Ferde korongból precesszáló jet

Fekete lyukakra hulló anyag perdülete (impulzusmomentum) gyakran nem a fekete lyuk spinjének (saját-impulzusmomentumának) irányában áll. Így a fekete lyuk körül levő anyagbefogási (akkréciós) korong is ferdén fog állni (a spinhez képest). Jettel rendelkező, rádióhangos AGN-eknél gyakran hivatkoznak arra, hogy ilyesmi állhat a jet irányának változása mögött. De csillagtömegű fekete lyukat tartalmazó kettős rendszerek esetében is ezzel a jelenséggel magyarázzák például a röntgentartományban megfigyelt kváziperiodikus oszcillációkat. Azonban a eddig nem volt lehetőség arra, hogy ilyen rendszereket teljes bonyolultságukban szimuláljanak, és tanulmányozhassák a jet és a ferde akkréciós korong egymásra gyakorolt hatását. A számítástechnika rohamos fejlődése azonban ezt is elérhetővé tette: egy friss cikk közli az első háromdimenziós általános relativitáselmélettel felturbozott magnetohidrodinamikai (GRMHD) szimulációt egy ferde anyagbefogási korong miatt precesszáló jet kiakaluásáról.

Erről a munkáról már nyáron, a prágai EWASS (European Week of Astronomy and Space Science) konferencián hallottam egy előadást a harmadik szerzőtől, Alexander Tchekhovskoytól. Azonban akkor még a hivatkozott cikkek nem voltak elérhetőek a neten, ezért nem akartam, nem tudtam részletesen írni a témáról. 

A. Tchekhovskoy előadása a prágai EWASS konferencián.

A cikkben vastag akkréciós korongokat és gyorsan forgó fekete lyukakat különböző mágneses térerősséggel szimuláltak. Először sikerült ferde akkréciós korong körül keletkező jetnél megmutatni, hogy az a korong tengelyének irányába fog mutatni és nem a fekete lyuk spinjének irányába. Hosszabb időskálát vizsgálva, viszont az is látható, hogy a korong-jet rendszer tengelye lassan a fekete lyuk spinjének irányába rendeződik. Ez a folyamat annál gyorsabb minél erősebb a mágneses tér (és minél erőteljesebb a jet).

Szerencsére a cikkhez tartozik egy youtube link is, ahol a szebbnél szebb szimulációkat lehet megtekinteni.

A szerzők szerint a szimulációban megfigyelt jet precesszió AGN-ek esetében eredményezheti azt, hogy a jet nem szökik ki a galaxisból, illetve a galaxishalmazból, mivel egy nagyobb térrészben terül szét. Így magyarázatot szolgáltathat a galaxishalmazokban megfigyelt és eddig nem igazán értett nagy hőmérsékletű anyag eredetére.

Rekord röviden a 2017. augusztus 17-ei gravitációs hullám eseményről

Természetesen nem lehet elmenni az év legfontosabb csillagászati felfedezése mellett szó nélkül, hiába nem tartozik a blog témájába: az első gravitációs hullám esemény aminek sikerült az elektromágneses megfelelőit is detektálni.

Felesleges lenne most újra összefoglalni a tudományos cikkeket, amikor több szuper magyar nyelvű ismeretterjesztő írás is könnyen elérhető a neten például a hirek.csillagaszat.hu-n, vagy az MTA honlapján. A mai friss feltöltéteseket bemutató arXiv levélben nagyjából 60 a GW170817 eseménnyel foglalkozó cikket láttam. Számos a különböző frekvenciatartományokban végzett keresések eredményeit mutatja be. (Én még nem láttam ekkora, ennyi újságban, ilyen sok résztvevővel megjelenő koordinált publikációs kampányt.) A forrás monitorozása tovább folyik az elkövetkező hónapok folyamán, hogy a mérések alapján tovább lehessen finomítani a GW170817 eredetét leíró neutroncsillag-összeolvadást leíró modellt.

Hogy valamiképpen mégis tudjam kötni a blog témájához a felfedezést, a GW170817 esemény az NGC 4993 jelű aktív galaxisban következett be. Ez az AGN pedig rádiótartományban is megfigyelhető. A rádiójelet 16 nappal a gravitációs hullámok (és a gammafelvillanás után) sikerült detektálni.

6 GHz-en a Very Large Array-vel készült rádió térkép a GW170817 területéről. A fényes forrás az AGN az NGC4993-ban, a fehér vonalak jelzik a GW170817-hez tartozó rádióforrás pozícióját). Baloldalt a szeptember 9-én, jobboldalt a korábban, augusztus 22. és szeptember elseje között készült képek. Hallinan és mtsai, 2017 (Science)

A jetesek és a jettelenek

A Natue Astronomy folyóiratban (ez a naaagy Nature idén indult csillagászati témájú cikkeket publikáló kistestvére) jelent meg egy rövidebb komment jellegű írás Paolo Padovanitól, (az AGN-ek egyesített modelljét jegyző Urry és Padovani páros egyik felétől) a rádióhangos/rádióhalk kvazárok témakörében. Ebben a korábbi bejegyzésben Ken Kellermann egyik cikke alapján már bemutattam a problémát, illetve azt, hogy az egyre érzékenyebb rádió méréseknek köszönhetően egyre halványabb rádiósugárzó AGN-eket tudunk megfigyelni.

Paolo Padovani a mostani cikkben egy új nevezéktant javasol, méghozzá szerinte inkább jettel rendelkező (jetted) és jet nélküli (non-jetted - bár a jetless szerintem jobban hangzana 😀) AGN-ek csoportjáról kellene beszélni. A jet jelenlétére az alábbi három megfigyelt tulajdonság utalhat:

1. Értelemszerűen ilyen jel, ha közvetlenül meg tudjuk figyelni a jetet, rádiótartományban végzett mérések segítségével. Ilyenkor gyakran az interferométeres technika segítségével a jet szerkezetét is nagyon jó térbeli felbontással vizsgálhatjuk, sok esetben látszólag fénysebességnél gyorsabban mozgó komponenseket is azonosítva.
2. Gamma-tartományban (1 MeV felett) emissziót mutató AGN-ek. Jelenleg csak két rádióhalkként besorolt AGN-t detektáltak ebben az energiatartományban és ezeknél valószínűleg a galaxisban bekövetkező csillagkeletkezés okozza a nagyenergiás-sugárzást. A gond itt az, hogy számos rádióhangos, jetet tartalmazó AGN-ből nem detektáltunk nagyenergiás sugárzást, de persze a műszerek fejlődésével majd ez is változni fog valószínűleg.
3. A távoli infravörös-rádió összefüggést nem követő objektumok, amelyek rádiótartományban fényesebbek, mint ezen törvény alapján várható lenne. Az összefüggést egyébként még nem értjük teljesen, de az az általánosan elfogadott nézet, hogy a csillagkeletkezésből származó távoli infravörös- és rádiósugárzás kapcsolatát írja le. Tehát ha egy galaxisból a távoli infravörös sugárzás alapján jósolt rádiósugárzásnál többet látunk, akkor ott egy jettel rendelkező AGN-ek kell lennie.

Amikor azonban az olvasó felsóhajtana, hogy na akkor most már minden világos, a szerző megjegyzi, hogy persze vannak olyan AGN-ek, amik halványabb kifúvásokkal (outflow) rendelkeznek, amik szintén megfigyelhetők rádiótartományban. Ezek nem nevezhetők rendes, jól nevelt, kollimált, relativisztikus jeteknek. Tehát az ilyen objektumok nem is kerülhetnek bele a jetted AGN táborba.

Mik is azok a valódi kettes típusú Seyfert galaxisok?

Az NGC 3147 jelű AGN egyike a három bizonyítottan valódi kettes típusú Seyfert galaxisoknak (A másik kettő az NGC 3660 és a QB2131-427 jelű források). A kettes típusú Seyfertek színképében nem látunk széles spektrumvonalakat, mert olyan irányból látunk rájuk, ahonnan az árnyékoló portórusz kitakarja a szélesvonalas tartományt (broad line region, BLR).  Legalábbis ez a Seyfert galaxisok egyesített modeljének az alapvetése. Azonban már korábban felmerült, hogy létezhetnek-e vajon olyan objektumok, amikből ténylegesen hiányzik a BLR. Több mintát is vizsgáltak már, de a jelöltek nagy részéről kiderült, hogy ha gyengén is, de mutatnak széles spektrumvonalakat. Csak a fent említett három forrás maradt eddig fent minden rostán; ez azt mutatja, hogy ez egy nagyon ritka, extrém jelenség lehet. Feltételezések szerint ezekben a forrásokban nagyon alacsony az akkréciós ráta ez lehet a magyarázat a hiányzó BLR-re. 

De miért olyan biztosak, hogy ezeknél a forrásoknál nincs az útban árnyékoló anyag, ami kitakarja BLR-t? Erre a röntgenmérések a jó bizonyítékok. Például az NGC 3147-ről a NuSTAR röntgenműholddal készült mérésekről szóló cikk mostanában jelenik meg. A NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) a nagyenergiás röntgenfotonokra is érzékeny, a 3-79 keV-es tartományt fedi le (a két nagy öreg, a Chandra és XMM-Newton energiatartományai fölött). Az NGC 3147 40 keV-os tartományig mért röntgenspektruma nem mutatott elnyelésre utaló jelet. Tehát a központi energiaforrásból származó röntgen fotonokat akadálytalanul tudjuk észlelni, ez azt jelzi, hogy közvetlen rálátásunk van a fekete lyukra, azaz látnunk kellene a BLR-ből származó vonalakat az optikai színképben, ha az tényleg ott lenne. 

Persze van alternatív magyarázat is a röntgenadatokra, bár a szerzők szerint ez megoldás jóval kevésbé valószínű. Lehetséges ugyanis az, hogy az árnyékoló anyag olyan fura térbeli elhelyezkedésű, hogy teljesen elnyeli ugyan a kibocsátott sugárzást a látóirányban, de azonkívül egy meleg, visszaverődést okozó anyag található, ami felelős a mért röntgenspektrumért. Ennek azonban meglehetősen kompaktnak kell lennie, mivel hetes időskálán mérhető jelentős fényességváltozásokat detektált az NGC 3147-ben egy másik röntgen- (és gamma-) műhold, a Swift.

A legtávolabbi gammatartományban sugárzó blazárok

A Fermi/LAT (Large Array Telescope, kb. nagy területű távcső) egy földkörül keringő gammatartományban érzékeny műhold. 2008-ban bocsátották fel és azóta ontja magából a mérési adatokat. Az adatfeldolgozó szoftvereket folyamatosan frissítik, egyre újabb és újabb verziók látnak napvilágot. A legutóbbi, a 2015-ben kiadott nagy ráncfelvarrás, a Pass 8 kapcsán olyan nyilatkozat is elhangzott, hogy a fejlődés olyan mértékű, mintha egy vadiúj műszert használhatnának. Az egyik a Pass 8-nek köszönhető eredmény az az 5 nagy vöröseltolódású blazár, amelyek gammatartományban detektálható jeleit sikerült kibányászni a Fermi adatokból.

A blazárok olyan rádióhangos AGN-ek, amelyekre szinte pont a jet irányából látunk rá, a megfigyelhető spektrális energiaeloszlást (spectral energy distribution, SED) a jet sugárzása dominálja. A blazárok esetében a SED formája leginkább kétpúpú tevére hasonlít. Az első púpért a rádió-, infravörös, optikai tartományban a jet szinkrotron sugárzása felelős. A magasabb energiákon látható második púpot inverz Compton sugárzással szokták magyarázni. Az inverz Compton sugárzáshoz szükséges alacsony energiájú fotonok (amik nagy energiás töltött részecskéken szóródva fognak nagyobb energiára szert tenni és röntgen- és gammatartományba kerülni) több helyről is származhatnak. Például a jetből, ezt nevezik synchrotron-self-Compton mechanizmusnak, vagy a központi fekete lyukhoz közelebb elhelyezkedő szélesvonalas tartományból (broad-line region, BLR), az akkréciós korongból, de távolabbról az infravörös tóruszból származó fotonok hozzájárulása is jelentős lehet. (Az AGN-ek összetevőinek részletesebb leírása a blogban itt olvasható.) Megfigyelések azt mutatják, hogy létezik egy úgynevezett blazár sorozat (blazar sequence): minél fényesebb egy blazár, annál inkább tolódik az alacsonyabb energiák felé a SED-en a második púp. Sikerült egy olyan elméleti modellt felállítani, ami a fent felsorolt négy lehetséges foton eredetből, hármat használ fel (a jetből származó fotonok maradnak ki), és képes visszaadni a megfigyelt összefüggést a blazárok fényessége és a második púp helyzete között.

Blazár SED-ek sorozata (Ghisellini 2016)

Hogy kapcsolódik mindez a bejegyzés témájához a távoli blazárok gamma detektálásához? Hát úgy, hogy minél messzebbre nézünk, annál valószínűbb, hogy csak az adott objektum populáció legfényesebb tagjait fogjuk látni. Tehát blazárok esetén azokat, amelyeknél a SED második csúcsa alacsonyabb energiák felé a MeV-es gammatartományba, sőt a röntgentartományba csúszik bele. A Fermi érzékenysége pedig alacsonyabb energiák felé haladva egyre rosszabb. Itt jön képbe a Pass 8, ami viszont megnövelte a Fermi érzékenységét a pár MeV-es fotonokra is, vált lehetővé a távoli blazárok detektálása is.

De még így sem volt egyszerű a feladat. Fogták a Fermi/LAT eddigi összes mérését, 92 hónapról van szó, összeintegrálták és ismert nagy vöröseltolodású rádióhangos AGN-ek pozíciójában kerestek zajból kibukkanó jelet. Az 1103 megvizsgált helyből, 5-nél sikerült ez. Három forrásról találtak röntgenméréseket az irodalomban, így sikerült a SED-et felrajzolni és látható, hogy a Fermi által detektált fotonok a második púp csúcs utáni lejtőjét rajzolják ki. A többi forrás esetén is arra a következtetésre jutnak, hogy a közeli gammatartományban sugárzó blazárokra hasonlítanak.

Az egyik nagy vöröseltolódású blazár SED-je (Ackermann és mtsai 2017, ApJL)

A fekete lyuk mind az öt forrásban jelentős tömegű, 10⁸-10¹⁰ naptömegűek. Úgyhogy itt is felmerülhet a kérdés, hogyan is sikerült összegyűjteni ennyi naptömeget ennyire rövid idővel (pár milliárd évvel) az Ősrobbanás után. A szerzők azt gyanítják, hogy a rádióhangosságnak valahogyan köze lehet a korai Univerzumban megfigyelhető fekete lyukak gyors tömegnövekedéshez.

Sajnos a cikkben nem kerül szóba, hogy az öt forrásból négyre nem kevés mérés született rádióinterferométer-hálózatokkal, amelyek egyébként a nagyenergiás adatoktól teljesen függetlenül mutatják, hogy ezek az objektumok tényleg blazárok, a jetjeikre kis szög alatt látunk rá.