2015.09.18. - Kettős fekete lyukat fedeztek fel magyar csillagászok

Magyar és német kutatók rádiócsillagászati mérések alapján kimutatták, hogy a PG 1302-102 katalógusjelű kvazár centrumában szupernagy tömegű fekete lyukak párosa rejtőzködik.

Az eredmény előzménye egy amerikai csillagászokból álló csoport munkája, akik periodikus jelek után kutatva a Catalina Real-time Transient Survey (CRTS) által rendszeresen mért mintegy 247 ezer kvazár optikai fényváltozását vizsgálták. A legfeltűnőbb periodicitást a PG 1302-102 jelű kvazár mutatta: fényváltozásának észlelt periódusa 1884±88 nap.

Az aktív galaxismagok (active galactic nuclei, AGN), azon belül a legnépesebb osztályukat alkotó kvazárok fényváltozása általában véletlenszerűnek látszik a központjukban zajló anyagbefogási (akkréciós) folyamatok sztochasztikus jellege miatt. Így bármilyen periodikusnak mutatkozó jel valamilyen "extra" folyamat, vagy emissziós komponens jelenlétére utal. A periodikus fényváltozást mutató forrásokat több hullámhosszon megvizsgálva remény nyílhat a változás természetének megfejtésére. Az amerikai csillagászok a PG1302-102 periodikus fényességváltozását szupernagy tömegű kettős fekete lyuk jelenlétével magyarázták. Ezt a feltételezést támasztották alá a kvazár optikai színképében talált jellegzetességek is.

A PG 1302-102 kvazár közel 20 évet átfogó kombinált optikai fénygörbéje különböző teleszkópok adatai alapján.
[Graham és mtsai, 2015]

Az AGN-ek magjában lévő fekete lyukak a galaxis méretével vetekedő, illetve azt több esetben jócskán meghaladó méretű nyalábokat fújnak ki magukból. Ezek a részecskenyalábok, az ún. jetek (kilövellések) a központi fekete lyuk közvetlen közeléből indulnak, anyaguk pedig az akkréciós korongban áramló forró plazmából származik. A kilövellésekben mozgó részecskék relativisztikus sebessége miatt az általuk kibocsátott elektromágneses sugárzás a megfigyelő irányába mutató, közeledő nyalábban akár az eredeti ezerszeresére is képes felerősödni, míg a távoldóban ugyanakkora arányban gyengülni - ezt nevezzük Doppler-nyalábolásnak. A nyalábolás mértéke függ a jet eredeti fényességétől, a részecskék terjedési sebességétől, illetve a kilövellés szimmetriatengelyének látóiránnyal bezárt szögétől (inklináció). A PG 1302-102 optikai fényváltozását modellezve az amerikai kutatócsoport meghatározta, hogy milyen geometria mellett magyarázható Doppler-nyalábolással az észlelt optikai periodicitás. Eredményeikről ez év elején számoltak be a Nature című folyóiratban.

A kilövellések szerkezetét a nagyon hosszú bázisvonalú interferometria (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) módszerével már a hétköznapinak mondható 0,1 ezred ívmásodperc (az 1 fok 36 milliomod része!) felbontás mellett vizsgálják a rádiócsillagászok. A MOJAVE program aktív galaxisok kilövelléseinek százairól szolgáltat az amerikai Very Long Baseline Array (VLBA) rádióinterferométer-hálózattal 15 GHz-es észlelési frekvencián készült méréseket. Számos esetben akár 20 évet átfogó, jó mintavételezésű méréssorozat áll rendelkezésre, az adatokat feldolgozva így az adott forrás szerkezetének időbeli fejlődését is nyomon követhetjük. Ehhez a jet felületi fényességeloszlását kell összetevőkre bontani, és a komponensek pozíciót a legfényesebb, állandó helyzetűnek tekintett maghoz képest megadni. Így a különböző időpontokban felvett rádiótérképek alapján fény derülhet a kilövellés szerkezetének modulációjára. Periodicitást mutató esetben az egyik lehetséges magyarázat a jet kiindulási pontjánál levő fekete lyuk pályamozgása.

A Kun Emma (Szegedi Tudományegyetem) által vezetett, öt magyar és egy német csillagászból álló kutatócsoport a PG 1302-102 kvazár kilövellésének szerkezetét vizsgálta különböző rádióhullámhosszakon végzett, bárki által hozzáférhető mérések alapján, azt remélve, hogy eredményeik segítenek megérteni a kvazár optikai fényességváltozásának periodicitását okozó folyamatot. A kis skálájú szerkezetet a MOJAVE program által közzétett, 17 évet átfogó, 20 időpontban felvett VLBA-adatok, a nagyléptékű struktúrát pedig a Very Large Array (VLA) rádióinterferométer-hálózattal 1,4 és 5 GHz frekvenciákon felvett adatok alapján vizsgálták.

A PG 1302-102 kvazár kilövellésében azonosított hat komponens VLBI-maghoz viszonyított égi pozíciói. A szaggatott vonalak a jet látszólagos nyílásszögét mutatják. Vetítési okok miatt ez a valódi nyílásszögnél jóval nagyobb.
[Kun és mtsai, 2015]

A kis skálájú szerkezet vizsgálata alapján ahhoz hasonló jet-konfigurációt kaptak, mint amit Doppler-nyalábolást feltételezve az amerikai csillagászok számoltak ki az optikai fényváltozás modellezéséből. Ez alátámasztja az optikai fényváltozás és a rádiófrekvenciás szerkezet változásának közös eredetét - a periodikus kilövellést. A fizikai kép szerint a periodikusan változó irányba kilőtt komponensek összfényessége periodikus Doppler-nyalábolást mutat, ezt látjuk az optikai tartományban, a szerkezeti változások pedig „közvetlenül” láthatók a rádiótérképeken. A jelenlegi eredmények alapján legvalószínűbbnek tartott forgatókönyv szerint a nyalábot indító, nagyobb tömegű fekete lyuk pályamozgása perturbálja a részecskék kilövését. A megfigyelésekkel összeegyeztethető, kettős fekete lyukat feltételező modell paraméterei a korábbi független mérésekből számolt össztömeget (400 millió naptömeg) felhasználva a következők: a pályaperiódus kb. 4 év, a szeparáció 0,03 fényév körüli, a két fekete lyuk tömegének aránya pedig 0,08-nál nagyobb.

A modellezett kettős fekete lyuk az összeolvadást megelőző ún. bespirálozás fázisában van, vagyis perturbált Kepler-mozgásának energiáját leginkább a gravitációs hullámok csökkentik. A spin-pálya csatolás hatására a keringő fekete lyuk forgástengelye precessziót is végez a pár éves pályaperiódusnál sokkal hosszabb, több ezer éves időskálán, amit a jet is követ. Ez a jelenség természetesen csak a forrás több ezer, vagy akár több millió évvel korábbi állapotát tükröző nagy skálájú szerkezet vizsgálatával tárható fel. A PG 1302-102 kvazár északi kilövellése valóban a várt helikális szerkezetet mutatja, a déli iránya viszont jelentősen eltér attól, amit az északi jet alapján várnánk. A kis és nagy skálájú kilövellések inklinációja közötti mintegy 60 fokos különbség magyarázata még várat magára, a megoldáshoz közepes felbontáson kellene megvizsgálni a nyalábot. A nagy skálájú jet magyarázatához nem elég a feketelyuk-kettős feltételezése, valamilyen más, a déli jet eltérülését okozó folyamat - például kölcsönhatás a sűrű csillagközi anyaggal - is szükséges hozzá. A PG 1302-102 kvazár kilövellése minden bizonnyal tartogat még meglepetéseket.

Az eredményeket részletező szakcikk a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society c. folyóiratban fog megjelenni.

Forrás:

• arXiv:1501.01375 [astro-ph.GA]
• arXiv:1506.07036 [astro-ph.HE]