist, akkor visszazuhan, átszáguld a galaxis közepén, a túloldalon lelassul és visszafordul. Hosszú ideig leng így ide-oda a galaxis magja körül, mint egy inga, és pont ahogy az inga is a pálya legalján a leggyorsabb, a fekete lyuk is akkor mozog a leggyorsabban, amikor éppen a galaxis közepén halad át.
Az általános relativitáselmélet szerint ilyen visszarúgásnak léteznie kell, a jelenséget azonban eddig nem sikerült egyértelműen kimutatni. A csillagászat már ismert néhány egyedi jelöltet, de ezeknél más magyarázatokat sem lehetett kizárni. A mostani kutatás ezért nem egyetlen különleges objektumot keresett, hanem azt vizsgálta, hogy sok tízezer kvazár adataiban együttesen megjelenik-e a kilökődött fekete lyukak statisztikai jele.
Árulkodó kvazárok
A szupermasszív fekete lyukak egy része aktív: nagy mennyiségű gázt nyel el a környezetéből, és eközben rendkívül erős sugárzást bocsát ki. Az ilyen fényes, aktív galaxismagokat nevezzük kvazároknak. A kvazárok fényéből két olyan információ is kiolvasható, amelyre a kutatóknak szükségük volt.
Az egyik információ a fekete lyuk sebessége. A fekete lyukat szorosan körülvevő gáz együtt mozog vele, a lyuktól valamivel távolabb lévő gáz viszont nem. A két gáz fénye ezért kissé eltolódik egymáshoz képest, éppúgy, ahogy a közeledő vagy távolodó mentőautó szirénája is magasabbnak vagy mélyebbnek hallatszik egy álló mentőautó szirénájához képest. Ebből az apró eltolódásból meghatározható, milyen gyorsan mozog a fekete lyuk a saját galaxisához képest.
Rekordfényes fekete lyukat találtak, 10 billió Nap fényével világít
Amerikai kutatók még 2018-ban fedezték fel azt az eseményt, amely 10 milliárd fényévre játszódik a Földtől. A főszerepet egy szupermasszív fekete lyuk és egy gigantikus csillag játsszák.
A másik információ a por mennyisége. A fekete lyuk körüli por vörösebbé teszi a kvazár fényét, ahogy a lenyugvó Nap is vörösnek látszik a vastag levegőrétegen át. Ha egy kvazár vörösebb a hozzá hasonlókhoz képest, az annak a jele, hogy több por takarja.
Raffai Péter, Haiman Zoltán és Frei Zsolt 2016-ban számítógépes modellekkel azt vizsgálta, mit látnánk, ha a kvazárok egy részében a fekete lyuk a galaxis magja körül ingázó, kilökődött objektum lenne. Arra jutottak, hogy a sebesség és a pormennyiség között összefüggésnek kell lennie: a fekete lyuk a galaxis közepén mozog a leggyorsabban, és éppen ott a legsűrűbb a por is. A gyorsabban mozgó fekete lyukakat tartalmazó kvazárokat tehát átlagosan több pornak kell takarnia. A szerzők már akkor rámutattak, hogy ezt az összefüggést nagy kvazárkatalógusok valódi adataiban lehet megkeresni.
„Az összefüggést, amelyet egykor megjósoltunk, most valódi megfigyelési adatokban is kimutattuk. Az eredményeink segíthetnek megérteni, milyen folyamatok zajlanak a galaxisok magjaiban, és milyen szerepet játszanak ezekben az einsteini gravitációs hullámok” – mondta Raffai Péter, az ELTE egyetemi docense, a 2016-os publikáció első szerzője.
Tű a szénakazalban
Az elméletet bizonyító vizsgálatot Bécsy Bence és munkatársai végezték el. A kutatók a Sloan Digital Sky Survey égboltfelmérés kvazárkatalógusából mintegy százezer olyan kvazárt elemeztek, amelyről megfelelő minőségű adatok álltak rendelkezésre. Mindegyiknél meghatározták a fekete lyuk sebességét és a kvazár vörösödését, majd megvizsgálták, van-e kapcsolat a kettő között.
Az adatokban megjelent a tíz éve megjósolt összefüggés: a gyorsabban mozgó fekete lyukakat tartalmazó kvazárok átlagosan vörösebbek, vagyis több por takarja őket. Az egyedi kvazárok közötti természetes eltérések miatt a kapcsolat egy-egy objektum esetén nehezen mutatható ki, a hatalmas mintában azonban statisztikailag rendkívül erős. A leglátványosabb különbség a legporosabb kvazároknál mutatkozik: a leggyorsabban mozgó fekete lyukakat tartalmazó kvazárok között háromszor akkora arányban találni erősen porba burkolt objektumokat, mint a leglassabbak között.
Elkapták a pillanatot, ahogy táplálkozni kezdett egy szupermasszív fekete lyuk
A Birminghami Egyetem tudósai egy 500 millió fényévről érkező gravitációs hullám eredetét keresték, de 10 milliárd fényévre egy sokkal érdekesebb dolgot láttak.
„Egyetlen kvazárról nagyon nehéz bizonyítani, hogy a fekete lyuka kilökődött, mert más jelenségek is okozhatnak hasonló jeleket. Kutatásunk újdonsága, hogy nem egyedi jelölteket, hanem egy egész populáció nyomait kerestük statisztikai módszerekkel. Így sikerült egy olyan összefüggést kimutatnunk, amely összhangban van az elméleti előrejelzésekkel” – mondta Bécsy Bence, a tanulmány első szerzője.
A kutatók több ellenőrző vizsgálatot is végeztek. Az eredmény különböző adatválogatási és mérési eljárások mellett is fennmaradt, amikor pedig csak olyan gázfelhők fényét hasonlították össze, amelyek egyike sem követi a fekete lyuk mozgását, a pozitív kapcsolat nem jelent meg.
A megfigyelt összefüggés legtermészetesebb magyarázata az, hogy a vizsgált kvazárok egy részében egy korábbi összeolvadás után kilökődött szupermasszív fekete lyukat látunk. Ha ez az értelmezés helyes, a jel erősségéből az is következik, hogy a vizsgált kvazárok nagyjából felében a közelmúltban olvadt össze két fekete lyuk. A szerzők ugyanakkor hangsúlyozzák, hogy ez a becslés még bizonytalan, és más fizikai folyamatokat sem lehet teljesen kizárni. Ehhez további megfigyelésekre és részletesebb modellekre lesz szükség.
A kilökődött fekete lyukak kutatása a jövőbeni legnagyobb gravitációshullám-műszer előkészítéséhez is hozzájárul. Az Európai Űrügynökség 2035-ben indítja útjára a LISA űrobszervatóriumot: három, egymástól 2,5 millió kilométerre keringő űrszondát, amely közvetlenül fogja észlelni a szupermasszív fekete lyukak összeolvadásának gravitációs hullámait, vagyis éppen azokat az eseményeket, amelyeknek a nyomát most a kvazárok fényében megtalálták.
Ha máskor is tudni szeretne hasonló dolgokról, lájkolja a HVG Tech rovatának tudományos felfedezésekről is hírt adó Facebook-oldalát.
