A James Webb űrteleszkóp megoldhat egy nagy galaktikus rejtélyt

Hosszú évek óta nem találtak magyarázatot arra a rendkívül furcsa jelenségre, hogy egyes szupermasszív fekete lyukak környékén fényes anyagsugarak észlelhetők az infravörös tartományban azt mutatva, mintha ezek a fekete lyukból származnának, ez viszont mindannak ellentmondott, amit ezekről az extrém kozmikus objektumokról tudunk. A James Webb űrteleszkóp (JWST) közelmúltban készített különleges felvétele azonban – amely mindeddig a legélesebb kép egy fekete lyuk eseményhorizontja körüli területről –, megoldhatja ezt a régóta fennálló galaktikus rejtélyt, megdöntve az univerzum legszélsőségesebb objektumaival kapcsolatos egyik régi hiedelmet is.

A galaxisok központjában lévp szupermasszív fekete lyukakból származó anyagkiáramlások az asztrofizikai nagy rejtélyei Fotó: ALMA/ESA

             A James Webb teleszkóp példátlan részletességgel ráközelített a Cricinus-galaxis szupermasszív fekete lyukának (az inzertben) közvetlen környezetéről    Fotó: NASA, ESA, CSA

Ez a fontos felfedezés végre a helyére teheti azt a több évtizedes galaktikus rejtélyt, ami a csillagvárosok középpontjában lévő szupermasszív fekete lyukak eseményhorizontja körüli infravörös tartományban észlelt fényjelenségekhez kapcsolódik. De a felfedezés a szupermasszív fekete lyukak növekedésének és fejlődésének, illetve e kozmikus szörnyetegeknek az anyagalaxisukra gyakorolt hatásainak a jobb megértését is elősegítheti.

Egy rejtélyes jelenség, amire nem volt magyarázat

Az aktív fekete lyukakat így a galaxisok középpontjában lévőket is hatalmas gáz- és porgyűrűk táplálják, amelyekből anyag áramlik a fekete lyukba. A fekete lyuk rendkívül erős gravitációja anyagot szív el ebből a hatalmas gáz és porfelhőből, ami egy vékonyabb akkréciós korongba áramlik és spirálozva esik a fekete lyukba ahhoz hasonlatosan, ahogy a víz is a lefolyóba folyik. A fekete lyuk gigantikus árapályereje nagy sebességre gyorsítja fel a beeső anyagot. Az akkréciós korongon belüli súrlódás miatt az örvénylő anyag olyan erős fényt bocsát ki, hogy eltakarja a csillagászok elől a fekete lyuk körüli belső régió látványát.

A 13 millió fényévre fekvő Circinus-galaxis asztrofotója   (Fotó: NASA)

Ennek ellenére a fekete lyukak nem úgy működnek, mint a porszívók, mert nekik is vannak „tápanyagbeviteli” korlátaik. 

Erre vezethető vissza, hogy a fekete lyuk eseményhorizontja körül örvénylő anyag egy része végül is nem esik be a fekete lyuk eseményhorizonton túli szingularitásába, 

hanem anyagsugarak formájában visszalövődik a kozmikus térbe. A Circinus-galaxisban található nagy mennyiségű galaktikus portömeg, valamint az erős csillagfény korábban nem tette lehetővé a galaxis központi régiójának és a centrumában rejtőző szupermasszív fekete lyuknak az alaposabb megfigyelését. „A szupermasszív fekete lyuk tanulmányozásához, mivel nem tudták felbontani, meg kellett határozni a galaxis belső régiójának teljes szegmensét egy széles hullámhossztartományban, majd ezeket az adatokat különböző modellekbe táplálták be” – mondja Enrique Lopez-Rodriguez, a tanulmány vezető szerzője és a Dél-Karolinai Egyetem galaxisfejlődés-kutatója, akit a Live Science tudományos hírportál idéz.

A fekete lyuk eseményhorizontján túlról semmilyen információ sem tud kijutni (Fotó: ESA)

A korábbi modellek külön-külön kezelték a tórusz (a fekete lyukat tápláló gáz és porkorong külső oldala, a szerk.), az akkréciós korong és a kiáramlások megfigyelt spektrumait, ezért nem tudták teljes egészében felbontani a régiót. Erre volt visszavezethető, hogy a csillagászok azt sem tudták megmagyarázni, hogy a szupermasszív fekete lyuk környezetének melyik része okozta a túlzott infravörösfény kibocsátását. A JWST fejlett képességei azonban már lehetővé tették a csillagászok számára, hogy keresztüllássanak a Circinus-galaxis porán és csillagfényén, így sokkal élesebb képet kaphattak a központi fekete lyuk környezetéről. Ehhez egy interferometria néven ismert képalkotó technikát alkalmaztak.

Megoldódhatott a régi galaktikus rejtély

A felbontás megduplázásával a JWST az AMI rendszerének köszönhetően a valaha volt legélesebb képet készítette a Circinus középpontjában található 33 fényév széles területről. Ez a példa nélküli kép lehetővé tette a kutatók számára annak kiszámítását, hogy a többlet infravörös sugárzás többsége – körülbelül 87 százaléka – a központi fekete lyukat aktívan tápláló poros korongból származik; „a fánk lyukának belső felületéből” – mondta Lopez-Rodriguez, a tanulmány vezető szerzője. Míg a korábbi kutatások azt sugallták, hogy a többlet infravörös sugárzás a fekete lyuk eseményhorizontja körüli forró anyagkiáramlásokból vagy esetleg akár a galaxis maradék csillagfényéből származhat, a kutatócsoport ezzel szemben azt találta, hogy a sugárzásnak csak alig kevesebb mint egy százaléka származik a központi szupermasszív fekete lyukból kiáramló kvantummechanikai eredetű sugárzásból.

A fekete lyukból származó Hawking-sugárzás és a feketetest sugárzása között fontos különbség, hogy az utóbbi mint hősugárzás információt is hordoz az azt kibocsátó testről, ezzel szemben a Hawking-sugárzás nem tartalmaz ilyen jellegű információt, ugyanis ez csak a fekete lyuk tömegétől, impulzusmomentumától és töltésétől függő kvantummechanikai jelenség.

A korábban a műszeres megfigyelések elől nagyobb részt elrejtőző szupermasszív fekete lyukak mechanikájának feltárása mellett az új kutatás rávilágít a JWST-alapú interferometria lehetőségeire a különféle égi objektumok, köztük a közeli galaxisok magjában található más aktív szupermasszív fekete lyukak (SMBH-k) tanulmányozásában. 

Egy fekete lyuk művészi ábrája (Fotó: Science Library)

A minta méretének növekedésével a csillagászok azt remélik, hogy más szupermasszív fekete lyukak esetében is nagy pontossággal megállapítható lesz az infravörös emisszió eredete, vagyis hogy ez a jelenség a porból és gázokból álló akkréciós korongjuknak vagy pedig a forró kiáramlásuknak köszönhető-e. „A James Webb űrteleszkóp AMI-rendszerét olyan célpontok észlelésre kell felhasználni, amelyeket a Földről nem lehet megfigyelni, illetve olyan hullámhosszakon, amelyeket a Föld légköre blokkol” – mondja Julien Girard, a tanulmány társszerzője és a Space Telescope Science Institute vezető kutatója. „Az AMI-alapú megfigyelések jobban megvilágíthatják saját Naprendszerünket is; nemrégiben részletes betekintést nyújtottak a Jupiter pokoli holdjának, az Iónak a vulkánjaiba – tette hozzá Girard. 

               A James Webb űrtávcső műszeregységei olyan dolgokat is felfednek amiket a hagyományos műszerek nem látnak                                Fotó: NASA

– Így az AMI képes megfigyelni a legkülönbözőbb formájú és méretű kozmikus objektumokat, a lávától szivárgó holdaktól a galaktikus porral eltakart fekete lyukakig. A jövőben segíthet a csillagászoknak a nagyobb aszteroidák körüli holdak észlelésében, vagy a többcsillagos rendszerek pályájának és tömegének feltárásában is – szemléltette azokat a minden korábbinál nagyobb lehetőségeket, amelyeket a James Webb űrtávcső kínál az univerzum ismeretlen titkainak kifürkészéséhez.

A január 13-án a Nature Communications tudományos szakfolyóiratban publikált tanulmány itt olvasható el teljes terjedelmében, angol nyelven.

A James Webb űrteleszkóp AMI képalkotó rendszere segítségével:

• sikerült elkészíteni egy szupermasszív fekete lyuk közvetlen környékének mindeddig legjobb felbontású és legrészletesebb felvételét,
• és sikerült tisztázni, hogy a Circinus-galaxis központi fekete lyukának környezetében tapasztalt infravörös tartományban látható fényes csóvák,
• nem a fekete lyukból, hanem az eseményhorizont körüli akkréciós korongból származó anyagkilökődések.