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 űrteleszkóp elkészítette a legélesebb képet egy fekete lyuk körüli területről, ami megoldást nyújthat egy több évtizedes kozmikus rejtélyre.

A James Webb űrtávcső művészi ábrája   (Fotó: NASA/ESA)

A James Webb olyat pillantott meg, amit még sohasem láthattunk

Az 1990-es években figyeltek fel először arra, hogy egyes galaxisok középpontjában rejtőző szupermasszív fekete lyukak az infravörös tartományban különösen erős fényjelenséget produkálnak, amire nem találtak elfogadható magyarázatot az asztrofizikusok. Néhány tudós azt feltételezte, hogy az infravörös tartományban látható furcsa fényfoltok a fekete lyukakból kiáramló rendkívül forró anyagcsóvák, ám ez a feltételezés ellentmond annak a tapasztalati ténynek, hogy a fekete lyukak eseményhorizontján túli szingularitásból semmilyen anyag vagy elektromágneses sugárzás, illetve információ nem tud kiszabadulni. 

Egy szupermasszív fekete lyuk művészi ábrája    (Fotó: Mark A. Gralic / Sheffield University)

Az úgynevezett Hawking-sugárzás sem látszott megfelelő analógiának erre a rejtélyes jelenségre, ami komoly fejtörést okozott az asztrofizikusok számára.

A Hawking-sugárzás egy elméletileg megjósolt, de mindeddig empirikus bizonyítékokkal még alá nem támasztott feketetest-sugárzás, ami a fekete lyukak eseményhorizontjának környezetében jön létre kvantummechanikai jelenségek miatt. Stephen Hawking brit elméleti fizikus az 1974-ben publikált tanulmányában azt kívánta teoretikusan bemutatni, hogy a kvantumtérelmélet szerinti görbült térben a fekete lyuk eseményhorizontjánál annyira erős a gravitáció, ami hősugárzást idéz elő és ily módon energiát szivárogtat ki az univerzumba kis távolságra az eseményhorizonttól. Hawking elmélete szerint egy ilyen effektusban az energiának olyan a hatása, ami hosszabb idősíkon képes teljesen elpárologtatni a fekete lyuk tömegét.

Egy nemzetközi kutatócsoport a közelmúltban a James Webb űrteleszkópot használta a Tejútrendszerhez viszonylag közeli, 13 millió fényévre fekvő csillagváros, a Circinus-galaxis középpontjában lévő szupermasszív fekete lyuk és környezete megfigyelésére. A JWST adatai számos egyéb földi megfigyeléssel párosítva egyértelműen azt mutatják, hogy a rejtélyes infravörös többlet a Circinus-galaxis középpontjában lévő szupermasszív fekete lyukba hulló sötét és poros anyagkorongtól, nem pedig az onnan valamilyen feltételezett módon kiáramló forró anyagcsóváktól származik.

             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.