A fekete lyuk egy rendkívül erős gravitációs mező, amely akkor marad hátra, amikor egy nagy tömegű csillag magja egy rendkívül kicsi térrészbe omlik össze.
A fekete lyukak között azonban óriási különbségek vannak: egyesek csillagtömegű objektumok, mások pedig galaxisok középpontjában található, szupernagy tömegű fekete lyukak. A csillagtömegű fekete lyukak maximum néhány száz naptömegűek, míg a galaktikus központokban több milliárd naptömegű objektumok is létezhetnek.
A fekete lyukak legfontosabb részei
Az eseményhorizont a fekete lyuk azon környezete, ahonnan a fény sem képes már elszökni. Magáról a fekete lyukról természeténél fogva nem szerezhetünk közvetlenül információt, a belső sötét térrész pedig csak az eseményhorizontnál körülbelül 2,4-szer nagyobb úgynevezett gravitációs „árnyék”.
A fekete lyuk környezetében örvénylő forró plazmáról viszont sok információ szerezhető. A körülötte kialakuló anyagkorongot akkréciós korongnak nevezik, és a benne található anyag elektromágneses sugárzást bocsát ki.
A detektált elektromágneses sugárzás polarizáltsága alapján a kutatók a fekete lyuk körüli mágneses tér alakjára is következtethetnek. A polarizáltsági mintázat hasonlóan mutatja a mágneses tér alakját, mint a rúdmágnes köré szórt vasreszelék által kirajzolt ívek.
A legnagyobb ismert szupernagy tömegű fekete lyukak
Új eredményeiket a kutatók a Nature című lapban közölték. A szóban forgó fekete lyukak két elliptikus galaxis szívében bújnak meg.
Az egyik galaxis az NGC 3842 jelű, tőlünk 320 millió fényévre található, az Oroszlán csillagképben. A másik galaxis az NGC 4889 azonosítót viseli. Ez a legfényesebb galaxis a Coma-halmazban, s távolsága 336 millió fényév.
Korábban a legnagyobb tömegű fekete lyuk rekordját tartó objektum 6,3 milliárd naptömegű volt, az M87-es jelű galaxisban. Az új trónkövetelők legalább 9,7 milliárdszor nagyobb tömegűek Napunknál.
Az eseményhorizontjaik a becslések szerint ötször akkora, mint a Plútó Naptól való távolsága, és gravitációs befolyási övezetük akár 4000 fényévre is kiterjed.
| Galaxis | Távolság | Fekete lyuk tömege |
|---|---|---|
| NGC 3842 | 320 millió fényév | legalább 9,7 milliárd naptömeg |
| NGC 4889 | 336 millió fényév | legalább 9,7 milliárd naptömeg |
| M87 | 53,5 millió fényév | 6,3 milliárd naptömeg |
Az NGC 3842 galaxisban felfedezett fekete lyuk mérete elég nagy ahhoz, hogy Naprendszerünk sokszorosan elférjen benne.
Hogyan alakulnak ki a galaktikus központok fekete lyukai?
A legtöbb galaxis szívében megbúvó feketelyuk-szörnyek feltehetően kvazárokból maradtak vissza.
A korai univerzumban számos kvazár és aktív galaxismag létezett. Az elképzelések szerint sok ilyen objektumban működhettek 10 milliárd naptömegű fekete lyukak.
Ezek az egykor aktív fekete lyukak napjainkban „nyugdíjasok”. Azok az idők, míg anyagot nyeltek el, örökre elmúltak.
Chung-Pei Ma galaxisütközéseket tanulmányozott számítógépes szimulációk segítségével. Ennek során arra a következtetésre jutott, hogy a legnagyobb tömegű fekete lyukak elliptikus galaxisokban találhatóak, melyek az elképzelések szerint két spirálgalaxis összeolvadása során jönnek létre.
Művészi elképzelés mutatja az elliptikus galaxis szívében megbúvó fekete lyuk körül keringő csillagokat.
Hogyan mérik egy fekete lyuk tömegét?
A két inaktív, de hatalmas galaxismagról bemutatott eredményeket a Hawaii-szigeteken levő Gemini és Keck teleszkópokkal, valamint a texasi McDonald Obszervatórium távcsövével kapták, a galaxisok középpontja körül keringő csillagok sebességének mérésével.
A szupernagy tömegű fekete lyukak környezetét, az aktív galaxismagokat több hullámsávban is vizsgálják a csillagászok földi és űrteleszkópokkal.
A csillagok mozgása azért fontos, mert a fekete lyuk erős gravitációs tere befolyásolja a galaxis középpontja körül keringő csillagok sebességét és pályáját. A mérési adatokból a kutatók következtetni tudnak az objektum tömegére és gravitációs hatásának kiterjedésére.
Az M87* és az első fekete lyukfelvétel
Aki az utóbbi időben rendszeresen böngészett csillagászati híreket, az garantáltan találkozott már az M87 galaxisban található szupernagy tömegű fekete lyukról (M87*), pontosabban annak közvetlen környezetéről készült felvétellel.
Az M87 53,5 millió fényévre lévő galaxis. A 2019 áprilisában bemutatott, narancssárgás fánkra hasonlító kép jelentősége óriási.
Az ominózus első felvétel az M87 galaxis centrumában lévő szupernagy tömegű fekete lyuk környezetéről készült.
Bár magáról a fekete lyukról természeténél fogva nem szerezhettünk közvetlenül információt, a körülötte örvénylő forró plazmáról viszont annál inkább, megerősítve az akkréciós modellek és a relativitáselmélet előrejelzéseit.
Az Event Horizon Telescope működése
A híres fekete lyukfelvétel már nyolc rádióteleszkóp együttműködéséből született.
Emellett a megfigyelés valódi technikai mérföldkőnek is számított, ekkor sikerült ugyanis először alkalmazni a világ több pontján lévő teleszkópokat összekapcsoló rádióinterferometriás méréseket a rendkívüli precíziót igénylő milliméteres hullámhosszakon.
A 2017. áprilisi megfigyelések alkalmával a nyolc obszervatóriumot tömörítő Event Horizon Telescope (EHT) program csak a szuperszámítógépes adatfeldolgozást igénylő technológia révén érhette el a szükséges 20 mikroívmásodperces szögfelbontást.
Az EHT megfigyeléseiből kinyerhető tudományos eredmények nem szűntek meg a híres „pillanatfelvétel” 2019-es publikálásával.
Az M87* változó plazmakörnyezete
A kutatók a kép készítése során nyert modellezési tapasztalatokat felhasználva képesek voltak visszamenőlegesen is szimulálni, hogy miként nézhetett ki a fekete lyuk környezete 2009 és 2013 között, amikor nyolc helyett csak 3-4 rádióteleszkóp figyelte meg az 53 millió fényévre lévő galaxis centrumát.
Az eredmények alapján a fekete lyuk körüli plazmakorong mérete többé-kevésbé állandónak mutatkozott, ám a legfényesebb régiója viszonylag gyorsan változtatta a pozícióját.
Az M87* fekete lyukról készített pillanatkép, valamint az EHT teleszkóphálózat 2009 és 2017 közötti részleges méréseiből visszaszámolt modellek egyaránt azt mutatják, hogy a környezet szerkezete időben változhat.
A mágneses tér és az anyagkilövellés
Az adatok újbóli elemzéséből azt is sikerült megállapítani, hogy milyen lehet a fekete lyuk körüli anyagkorong mágneses tere.
Ehhez a detektált elektromágneses sugárzás polarizáltságát vették alapul, amelynek kialakulása a mágneses erővonalak mentén mozgó nagy sebességű elektronokhoz kötődik.
Az M87* fekete lyuk körüli akkréciós korong és a polarizált fény ívei, valamint a különböző irányú mágneses terek modelljeiből számolt polarizációs mintázatok alapján vizsgálható a fekete lyuk közvetlen környezete.
A legfrissebb publikációban a négy évvel ezelőtti interferometrikus méréseket kísérő, szinte példa nélküli obszervációs kampány eredményeit összegzik, amelynek során az EHT erőforrásain felül további 19 teleszkóp figyelte meg az M87 galaxist.
A grandiózus projektben 32 állam közel 200 tudományos intézetének 760 kutatója és mérnöke dolgozott azon, hogy a fekete lyukfelvétel készítésének idejéről a lehető legteljesebb spektrumon kaphassanak képet a galaxis centrumáról és az abból származó anyagkilövellésről, vagyis a jetről.
A 19 teleszkóp megfigyeléseiből származó eredmények az M87 valódi arcát mutatják meg a teljes elektromágneses színképen.
Magának a galaxisnak az elliptikus alakja és óriási, több százezer fényévnyi kiterjedése a Hubble-űrtávcső optikai felvételein rajzolódik ki a legszebben.
A központi jet egyaránt remekül tanulmányozható a Chandra által detektált röntgenfotonok révén és a rádiótávcsövek hosszabb hullámhosszain.
Az M87 centrumának feltérképezéséhez szükséges szögfelbontásra már csak a milliméteres hullámhosszakon működő rádióinterferometria képes.
A jet eredete és a kozmikus részecskék gyorsítása
A mérések elsődleges célja a jet és a szupernagy tömegű fekete lyuk közti kapcsolat megfejtése.
A főként elektronokból és protonokból álló relativisztikus sebességű anyagkiáramlás egyértelműen a fekete lyuk körüli anyagkorongból származik.
Az is valószínűsíthető, hogy a mágneses tér segíthet megszökni a részecskéknek a gravitációs kútból, a pontos folyamat ugyanakkor mind a mai napig nem ismert.
Hasonlóan nem tisztázott a rendkívüli, a CERN Nagy Hadronütköztetőjénél is milliószor nagyobb energiájú kozmikus részecskék gyorsítási mechanizmusa, amelyek régóta feltételezett forrása a szupernagy tömegű fekete lyukak környezete.
Valamit ténylegesen látunk, valamit azonban csak modellezni tudunk.
Az M87* kutatásának folytatása
Ezekre a kérdésekre még a most publikált megfigyelések ismeretében sem lehet választ adni, szükséges ugyanis az egyes jellemzők változásainak vizsgálata is.
Az M87* megfigyelésének története tovább folytatódik, ezzel együtt pedig a rendkívül sikeres kísérő mérési kampánynak is biztosan lesz folytatása.
Az EHT két év szünet után új mérési sorozatba kezdett, ezúttal pedig már több célpontja is lesz az immáron 11 rádióobszervatóriumot tömörítő tudományos együttműködésnek, köztük a négy évvel ezelőtt vizsgált M87 is.
Mielőtt azonban láthatnánk, hogy miként változott meg négy év alatt a távoli galaxis centruma és az abból származó anyagkiáramlás, egy talán még izgalmasabb eredményre számíthatunk.
Valahol ott rejtőzködik a Tejútrendszer szupernagy tömegű fekete lyuka, a Sgr A*.
Fekete lyukak összeolvadása és gravitációs hullámok
A fizikusok először egy évtizeddel ezelőtt detektálták azokat a térben terjedő apró hullámokat, amelyeket két fekete lyuk okozott, ahogy egymás felé sodródtak egy, a kozmoszt megrázó ütközés során.
A LIGO 2015-ben írt történelmet, amikor először detektált gravitációs hullámokat. Akkor a hullámok egy feketelyuk-páros összeolvadásból származtak, amelynek eredményeként egy, a Nap tömegének 62-szeresét kitevő fekete lyuk jött létre.
A LIGO lézerinterferométeres gravitációshullám-obszervatórium, két hatalmas optikai létesítménye Louisiana és Washington államban, valamint az olaszországi Virgo detektor több mint 300 ilyen összeolvadást észlelt.
A mostani észlelést rögzítő LIGO, valamint a kollaborációban még részt vevő Virgo és KAGRA gravitációs hullám detektorokat azért tervezték, hogy a kozmikus események által okozott apró téridő-torzulásokat mérjék.
Amikor két fekete lyuk párba áll, és a fénysebesség jelentős hányadával haladva zuhan egymás felé, spirális gravitációs hullámokat bocsátanak ki.
A LIGO és a Virgo a tér átmeneti megnyúlásait és összehúzódásait mérik. Ezeket a hullámokat rövid oszcillációs jelekként érzékelik, amelyek frekvenciája és amplitúdója növekszik, mielőtt a fekete lyukak tényleges összeolvadása bekövetkezne.
Két fekete lyuk egyesül egybe
A GW231123 rekorderejű eseménye
Minden eddiginél nagyobb tömegű feketelyuk-kettős összeolvadást detektált az amerikai Nemzeti Tudományos Alap által finanszírozott LIGO obszervatóriumokkal a LIGO-Virgo-KAGRA együttműködés.
A GW231123 jelzésű jelet az úgynevezett negyedik megfigyelési időszakban észlelték a LIGO Livingstonban (Louisiana állam) és Hanfordban (Washington állam) található ikerdetektorai, 2023. november 23-án.
A most közzétett esemény során egy olyan végső fekete lyuk keletkezett, amely a Nap tömegének körülbelül 225-szöröse, vagyis minden eddig detektáltnál nagyobb.
A születő fekete lyuk két fekete lyuk összeolvadásából keletkezett, amelyek tömege körülbelül 100, illetve 140 naptömeg volt, ráadásul rendkívül gyorsan forog is.
A GW231123 eseményben részt vevő fekete lyukak nagy tömege és rendkívül gyors forgása, amely közel van az Einstein általános relativitáselmélete szerint elképzelhető maximális forgási sebességhez, kihívások elé állítja mind a gravitációs hullámok detektálásának technológiáját, mind az elméleti modelleket.
Mivel itt nagyon nagy tömegű fekete lyuk párosról van szó, ezt nagyon messziről is képes volt érzékelni a LIGO obszervatórium.
| Jellemző | Érték |
|---|---|
| Esemény | GW231123 |
| Észlelés dátuma | 2023. november 23. |
| Első fekete lyuk tömege | körülbelül 100 naptömeg |
| Második fekete lyuk tömege | körülbelül 140 naptömeg |
| Végső fekete lyuk tömege | körülbelül 225 naptömeg |
Hogyan keletkeznek a fekete lyukpárok?
A LIGO eredményei előtt az elméleti fizikusok két általános módot tartottak valószínűnek, ahogyan a fekete lyukak párba állhatnak.
Ezek kialakulhatnak két csillagból, amelyek ugyanabból a kavargó gázfelhőből keletkezve egymás körül keringtek - ezek az úgynevezett „mezőbeli kettősök”.
Vagy külön-külön is formálódhatnak, majd állhatnak össze egy olyan gravitációs kölcsönhatásban, amely során egy harmadik objektum kidobódik a rendszerből.
Az ilyen dinamikus összeolvadások legvalószínűbb helyszínei a fekete lyukakban gazdag, sűrű csillaghalmazok.
Az egyes párképzési típusok megkülönböztetéséhez a LIGO és a Virgo kutatói, valamint japán kollégáik a Kamioka Gravitációshullám-detektortól, a KAGRÁ-tól, a fekete lyukak forgásirányát vizsgálták.
A mezőbeli kettősből származó fekete lyukaknak azonos irányba kell forogniuk, ahogyan egymás körül keringenek.
Amikor viszont a fekete lyukak formálódásuk után kerülnek össze, forgásirányuk véletlenszerű lesz.
A forgásirány és a gravitációshullám-jelek
A fekete lyukak forgásirányának gravitációshullám-jelekből történő levezetése nem egyszerű feladat.
Ha a két objektum nagyjából ugyanabba az irányba forog, a forgásból adódó szögimpulzus meghosszabbítja a hullámjeleket.
Ha a forgásirányok nagyjából ellentétesek, akkor a jel rövidebb lesz.
Ha pedig a forgástengelyek a keringési síkban fekszenek, a sík precesszálhat, vagyis billeghet, ami a jel instabilitását okozhatja.
Háromféle fekete lyukpár
A nyilvános LIGO-Virgo-KAGRA-adatok legfrissebb statisztikai elemzései azt mutatják, hogy a feketelyuk-párok legalább három típusba sorolhatók.
| Fekete lyukpár típusa | Tömegviszonyok | Forgás és kialakulás |
|---|---|---|
| Kis tömegű párok | A nagyobb fekete lyuk tömege kevesebb körülbelül 10 naptömegnél | A forgástengely általában párhuzamos a pálya tengelyével; összhangban áll a mezőbeli kettősből való kialakulással |
| Közepes tömegű párok | A nehezebb fekete lyuk tömege 10 és 30 naptömeg között van | A forgás általában véletlenszerű; összhangban áll a dinamikus mechanizmussal |
| Nagy tömegű párok | A nehezebb fekete lyuk tömege meghaladja a 30 naptömeget | A forgás megközelítheti az elméleti maximumot; hierarchikus egyesülésre utalhat |
Mezőbeli kettősök
A kis tömegű párok esetében a nagyobb fekete lyuk tömege kevesebb körülbelül 10 naptömegnél, a pálya tengelyével párhuzamos a forgástengely, és tömegük nem feltétlenül egyenlő, ami összhangban áll a mezőbeli kettősből való kialakulással.
Dinamikusan kialakult párok
Ha a nehezebb fekete lyuk tömege 10 és 30 naptömeg között van, a párok forgása általában véletlenszerűen oszlik el, tömegük pedig hasonló, ami összhangban áll a dinamikus mechanizmussal, amely hatékonyabban köti egymáshoz a nagyjából egyenlő tömegű fekete lyukakat.
Hierarchikus egyesülések
Ha a nehezebb fekete lyuk tömege meghaladja a 30 naptömeget, akkor a fekete lyukak forgási sebessége megközelítheti a tömegük által meghatározott elméleti maximumot, és a könnyebb fekete lyuk tömege általában nagyjából fele a nehezebbnek.
Ezek a jellemzők egy úgynevezett hierarchikus egyesülésre utalnak - egy olyan dinamikus összeolvadásra, amelyben a nehezebb fekete lyuk maga is egy korábbi egyesülés eredménye.
Ebben az esetben a nagyobb fekete lyuk gyorsan forog, mivel az elődeinek pályamozgásából származó szögimpulzust örökölt.
Statisztikai modellek és bizonytalanságok
Egyáltalán nem tűnt biztosnak, hogy mindkét mechanizmus hasonló ütemben hoz létre párokat, ezért a szakértők azt feltételezték, hogy az egyik vagy a másik mechanizmus fog dominálni.
Ez a teória azonban látványosan tévesnek bizonyult.
Ahogy észlelték az egymást követő eseményeket, nem rajzolódott ki egyértelmű minta.
Ugyanakkor az elméleti fizikusok rájöttek, hogy a jelek is kevésbé egyértelműen értelmezhetők, mint ahogyan azt eleinte gondolták.
A galaxis közepén lévő szupernehéz fekete lyuk körüli korongban dinamikusan kialakuló párok hajlamosak lehetnek ugyanabba az irányba forogni, utánozva a mezőbeli kettősöket.
A mezőbeli kettősökben pedig az első csillagot fekete lyukká alakító szupernóva-robbanás drasztikusan megváltoztathatja a másik csillag tengelyirányát és forgását.
Banagiri, Paul Lasky és monashi kollégáik a fekete lyukak típusainak számát változóként kezelték, és bayesi statisztikát alkalmaztak annak kimutatására, hogy az adatok három típust támasztanak alá, és nem többet.
Sylvia Biscoveanu és kollégái hasonló megközelítést alkalmaztak.
Anarya Ray, Kalogera és kollégáik abból indultak ki, hogy háromféle feketelyuk-pár létezik, majd kimutatták, hogy az adatok illeszkedéséhez mindháromnak léteznie kell.
A kutatók arra figyelmeztetnek, hogy a vizsgált mindössze 300 összeolvadás alapján levont következtetések még csak előzetesek.
Ahogy egyre több adat érkezik, és ahogy még nagyobb, érzékenyebb gravitációshullám-detektorokat építenek, a feketelyuk-párok típusai változhatnak és megsokszorozódhatnak.
Ahhoz, hogy biztosabbak legyünk a kérdésben, másfajta adatokra is szükség lesz.
A nagy tömegű csillagok, a kettőscsillagok, a csillaghalmazokban lévő csillagok, valamint az ezeket a fekete lyukakat létrehozó szupernóvák megfigyeléseihez kell fordulnunk.
Mindezeknek egy koherens képet kell alkotniuk.
Hármas csillagrendszerek és fekete lyukak
Vajon van olyan folyamat, amellyel megmagyarázhatjuk az összes csillagtömegű fekete lyukas rendszer kialakulását?
Egy új kutatás szerint lehetséges, mégpedig hármas csillagrendszerek segítségével.
A csillagtömegű fekete lyukak, vagyis azok a fekete lyukak, amelyek maximum néhány száz naptömegűek, és amelyek kialakulása csillagok magjának összeomlásához köthető, a Tejútrendszeren belül számos formában is előfordulnak.
Bár mindhárom felsorolt égitesttípus tartalmaz fekete lyukat, nem teljesen világos az, hogy ezek összefüggenek egymással valamilyen módon.
Felvetődik tehát a kérdés: vajon a kis tömegű röntgenkettősök ugyanúgy keletkeznek, mint a LIGO-val detektált feketelyuk-kettősök?
A kutatók által megalkotott forgatókönyv alapján adott egy hármas csillagrendszer, amelynek tagjai gravitációsan kötöttek egymáshoz.
A rendszer tagjai közül kettő egymáshoz közel pályán kering, a harmadik pedig tőlük némileg messzebb.
Amikor a két, egymáshoz közel keringő csillag magja fekete lyukká omlik össze, az újonnan kialakult, kis tömegű fekete lyukak egymásba spiráloznak olyan módon, mint ahogy azt a LIGO-val is megfigyelték.
Miért fontosak az összeolvadások?
Ha a feketelyuk-párok valóban többféle módon és több helyen is kialakulnak, akkor ezek összeolvadásai ablakként szolgálhatnak a kozmosz ezen zugaiba.
A fekete lyukak összeolvadásának megfigyelése nem csupán magukról az objektumokról ad információt, hanem a csillagok fejlődéséről, a csillaghalmazokról, a galaxisok központjáról és a szupernóvák működéséről is.
A LIGO és társai által érzékelt jelek segítségével olyan események vizsgálhatók, amelyek elektromágneses sugárzással nem feltétlenül lennének megfigyelhetők.
Az új eredmények azt mutatják, hogy a fekete lyukak kialakulása és párosodása több különböző kozmikus környezetben, több eltérő fizikai folyamat révén történhet.
