Döbbenetes bizonyíték a galaxisunk központi fekete lyuka körül keringő csillagokról

A Tejútrendszer központjának tágabb környezete. A látható fény tartományában rögzített nagy látószögű felvétel a Nyilas csillagkép ködökben gazdag vidékét ábrázolja a Tejútrendszer középpontjának irányában. A felvétel zsúfolva van csillagokkal, ám ennél is több csillag marad rejtve a porfelhők mögött – ezek csak infravörös tartományban láthatóak. A felvételt a Digitized Sky Survey 2 vörös és kék csatornájának képeiből állították össze. A látómező nagyjából 3,5 fok x 3,6 fok

Az Európai Déli Obszervatórium (European Southern Observatory – ESO) Nagyon Nagy Távcsövének interferométerével (Very Large Telescope Interferometer – VLTI) elkészítették az eddigi legérzékenyebb és legrészletesebb felvételeket galaxisunk szupernagy tömegű központi fekete lyukának környezetéről. Az új fényképek hússzor jobb felbontással készültek, mint ami a VLTI előtt lehetséges volt. Ezáltal a csillagászok egy eddig soha nem látott csillagot is azonosítottak a fekete lyuk közvetlen közelében. A Tejútrendszer központi régiójában keringő csillagok pályáinak precíz követése révén a kutatócsoport az eddigi legpontosabb becslést tudta adni a központi fekete lyuk tömegére.

„Minél többet szeretnénk megtudni a Tejútrendszer központi fekete lyukáról, a Sagittarius A*-ról; Pontosan mekkora a tömege? Forog-e? A környező csillagok éppen úgy mozognak-e, ahogyan azt Einstein általános relativitáselmélete alapján várjuk? Ezeket a kérdéseket leginkább úgy tudjuk megválaszolni, ha megfigyeljük a szupernagy tömegű fekete lyuk közelében mozgó csillagokat. Most pedig megmutattuk, hogy ezt minden eddiginél pontosabban meg tudjuk tenni" – magyarázza Reinhard Genzel, a németországi Garchingban működő Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) igazgatója, akit a Sagittarius A* tanulmányozásáért 2020-ban fizikai Nobel-díjjal tüntettek ki.

Genzelnek és kutatócsoportjának legfrissebb eredményei, amelyeket ma két tanulmányban közöltek az Astronomy & Astrophysics című szakfolyóiratban, egy három évtizede zajló kutatási program újabb epizódját jelentik. Immár ennyi ideje követik nyomon a csillagászok a Tejútrendszer központjában lévő óriás tömegű fekete lyuk körül keringő csillagok mozgását.

A GRAVITY-együttműködés néven is ismert kutatócsoport azt tűzte ki céljául, hogy a központhoz az eddig ismerteknél is közelebb találjanak új csillagokat. Ennek érdekében a csillagászok új módszereket dolgoztak ki, amelyek segítségével a galaxis középpontjáról minden eddiginél érzékenyebb és részletesebb felvételeket rögzíthettek.

Ezek a felvételek az ESO Nagyon Nagy Távcsövének interferométeréhez (Very Large Telescope Interferometer – VLTI) kapcsolódó GRAVITY műszerrel készültek 2021 márciusa és júliusa között. Az ábrákon a galaxisunk szívében megbúvó szupernagy tömegű fekete lyuk, az Sgr A* közvetlen közelében keringő csillagokat láthatjuk. Az S29 jelű csillagot pályájának éppen a fekete lyukhoz legközelebbi szakaszán figyelték meg, amikor mindössze 13 milliárd km-re, a Nap–Föld-távolság 90-szeresére volt a centrumtól. Az S300 jelű halvány csillagot pedig ezeken az új VLTI-felvételeken sikerült először megpillantani Forrás: ESO/GRAVITY collaboration

„A VLTI hihetetlen térbeli felbontást tesz lehetővé, így az új felvételekkel mélyebbre hatolhatunk, mint bármikor azelőtt. Lenyűgöz bennünket a képek részletgazdagsága, és az, hogy mennyi csillag és kölcsönhatás tárul fel rajtuk" – lelkendezik Julia Stadler, jelenleg szintén a garchingi Max-Planck-Institut für Astrophysik kutatója, aki a képalkotási módszerek fejlesztését végezte korábbi munkahelyén, az MPE-ben. A legfigyelemreméltóbb eredmény az S300 katalógusjelű csillag felfedezése, amit korábban senki sem látott még. Ez igazolja az új módszerek rendkívüli hatékonyságát a Sagittarius A* körüli halvány csillagok észlelésében.

A kutatócsoport 2021 márciusa és júliusa között végzett legutóbbi megfigyeléseinek célja a központi fekete lyukat legjobban megközelítő csillagok pozícióinak pontos megállapítása volt. Közéjük tartozott a rekordernek számító S29 jelű csillag is, ami 2021 májusának végén járt legközelebb a fekete lyukhoz. Ekkor mindössze 13 milliárd km-re, a Nap–Föld távolság 90-szeresére haladt el a centrumtól, miközben észvesztő, másodpercenkénti 8740 km-es sebességgel száguldott. Ez a központhoz valaha megfigyelt legközelebb elhaladó és a körülötte leggyorsabban keringő csillag.

A kutatócsoport méréseit és a felvételek elkészítését a GRAVITY nevű különleges műszer tette lehetővé, amit több intézet közös együttműködésében fejlesztettek az ESO chilei VLTI rendszeréhez. A GRAVITY az ESO Nagyon Nagy Távcsövének (Very Large Telescope – VLT) mind a négy, egyenként 8,2 m átmérőjű egységtávcsövéből származó fényt összegzi az interferometria módszerével. Ez egy nagyon bonyolult technika, „ám végül hússzor élesebb képet kaphatunk annál, mint amire az egyedi távcsőegységek képesek volnának. Így tárulnak fel előttünk galaxisunk központjának titkai" – avat be bennünket Frank Eisenhauer, az MPE munkatársa, a GRAVITY vezető kutatója.

„A Sagittarius A*-hoz közeli csillagpályák követésével precízen vizsgálhatjuk a hozzánk legközelebbi szupernagy tömegű fekete lyuk gravitációs terét. Így próbának vethetjük alá az általános relativitáselméletet, valamint meghatározhatjuk a fekete lyuk tulajdonságait is" – fejti ki Genzel. Az új adatok, a kutatócsoport korábbi észleléseivel kiegészítve alátámasztják, hogy a csillagok pontosan az általános relativitáselméletnek megfelelő pályákon mozognak, a központi égitest tömege pedig 4,30 milliószorosa a Napénak. Ez a galaxisunk központi fekete lyukára vonatkozó eddigi legprecízebb tömegbecslés. A kutatók továbbá pontosítani tudták a Földnek a Tejútrendszer központjától mért távolságát is, ami 27 ezer fényévnek adódott.

Ez a felvétel az ESO Nagyon Nagy Távcsövének interferométeréhez (Very Large Telescope Interferometer) kapcsolódó GRAVITY műszerrel készült a Tejútrendszer központi fekete lyukának környezetéről 2021 júniusának végén Forrás: ESO/GRAVITY collaboration

Az új felvételek megalkotásához a csillagászok az információs térelméletnek nevezett gépi tanulási módszert is felhasználták. Ennek során egy valós forráson alapuló modellből indultak ki, majd kiszámították, hogy az hogyan nézne ki a GRAVITY detektoraiban, végül ezt hasonlították össze a valódi észlelési adatokkal. Ez tette lehetővé új csillagok felfedezését, és a csillagok páratlanul érzékeny és pontos megfigyelését. A kutatók a vizsgálatok során a GRAVITY mellett a VLT két korábbi műszere, a NACO és a SINFONI, valamint a Keck távcső és az Amerikai Egyesült Államokbeli NOIRLab Gemini Obszervatóriumának méréseire is támaszkodtak.

A Tejútrendszer központjának tágabb környezete. A látható fény tartományában rögzített nagy látószögű felvétel a Nyilas csillagkép ködökben gazdag vidékét ábrázolja a Tejútrendszer középpontjának irányában. A felvétel zsúfolva van csillagokkal, ám ennél is több csillag marad rejtve a porfelhők mögött – ezek csak infravörös tartományban láthatóak. A felvételt a Digitized Sky Survey 2 vörös és kék csatornájának képeiből állították össze. A látómező nagyjából 3,5 fok x 3,6 fok Forrás: ESO and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment: Davide De Martin and S. Guisard

A GRAVITY műszert még ebben az évtizedben továbbfejlesztik, az új generációs eszköz neve GRAVITY+ lesz, ami szintén az ESO VLTI-hez fog kapcsolódni, és tovább fokozza majd a rendszer érzékenységét, így a kutatók reményei szerint még halványabb csillagokat találhatnak majd a központhoz akár még közelebb is. A kutatók abban reménykednek, hogy észleléseikkel sikerül végül olyan közel jutniuk a központhoz, ahol már a fekete lyuk forgásából adódó hatásokat is mérni tudják. Az ESO chilei Atacama-sivatagban már épülőben lévő Rendkívül Nagy Távcsövével (Extremely Large Telescope – ELT) pedig a központ körül keringő csillagok sebességét tudják majd rendkívül pontosan megmérni a csillagászok. „A GRAVITY+ és az ELT együttes teljesítőképessége lehetővé teszi majd számunkra, hogy megállapítsuk a fekete lyuk forgási sebességét is" – vetíti előre Eisenhauer. – „Erre korábban senki sem volt még képes."