Sötét titkot rejtenek az ősi galaxisok magjai

A „vörös rögöknek" nevezett objektumok a galaxisok különleges, ritka típusát alkotják, ezek az ősrobbanás utáni első évmilliárdban létrejött, első nagy tömegű galaxisok maradványai. Legtöbbjük a világegyetem története során összeolvadt más galaxisokkal, néhány azonban megmaradt ősi állapotában. Legújabban az egyik MTA–ELTE Lendület kutatócsoport vezetője egy nemzetközi csapattal a Chandra-röntgentávcső megfigyelései alapján kimutatta, milyen hatással vannak a „vörös rögök" magjában lévő fekete lyukak a csillagok kialakulására.

A csillagászok egy évtizeddel ezelőtt fedezték fel a galaxisoknak azt a nagy tömegű egyedekből álló, kicsiny populációját, amelyet „vörös rögöknek" (red nuggets) neveztek el. A nagyon távoli objektumokat először a Hubble-űrtávcső felvételein azonosították, távolságuk az ősrobbanás utáni három–négy milliárd évvel ezelőtti állapotot jelez.

Kiderült, hogy a vörös rögök az első, nagy tömegű galaxisok maradványai, amelyek az ősrobbanást követő egymilliárd év során jöttek létre.

Egyúttal feltételezik, hogy a vörös rögök lehetnek azoknak az óriás elliptikus galaxisoknak az ősei, amelyeket a Világegyetem közelebbi részein figyelhetünk meg. A vörös rögök tömege hasonló ezeknek az óriás elliptikus galaxisoknak a tömegéhez, méretük azonban csupán körülbelül ötöde azokénak.

A legtöbb vörös rög az évmilliárdok során egyesült más galaxisokkal, kis hányaduk azonban átvészelte az univerzum történelmét anélkül, hogy közelebbi kapcsolatba került volna más galaxisokkal, így lényegében érintetlen állapotukban maradtak meg.

Következésképpen az aranyrögökről elnevezett galaxistípus tagjai valóban igazi kincsesbányát jelentenek a csillagászoknak, amikor arra kíváncsiak, hogyan fejlődtek a galaxisok és a magjukban lévő, szupernagy tömegű fekete lyukak az évmilliárdokon át tartó elszigeteltségben.

Fantáziarajz az MRK 1216 „vörös rög" típusú galaxisról, közepén a szokásosnál is nagyobb óriás fekete lyukkal. A kis kép a galaxisnak a Chandra-röntgentávcső megfigyelései alapján előállított képét mutatja Forrás: NASA/CXC/MTA-Eötvös University/N. Werner et al.; grafika: NASA/CXC/M. Weiss

Mohó fekete lyukak a középpontban

A NASA június végén sajtóközleményben adott hírt egy, a vörös rögökre vonatkozó új kutatási eredményről, amely szerint a galaxisok magjában található óriás fekete lyukak ezekben a galaxisokban elfojtják a csillagok keletkezését, miközben a csillagok felhasználatlan üzemanyagát magukévá téve szokatlanul nagyra híznak.

A felfedezést az a nemzetközi kutatócsoport tette, amelynek vezetője (és a felfedezésről hírt adó tudományos publikáció első szerzője) Werner Norbert, az ELTE Fizikai Intézetében 2016 óta működő MTA–ELTE Lendület Forró Univerzum Kutatócsoport vezetője, aki emellett a brnói Masaryk Egyetem Elméleti Fizikai és Asztrofizikai Tanszéke, valamint Hirosimai Egyetem Természettudományi Karának munkatársa is. Egyik szerzőtársa, Kiran Lakhchaura részben ugyanebben a Lendület csoportban, részben az új Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program keretében dolgozik. Rajtuk kívül japán és amerikai egyetemeken dolgozó csillagászok vettek részt a munkában. Kutatásaikhoz a NASA röntgencsillagászati űrobszervatóriuma, a Chandra méréseit használták. Eredményeiket ismertető publikációjuk a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society című folyóiratban idén márciusban jelent meg.

A Chandra-űrtávcsővel két ilyen elszigetelt galaxisban (MRK 1216 és PGC 032673) vizsgálták a forró gáz tulajdonságait. Bár a legrégebbi vörös rögök több milliárd fényév távolságban vannak, a két vizsgált objektum távolsága „mindössze" 295 millió, illetve 344 millió fényév. A két galaxis mintegy 13 milliárd év óta létezik, méghozzá anélkül, hogy eközben más galaxisokkal kölcsönhatásba kerültek volna, ami ritkaság, mert a galaxisok közötti kölcsönhatások, ütközések, összeolvadások meglehetősen gyakoriak a Világegyetemben. A termikus röntgensugárzást kibocsátó, vagyis több millió fokos hőmérsékletű gáz vizsgálata betekintést nyújt azokban a folyamatokba, amelyeket a galaxisokban lévő óriás fekete lyuk generál.

Megállapítottuk, hogy a fekete lyukak elhatalmasodnak ezekben a galaxisokban, ami nem kedvez a csillagok kialakulásának"

– fogalmazott Werner Norbert a NASA sajtóközleményében.

Pusztító forróság, galaktikus étvágy

A csillagászok régóta tudják, hogy a fekete lyukba behulló anyagot az erős gravitációs és mágneses tér kifelé térítheti. Az így kialakuló nagy sebességű gázkilövellések (jetek) elfojtják a csillagkeletkezést, mert a fekete lyuk közelében lejátszódó, heves folyamatok intenzív energiaforrást jelentenek, kisugárzott hőjük pedig megakadályozza, hogy a galaxisban a csillagközi gáz eléggé lehűljön ahhoz, hogy tömegesen csillagok keletkezhessenek belőle.

Az MRK 1216 „vörös rög” galaxis képe az optikai (Hubble-űrtávcső) és a röntgen (Chandra-röntgentávcső) tartományban Forrás: NASA/CXC/MTA-Eötvös University/N. Werner et al.; optikai: NASA/STScI

Az MRK 1216 galaxis középpontjában a gáz forróbb a környezeténél, ami a fekete lyuk közelmúltbeli fűtő hatását mutatja. A galaxis középpontjából rádiósugárzás is érkezik, ami a fekete lyukból kiinduló gázkilövellések jele. Végül, a fekete lyuk közelében a röntgensugárzás mintegy százmilliószor gyengébb a fekete lyukak maximális növekedési sebességét megszabó elméleti határnál (az úgynevezett Eddington-határnál), ahol a kifelé ható sugárnyomás egyensúlyt tart a gravitációs vonzással.

Mindezen megfigyelési tények együttesen határozottan azt bizonyítják, hogy ezekben a vörös rögökben a központi fekete lyuk aktivitása elnyomja az új csillagok keletkezését.

A fekete lyukak és a forró gáz között másfajta kapcsolat is lehet. A szerzők véleménye szerint a két galaxisban lévő fekete lyuk tömegének jelentős hányada a galaxisokat körülvevő gázból származik. Az MRK 1216 és a PGC 032873 galaxisokban található fekete lyukak az ismert legnagyobbak közé tartoznak, a középpontjuk közelében lévő csillagok sebességének optikai megfigyelése alapján becsült tömegük körülbelül 5 milliárd naptömeg lehet. Továbbá, az MRK 1216-ban lévő fekete lyuk tömege biztosan, a PGC 032873-ben lévőé pedig valószínűleg a galaxisok központi tartományában található csillagok együttes tömegének néhány százalékát teszik ki, míg ugyanez az arány a legtöbb galaxisban körülbelül egy nagyságrenddel kisebb.

Úgy tűnik tehát, hogy a fekete lyukak nemcsak gátolják a csillagok keletkezését, hanem a galaxis anyagának egy részét is magukba szippantják.

Végül azt is megállapították, hogy a PGC 032873-ban és körülötte található forró gáz mintegy tízszer halványabb, mint az MRK 1216 körül megfigyelhető gáz. Mivel mindkét galaxis másoktól elszigetelten fejlődött az elmúlt 13 milliárd évben, az eltérést feltételezhetően az okozhatja, hogy a PGC 032873-ban lévő fekete lyuk a múltban sokkal hevesebb kitöréseket produkálhatott, ami elfújta a forró gázt.

Forrás: ELTE