2016.03.18. - Megmérték a 'centenáriumi' szupernagy fekete lyuk forgási periódusát

Két tucatnyi teleszkóp bevonásával egy népes kutatócsoportnak sikerült meghatározni az univerzum legnagyobb tömegű fekete lyukai egyikének forgási periódusát, amely az elméleti maximális érték harmadának adódott.

Két tucatnál is több földi teleszkóp, illetve a NASA Swift röntgentávcsövének megfigyelései alapján egy népes nemzetközi kutatócsoportnak sikerült megmérnie az univerzum egyik legnagyobb tömegű fekete lyukának rotációs periódusát. Az eredmény szerint a forgási ütem harmada annak a maximális értéknek, amellyel a fekete lyuk az általános relativitáselmélet szerint foroghatna. A 18 milliárd naptömegnyi objektum felelős az OJ 287 katalógusjelű kvazár sugárzásáért, amelynek távolsága körülbelül 3,5 milliárd fényév. Az OJ 287 közel van az ekliptikához, a Nap éves látszólagos pályájához. Mivel a kisbolygók és az üstökösök után is főleg az ekliptika mentén kutatnak, a kvazárról több mint 100 éve állnak rendelkezésünkre optikai fotometriai mérések. Ezek alapos elemzése szerint az OJ 287 1891 óta körülbelül 12 évenként kváziperiodikus optikai kitöréseket produkál. Az újabb adatok részletes analízise pedig azt is megmutatta, hogy a kitörések intenzitása kettős csúcsú.

A megfigyelések magyarázatára Mauri Valtonen (University of Turku) és kollégái kifejlesztettek egy modellt, amelyben az OJ 287 kvazárban két eltérő tömegű fekete lyuk párosa található. A nagyobb tömegű fekete lyuk körül a kisebben kívül egy akkréciós korong is kering. A kvazár a tömegbefogási korongból a fekete lyukba hulló, nagyon magas hőmérsékletű anyag elektromágneses sugárzása miatt figyelhető meg. Keringése során a kisebbik fekete lyuk rendszeresen áthalad az akkréciós korongon. Az áthaladási pontok közelében az anyag még jobban felmelegszik, a diszk mindkét oldalán kifelé áramlik, és heteken keresztül nagy plusz intenzitással sugároz. Ez okozza a fényességben tapasztalható maximumokat (kitörések), a kettős intenzitáscsúcs pedig a pálya elliptikus volta miatt lép fel.

Az OJ 287 feketelyuk-kettős sematikus vázlata. A modell előrejelzéseit az észlelések is megerősítették.
[Gary Poyner, UK]

A modell szerint a kisebbik fekete lyuk pályaellipszisének forognia kell, emiatt pedig változik a fekete lyuknak az akkréciós korongon való áthaladási helye és annak időpontja. A pálya precessziója az általános relativitáselmélet következménye, üteme pedig főleg a két fekete lyuk tömegétől és a nagyobbik forgási ütemétől függ. 2010-ben Valtonen és munkatársai az OJ 287 nyolc, pontosan ismert időpontú kitöréséből megmérték a kisebbik fekete lyuk pályájának forgási ütemét, ebből pedig először határozták meg a nagyobbik fekete lyuk forgási periódusát, illetve adtak becslést a fekete lyukak tömegeire. A számításokat valójában az tette kivitelezhetővé, hogy a kisebbik lyuk pályaellipszise keringésenként óriási mértékben, 39 fokkal fordul el. A modell ráadásul azt is jelezte, hogy a következő kitörés az általános relativitáselmélet centenáriuma, 2015. november 25. körül várható.

A jelzett időpontra nemzetközi észlelési kampányt szerveztek. A várt optikai fler 2015. november 18-án kezdődött, maximális fényességét pedig 2015. december 4-én érte el. Ez alapján Valtonen és kollégái közvetlenül meghatározhatták a nagyobbik fekete lyuk forgási ütemét, amely az általános relativitáselmélet által megengedett maximális érték harmadának adódott, más szavakkal az ún. Kerr-paramétere - amelynek maximális értéke 1 lehet - 0,31. Összehasonlításként: a gravitációs hullámok első közvetlen detektálását eredményező feketelyuk-összeolvadás végén létrejött fekete lyuk Kerr-paraméterének becsült értéke valamivel 0,7 alatt van.

Az előrejelzett optikai kitörés bekövetkezte azt is lehetővé tette a kutatók számára, hogy becslést adjanak a gravitációs hullámok formájában való energiavesztés mértékére. Az eredmény 2 százalékon belül megegyezik az általános relativitáselmélet jóslatával. Ez az első közvetett bizonyíték a nagy tömegű, forgó és gravitációs hullámokat kibocsátó kettős fekete lyukak létezésére, egyben biztató jelzés az ilyen rendszerekből származó gravitációs hullámok közvetlen detektálását célzó kísérletek, projektek (lásd Pulsar Timing Array) számára.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal c. folyóiratban jelent meg.

Forrás:

• ScienceDaily 2016.03.10.