Fényvisszhangok forgó fekete lyukaktól

A fekete lyukak önmagukban is egzotikus képződmények. Az új vizsgálatok szerint némelyikük gyorsan forog, ami további extra következményekkel jár. Egy ilyen objektum környezetéből kibocsátott sugárzás külön adagokban érkezhet a megfigyelőhöz, mivel egyes fotonok többször is megkerülik, mielőtt elhagyják. Ezáltal különös "fényvisszhangok" jönnek létre. Új eredmények a fekete lyukakról.

A nagyobb galaxisok centrumában ún. szuper-nagytömegű fekete lyukak találhatók, amelyek tömege sok milliószorosa lehet a Napénak. Kialakulásuk pontosan nem ismert, annyit tudni róluk, hogy fontos szerepet játszanak az adott galaxis fejlődésében. Főleg a galaxis életének kezdetén aktívak, amikor sok gáz áramlik beléjük. A Tejútrendszer centrumában is van ilyen objektum, tömege a becslések alapján 4-6 millió naptömeg körüli (korábban ennél kevesebbre becsülték).

Mivel a központi fekete lyukak sugárzást nem bocsátanak ki, jellemzőikre közvetett módon, a környezetükre kifejtett kölcsönhatások révén lehet következtetni. A Chandra-röntgenteleszkóppal nyolc ilyen hatalmas tömegű fekete lyuk térségéből eltávozó anyagot vizsgáltak. Itt a központi égitest felé spirálozó gáz alkotta korong centrumából két, egymással ellentétes irányú anyagsugár lökődik ki.

Anyagsugár a fekete lyuk közeléből

A megfigyelt hatalmas kiáramlási sebesség kialakulását modellezték Rodrigo Nemmen (Pennsylvania State University) és kollégái. Az általános relativitáselmélet értelmében a forgó testek kis mértékben magukkal "húzzák" a környezetükben lévő téridőt is. A forgó fekete lyukak úgy teszik ezt, hogy közben rendkívüli energiák halmozódnak fel az őket környező ionizált anyagot átjáró mágneses erővonalakban. A jelenség eredményeként az ionizált anyag egy része hatalmas sebességgel kilökődik a térségből.

Négy a Chandra által megfigyelt galaxisok közül (balra), és egy fantáziarajz a centrumukban lévő fekete lyuknál bekövetkező anyagkilökődésről (jobbra) (NASA/CXC/M.Weiss)

A vizsgált fekete lyukak által másodpercenként "kispriccelt" anyag felgyorsításához szükséges energia több tucatszor nagyobb annál, mint amit a Nap egy év alatt kisugároz. A Chandra megfigyelései és az elméleti modellek alapján a vizsgált fekete lyukak nagyságrendileg egy nap alatt fordulhatnak meg maguk körül - ami egy több millió naptömegű objektumnál igen gyorsnak számít.

A "fényvisszhangok" kialakulása

A fekete lyukak forgása nem csak a környezetükből kilövellt anyagot gyorsíthatja fel, hanem a fénysugarak haladására is egzotikus következményekkel jár. A beáramló anyag alkotta korongban alkalmanként gyors energiafelszabadulás, robbanás történik, ami erős felvillanással jár. Az ekkor kisugárzott nagyenergiájú fotonok mozgása erősen függ attól, hogy kibocsátásukkor mely irányba indulnak el.

Ennek megfelelően létezhetnek olyan fotonok, amelyek gyorsan elhagyják a fekete lyuk környezetét - ugyanakkor más esetekben előfordulhat, hogy néhány keringést még végeznek a fekete lyuk körül, mielőtt végleg elhagyják azt. Ezért egy-egy felvillanás sugárzása több, egymástól független adagban is érkezhet a megfigyelőhöz.

A fekete lyuk környezetét elsőként elhagyó sugárzás után érkező "fényvisszhangok" időbeli késése függ a sugárforrás helyzetétől az anyagkorongban, a fekete lyuk tömegétől és forgásától, valamint a megfigyelő és a fenti elemek térbeli helyzetétől. Egy gyorsan pörgő, közel 10 naptömegű fekete lyuktól például durva becslés alapján másodpercenként 1400 fényvisszhang érkezhetne.

A jelenség sikeres megfigyelésére azonban kicsi az esély, mivel a fent említett anyagkorongok sűrűek, a fényvisszhangok pedig könnyen elnyelődhetnek bennük. A fekete lyukak környezetéből eddig rögzített periodikus jelek másodpercenként közel 300-szor ismétlődtek - ami a modellek szerint valamilyen más jelenségtől, nem pedig a fent leírt folyamatoktól állhat elő.

Szuper-nagytömegű fekete lyukak váratlan helyeken

Korábban csak a legnagyobb tömegű galaxisok centrumában találtak ilyen extrém objektumokat. Az új vizsgálatok alapján azonban más a helyezet: a Spitzer-űrteleszkóppal 32 átlagosnak mondható csillagvárost tanulmányoztak, és kiderült, hogy középpontjukban szintén találhatók szuper-nagytömegű fekete lyukak. Eszerint nem feltétlenül szükséges központi sűrűsödés egy galaxisban az ilyen "feketelyuk-szörnyek" létezéséhez, és kialakulásukat más tényező határozza meg. Korábban például kimutatták, hogy minél nagyobb egy galaxisban a csillagok alkotta központi tömegkoncentráció, annál nagyobb az ennek közepében található fekete lyuk tömege.

Fantáziarajz központi fekete lyukakat tartalmazó galaxisokról és a fekete lyukak környezetéből kilövellt anyagsugarakról (NASA/JPL-Caltech)

Az új eredmények fényében egyes szakemberek inkább a láthatatlan tömeg nagyságával hozzák kapcsolatba az adott galaxis centrumában lévő fekete lyuk tömegét. A láthatatlan tömeg szintén a galaxisokban csoportosul, látható sugárzást nem bocsát ki - de elfogadott modellek még nem léteznek arra, miként befolyásolhatja a központi fekete lyukak kialakulását.