VCSE - A Cygnus (Cyg) OB3 asszociáció tagjai és a Cygnus X-1, fekete lyukat is tartalmazó röntgenforrás egymáshoz és az előtér/háttércsillagokhoz viszonyított helyzete
VCSE – A Cygnus (Cyg) OB3 asszociáció tagjai és a Cygnus X-1, fekete lyukat is tartalmazó röntgenforrás egymáshoz és az előtér/háttércsillagokhoz viszonyított helyzete (Mirabel és Rodrigues, Science Vol. 300, 2003). A nyílak az asszociáció, illetve a röntgenforrás mozgásának irányát mutatják és arányosak az azonos idő alatt megtett úttal. Forrás Mirabel & Rodrigues

A II-es típusú szupernóva-robbanások az Univerzum egyik leglátványosabb eseményei: a robbanás fénye meghaladhatja a csillag szülőgalaxisának fényét, a benne keletkezett energia több, mint amit a Nap egész életében kisugároz, a hátrahagyott maradványégitestek (neutroncsillagok, fekete lyukak) a hivatásos, míg a ledobott, fodrozódó gázburok az amatőr csillagászok kedvelt célpontjai.

Olvasd tovább

VCSE - A Messier 74 extragalaxis - Fotó_ Fridrich János
VCSE – A Messier 74 extragalaxis – Fotó: Fridrich János

2020. augusztus-szeptember hónapok folyamán készítettem a fenti képet a Messier 74 (M74, NGC 628, nem hivatalos becenevén: Fantom-galaxis) extragalaxisról. A kép készítésének helye a Ság-hegy, illetve Boba, az expozíciós idő 120 x 180 másodperc volt. A felvétel 200/1000-es Newton-távcsővel (EQ-5 GoTo), Canon 4000Da átalakított fényképezőgéppel, ISO 3200 érzékenységgel készült. A fényútban egy SkyWatcher gyártmányú F5/6 jelzésű kómakorrektor volt. (Vezetés: Lacerta MGEN-nel.) A képfeldolgozáshoz Deep Sky Stackert és Photoshopot használtam.

A Halak csillagképben fekvő M74 spirálgalaxis kb. 32 millió fényévre van a Földtől. Ebben a galaxisban több szupernóvát is felfedeztek már, közülük az egyiket, az SN 2002ap jelűt – amit hipernóvának osztályoztak egészen pontosan – magyar csillagászok is tanulmányozták, szakcikkük ingyenesen itt érhető el. Az ő méréseik szerint e hipernóva, így az M74 távolsága 6,7 megaparszek = 22 millió fényév, de óriási, 15 millió fényéves hibahatárral. Ennek oka megállapításaik szerint az, hogy a hipernóva színképe rendkívül bonyolult, nehezen értelmezhető, ráadásul a hipernóvákra nem teljesen ismert, hogy táguló gázfelhőjük mennyire átlátszó vagy átlátszatlan. Annak idején az SN 2002ap feltűnése nagyon nagy figyelmet vonzott, mert a mai napig is egyike a 10 millió parszeken belül feltárt kevéske hipernóvának (a hipernóvűk másik neve: Ic típusú szupernóvának).

Két további M74-beli szupernóva volt az SN 2003gd (II-P típusú) és az SN 2013ej (szintén II-P típusú) jelűek. Az előbbi tanulmányozása 31 ± 9 millió fényéves távolságot, az utóbbi 30 ± 6 millió fényéves távolságot ad. E közeli galaxis távolságát a szupernóvákkal csak ilyen pontosságig ismerjük – ha feltűnt volna benne egy Ia típusú, sokkal pontosabb adathoz juthatnánk. Mindenesetre e két utóbbi szupernóvával utólag javítható lenne a hipernóvákkal történő távolsgmérési eljárások javítása.

Az M74 a legjobb példák egyike a tökéletes spirálgalaxisokra. Csillagainak számát 100 milliárdra becsülik.

Fantom-galaxis nevét valószínűleg nehéz vizuális megfigyelhetősége okán kapta. Hiába 10 magnitúdós az összfényessége, 10 ívperces – egyharmad teleholdnyi! – látszó átmérője miatt fénye hatalmas területen oszlik el, ezért felületi fényessége alacsony. Emiatt még 13 cm-es távcsőben, jó égen is csak alig válik el az égi háttértől, és nagyon halvány derengésnek tűnik. Ez az egyik legnehezebben megfigyelhető Messier-objektum. Fényszennyezett égen, kis és közepes amatőr távcsövekkel nem látható. Még jó égen is sokat segít, ha elfordított látással figyeljük meg vizuálisan. Viszont nagy mérete miatt remek amatőr asztrofotós célpont.

Az M74 galaxiscsoport magából az M74-ből, és további, kb. 5-7  galaxisból áll, pl. az NGC 660-ból.

Az M74-et kiterjedten vizsgálták űrtávcsövekkel is. A Spitzer Infravörös Űrtávcsővel policiklikus aromás szénhidrogéneket fedeztek fel csillagkeletkezési területeiben, és a csillagközi por infravörös sugárzását is megfigyelték.

Az M74-nek is van központi fekete lyuka a galaxis magjában, amit 2005-ben találtak meg a Chandra röntgenműhold segítségével. Érdekesség, hogy míg sok galaxisban nagyon nagy tömegű (több millió vagy több milliárd naptömegű) fekete lyuk a centrális objektum, addig az M74-ben egy mindössze tízezer naptömegnyire becsült, ún. közepes tömegű fekete lyuk található csak a galaxis közepén. Emiatt nem a szokásos úton alakulhatott ki (sok szupernóva fekete lyuka egyesült és azok hatalmas mennyiségű anyagot “megettek” a galaxis közepén), hanem talán több kisebb, csillagtömegű fekete lyuk összeolvadásából keletkezett. Az ilyen “közepes tömegű fekete lyukakból” keveset ismerünk és szokatlannak számítanak.

Az M74-et Piere Méchain fedezte fel 1780-ban, felfedezését közölte Messier-vel, aki bevette a katalógusába.

Kép: Fridrich János, szöveg: Csizmadia Szilárd

Első alkalommal sikerült egy extragalaktikus, nagyon nagy tömegű fekete lyuk  (ang. supermassive black hole) legközelebbi környezetéről képet alkotni. Az áttörésnek számító eredményt az Event Horizon Telescope nevű rádiócsillagászati műszeregyüttessel érték el. Még soha nem “láttunk” fekete lyukat ilyen részletes felbontásban, és ennyire közel az eseményhorizontjához. A fekete lyukak kiemelkednek a sötétségből.

Nagy várakozás előzte meg az Eseményhorizont Távcsővel (Event Horizon Telescope) készült első felvételek és a vele kapott első eredmények közzétételét. Mi is írtunk már 2018-ban arról, hogy mire számíthatunk. A legelső képeket és eredményeket 2019. április 10-én tették közzé, mi ezeket a www.space.com alapján szemlézzük.

 

VCSE - A kutatók által kapott első fekete lyuk-sziluett. A kép az EHT-val készült az M87 extragalxis közepén található nagyon nagytömegű fekete lyukról. A 6,5 milliárd naptömegű fekete lyuk meghajlítja a mögötte lévő csillagok, csillagközi gáz fényét. A gyűrűn belül található üres terület a fekete lyuk sziluettje. Ez a nagyon nehezen megkapott kép a fekete lyukak létezésének eddigi legerősebb bizonyítéka. - Forrás: Event Horizon Telescope Collaboration
VCSE – A kutatók által kapott első fekete lyuk-sziluett. A kép az EHT-val készült az M87 extragalaxis közepén található nagyon nagy tömegű fekete lyukról. A 6,5 milliárd naptömegű fekete lyuk meghajlítja a mögötte lévő csillagok, csillagközi gáz fényét. A gyűrűn belül található üres terület a fekete lyuk sziluettje. Ez a nagyon nehezen megkapott kép a fekete lyukak létezésének eddigi legerősebb bizonyítéka. – Forrás: Event Horizon Telescope Collaboration

Fekete lyukak definíció szerint a térnek olyan tartományai, amelyből bentről kifelé semmi sugárzás vagy anyag nem távozhat el az objektum nagy gravitációja miatt. Arra gondolhatnánk, hogy ezért semmi, még a fény sem hagyhatja el a felszínüket, ezért nem lehet őket látni. De például a környezetükre kifejtett gravitációs hatásuk révén, vagy az általuk széttépett csillagok anyagának áramlása és sugárzása révén fel lehet őket fedezni. A Hawking-sugárzás pedig mégiscsak lehetővé teszi, hogy valami elhagyja a fekete lyukat. Leegyszerűsítve: ha egy fekete lyuk felszínén egy tömeg nélküli részecske éppen fénysebességgel kering (pl. egy foton), és energiája elég nagy (vagyis pl. a foton hullámhossza nagyon kicsi, frekvenciája nagy), akkor széteshet két részecskére, pl. egy elektronra és pozitronra. Ekkor az elektromos töltés megmarad. A párkeltés során a haladó irányba mutató lendület is megmarad, de keletkezhet egy erre merőleges komponens is mindkét részecskéhez. Ekkor pl. a pozitron befelé megy, az elektron kifelé, így ez a lendületkomponens is megmarad. Tehát valami nagy ritkán – pontosabban annak a valaminek egy része, példánkban a fele tömeg – elhagyhatja a fekete lyukat. Így akár egy fekete lyuk “világíthat” is. Értelmes dolog lehet ezért egy fekete lyuk “magnitúdójáról” beszélni. A Hawking-sugárzás azonban a legtöbb csillagászati fekete lyuk esetén rendkívül – végtelenül – gyenge, műszereinkkel nem érzékelhető, mert bőven a műszerek érzékenysége alatt marad. A fekete lyukakhoz legeslegközelebbi térből azonban jöhet fény és sugárzás, pl. a behulló anyag itt még – elvileg – észlelhető. (A Hawking-sugárzás léte nem mond ellent a fekete lyuk definiciójának, hiszen az nem a fekete lyuk belsejéből jön, ahonnét semmi nem jöhet ki, hanem a felszínéről, ami ugye nem belül van, hanem határfelület.)

Az Eseményhorizont Távcsőrendszer az M87-beli és a mi Tejútrendszerünkben lévő, Sagittarius A*-nak (Sgr A*) nevezett fekete lyukakat, illetve közvetlen környezetüket szeretnék megvizsgálni. Az M87-belire vonatkozó eredményeket 2019. április 10-én tették közzé sajtókonferencia keretében. A képek a fekete lyukak vizsgálatának egy fontos, új lépése, egy új vizsgálati lehetőség: egy egészen ismeretlen világ nyílik ki számunkra. Az eddig csak elméletek és spekulációk szintjén lévő elképzelések most észlelésekkel megerősítést nyerhetnek – vagy megcáfolhatják őket.

Az Eseményhorizont Távcsőben (EHT) több, mint 200 kutató dolgozik együtt. Némelyikük már két évtizede tagja a teljes glóbuszra kiterjedő együttműködésnek. A cél néhány közeli, nagyon nagy tömegű, galaxisok központjában található központi fekete lyuk sziluettjét és közvetlen környezetét rádióhullámhosszakon feltérképezni, és képet alkotni róla. Bár ez rádiócsillagászati kép, sok helyen fotónak nevezik (noha a fotó szót csak látható fénybeli képekre szokták sokszor használni). Az első észlelések ezzel a távcsőrendszerrel 2017 áprilisában történtek, az első adatfeldolgozási lépések 800 magos számítógépklaszteron 2017 decemberében estek meg, az első eredmények pedig 2019-ben kerültek közlésre.

Az első célpont az M87 (Messier 87) extragalaxisban lévő, 6,5 milliárd naptömegű behemót fekete lyuk volt. A másik célpont az Sgr A*, ami csak 4,3 millió naptömegű. Most csak az M87-ről szóló eredményeket és képet közölték. Az M87-beli központi fekete lyuk tőlünk mért távolsága 53,5 millió fényév, az Sgr A* csak 26 ezer fényévre található. Az Sgr A* látszó mérete olyan pici tőlünk nézve, “mintha egy narancsot néznénk a Holdon” mondta egy csillagász a space.com-nak.

VCSE - Az EHT rádiótávcsöveinek elhelyezkedése a Földön. - Forrás: Event Horizon Telescope Collaboration
VCSE – Az EHT rádiótávcsöveinek elhelyezkedése a Földön. – Forrás: Event Horizon Telescope Collaboration

Minden éjszaka kb. 1 petabájtnyi észlelési adat keletkezett, így az adatfeldolgozás egy évnél is hosszabb ideig tartott egy nagyméretű szuperszámítógépen. Például ekkora adatmennyiséget nem is lehetett az interneten átküldeni a rádiótávcsövektől az adatfeldolgozási helyre, különböző adathordozókon kellett fizikailag szállítani. Vagyis adathordózóra rámásolták, és azt a posta vitte. A hagyományos postaszolgáltatás még mindig gyorsabb ekkora adatmennyiség esetén, mint az internet a jelenleg elérhető legnagyobb sávszélességgel! A Déli Sarkon lévő távcsőrésztvevőtől például nem is lehetett addig elhozni az adatokat, amíg elég meleg nem lett a sarkvidéken.

Igazán izgalmas, hogy az M87-re az elméleti fizika, az általános relativitáselmélet nyomán számolt kép igen jó összhangban van a most elvégzett mérésekkel, így egyben az általános relativitáselmélet további bizonyítékának tekinthető. A szimulált fekete lyuk-körvonal (sziluett) és az anyagbefogási korong (akkréciós diszk) rádióhullámhosszak-beli kinézete összhangban van a mérttel. Ez ugyan megnyugtatónak hangzik, de ilyen erős gravitációs térben soha nem ellenőrizték korábban ilyen pontossággal az általános relativitáselméletet! Márpedig erős gravitációs térre konkurens elméletek is akadtak (vagy akadnak). Ahogy a kutatók egyike mondta: “A mérés párbeszéd a természettel”.

 

VCSE - Általános relativitásleméleti magnetohidrodinamikával szimulált fekete lyuk sziluett rádióhullámhosszakon. Az akkrációs diszkre a képen 45 fokos szögből nézünk rá (az egyenlítójéhez képest). A bal oldalon azért fényesebb a fekete lyuk által meghajíltott fény, mint ajobb oldlaon, mert a Doppler-fókuszálás miatta felénk közeledő anyag fényesedik, a távolodó elhalványodik. A központi fekete részben van a fekete lyuk. Előtte az akkréciós diszk egyes részei láthatók. - Forrás: Hotaka Shiokawa, https://www.cbc.ca/news/technology/black-hole-photo-1.5089403
VCSE – Általános relativitáselméleti magnetohidrodinamikával szimulált fekete lyuk sziluett rádióhullámhosszakon. Az akkréciós diszkre a képen 45 fokos szögből nézünk rá (az egyenlítőjéhez képest). A bal oldalon azért fényesebb a fekete lyuk által meghajlított fény, mint a jobb oldalon, mert a Doppler-fókuszálás miatt a felénk közeledő anyag fényesedik, a távolodó pedig elhalványodik. A központi fekete részben van a fekete lyuk. Előtte az akkréciós diszk egyes részei láthatók. – Forrás: Hotaka Shiokawa, https://www.cbc.ca/news/technology/black-hole-photo-1.5089403

 

Az M87 fekete lyukának EHT-képén az látszik, hogy a környezetből a fekete lyukba hulló gáz hogyan spirálozódik befelé. Ez az anyagbefogási (akkréciós) folyamat részleteiben nagyon kevéssé ismert, közelről soha nem láttuk. Pedig a fekete lyuk gravitációja által felgyorsított gázrészecskéket a lyuk mágneses tere fókuszálja, és ez hozza létre a megfigyelhető, a fekete lyuk környezetéből kilövellő nyalábokat (jeteket). A nyalábokban közel fénysebességgel mozog az anyag.

A képek analízisével a fekete lyuk forgását is lehet majd tanulmányozni, esetleg a forgásidőt megállapítani. Ezek természetesen közvetett mérések lesznek: a behulló anyag mozgására hathat a fekete lyukkal együtt forgó mágneses tere. Az is izgalmas kérdés, hogy egy központi, nagyon nagy tömegű fekete lyuk hogyan alakítja a galaxis fejlődését és viszont, illetve milyen hatással van erős gamma-, röntgen- és ultraibolya sugárzása a galaxisbeli életre. Ez különösen fontos akkor, amikor a fekete lyukba nagyobb mennyiségű anyag hullik be. Pl. ha egy csillag helyett egy egész nyílthalmazt nyel el, vagy egy másik, közelben elhaladó galaxis árapályereje csillagkeletkezési hullámot indít be. Ilyenkor nemcsak sok szupernóva lesz, de a fekete lyukba is több anyag hullik be, megnövelve az akkréciós korong tömegét és méretét a fekete lyuk körül. Ez erős sugárzási folyamatokat indít be. Jelenleg az Sgr A* inaktív a mi Galaxisunkban.

Későbbiekben az EHT eredményeit majd gravitációs hullámdetektorokéval lehet kombinálni, így még többet megtudva ezekről a rejtélyes, a galaxisfejlődésben és a galaktikus lakhatóságban fontos szerepet játszó objektumokról.

Egészen biztos, hogy az EHT eredményei a jövőben is izgalmasak lesznek. A mostani képek további analízise a következő hónapokban még újabb eredményeket ad majd. Érdemes követni az ismeretterjesztő oldalakat a legújabb fejleményekért.

Videós magyarázat a képről (angolul).

További cikkek fekete lyukakról a VCSE honlapján itt.
Ez nem a cikk végleges változata, a benne előforduló hibák javítás alatt állnak!

A fekete lyukakat tömegük szerint három kategóriába osztják:

– kistömegűek, amelyek II-es típusú szupernóvarobbanásokban keletkeznek, az így felrobbant csillagok magjának a maradványai, és tömegük 3,2 naptömegtől pár tíz naptömegig terjedhet;

– a nagyon nagytömegűek (vagy szupernagytömegűek), amelyek tömege pár millió és pár milliárd naptömeg között van, és galaxisok centrumaiban foglalnak helyet: a környező csillagok bekebelezésével híztak ekkorára.

A harmadik kategóriát a néhány ezer naptömeg körüli fekete lyukak képviselik, amelyeket közepes tömegűeknek is neveznek, és eredetüket homály fedi. Talán harmadik populációs csillagok összeomlása hozta létre őket (ezek a csillagok a legkorábban született csillagok egy-egy galaxisban, rögtön a galaxis kialakulása után jöttek létre; ekkor még a galaxisok annyira fémszegények voltak, hogy akár 1000 naptömegű csillagok is létezhettek, de ma már csak 120 naptömeg körül van a lehetséges csillagtömeg felső határa éppen a fémekkel való bedúsulás miatt).

Az ismert közepes tömegű fekete lyukak száma csekély, és egyesek még azt is kétségbe vonják, hogy valóban léteznek, szerintük csak az észlelések félremagyarázásáról van szó.

Egy ma megjelent tanulmány szerint (http://arxiv.org/abs/1512.04825) az M51 északi spirálkarjában van egy extrém fényes (ang. “ultraluminous”) röntgenforrás, amelynek mért tulajdonságai vagy egy anyagbefogó, közepes tömegű fekete lyukra utalnak, vagy egy kettős-rendszerbeli neutroncsillagra, ahol a társától szipkázz el anyagot a neutroncsillag. Az erős röntgensugárzás a fekete lyuk vagy a neutroncsillag körüli anyagbefogási korongból (akkréciós diszk) jöhet. Az XMM-Newton, a Chandra és a NuSTAR műholdak röntgenadataiban erős és gyors változásokat fedeztek fel a röntgenfluxusban. Vagy egy 1600-3500 naptömeg közötti fekete lyuk környezetében végbemenő normál ütemű anyagbefogás, vagy egy neutroncsillagra hulló, szokatlanul nagy arányú, de fizikailag még lehetséges anyagátadás lehet az észlelt röntgenfluxusnak és változásainak az oka. A nehézségeket jól jellemzi, hogy a neutroncsillag felső tömeghatára 3,2 naptömeg körül van – vagyis a forrás vagy kisebb tömegű (1,4-3,2 naptömegű) neutroncsillag vagy egy közepes tömegű (1600-3500 naptömegű) neutroncsillag, amelyek két nagyon különböző tömegbecslést és fizikai természetet jelentenek…

   
Az APOD felvételén egy művészi animáció látható, amely bemutatja egy csillag és egy fekete lyuk találkozását a jelenlegi asztrofizikai ismereteinkre alapozva.

Amikor egy csillag túl közel közel kerül egy fekete lyukhoz, az intenzív árapályerők darabjaira szedik szét a csillagot. Ennek során az árapályerők a csillagközi törmelék egy részét kifelé repítik, míg a maradék anyag belezuhan a fekete lyukba.  Ez a jelenség okozza a különböző röntgenkitöréseket, amelyek akár több évig is eltarthatnak. A NASA Chandra röntgenűrtávcsővével gyűjtött adatok alapján, egy kirakós játék darabkáinak összerakásához hasonlóan a kis részletekből felépítve rekonstruálták a jelenséget. A művészi animáción az ASASSN-14li, látható, amely PGC 043234 galaxisban található.  A PGC 043234 galaxis kb. 290 millió fényévre található Naprendszerünktől. A jelenséget a teljes égboltra kiterjedő automata szupernóva kereső projekt (ASAS-SN)  során fedeztek fel 2014. novemberében.  A kutatók remélik, hogy a további felfedezések során nyert adatok és a ASASSN-14li megfigyelésével nyert adatok segítségével modellezni tudják a fekete lyukak hatásait a környezetükre.

Az árapályerők miközben szétszakítják a csillagot, a csillagot alkotó anyagot szálak formájában átszippantják. A legvégén ezek a gáznemű anyagból álló szálak beleolvadnak a fekete lyuk körül kialakult anyagkorongba, miközben nagy mennyiségű röntgen sugárzást bocsájtanak ki.

Az eredeti videó elérhető és letölthető : http://svs.gsfc.nasa.gov/goto?12005

További részletek olvashatók a NASA weboldalán.