Képregény (és videó) szupermasszív fekete lyukak étkezési szokásairól

Még doktorandusz koromban szoktam rá, hogy nézegessem a phdcomics weboldalát - sokszor nagyon jó meglátásai vannak a szerző(k)nek erről az élethelyzetről :) A gravitációs hullámok detektálása kapcsán is ajánlottam az ott megjelentetett magyarázó, ismeretterjesztő videót. Mivel oszlopos magyar tagok is vannak a kollaborációban, a videó magyar feliratos változata is elkészült.

A blog témájába jobban illeszkedő legfrissebb filmecske azonban csak angolul tekinthető meg. Ez pedig Boulderben (egyáltalán nem a témához kapcsolódó megjegyzés: ez a város szerepel Stephen King Végítélet című könyvében) a coloradoi egyetemen dolgozó Julia Comerford és csapata által jegyzett Supermassive Black Holes című videó. Fő kutatási területük galaxis összeolvadás jeleit mutató objektumokban a kettős (kpc-es szeparációjú) szupernagy tömegű fekete lyukak (SMBH) vizsgálata. Ezen kettős fekete lyukak vizsgálata azért is fontos terület, mert jelenlegi tudásunk szerint nem teljesen világos, pontosan hogyan is híztak fel a jelenleg szinte minden nagyobb galaxis középpontjában megfigyelhető SMBH-k. Ezt a problémát természetesen a videó és a képregény sokkal viccesebben, egy büfögő fekete lyukkal illusztrálja :)

Az SMBH-k tanulmányozása akkor a legkönnyebb, ha az aktív galaxismagokat vizsgáljuk; ahogy a videó is kiemeli a legsötétebb objektumok (mert a fekete lyukból a fény sem tud megszokni) sokszor a legfényesebbek is, hiszen az AGN-k körül elhelyezkedő anyagbefogási korong bőven túlragyog(hat)ja anyagalaxisát is.

Hiába foglalkozom fekete lyukakkal, nekem is érdekesen hangzott (nem szoktam ilyesmibe igazán belegondolni), hogy egy átlagos 75 kilós embert egy kvark méretére, míg a Napot közel 6 és fél kilométer átmérőjűre kellene összenyomni, hogy fekete lyukká váljanak.

Mi az: összetéveszthető mikrohullámú sütővel, de aktív galaxismaggal is?

A csillagaszat.hu oldalon magyarul is lehetett olvasni a napokban a Nature-ben megjelent cikkről, amelyben gyors rádiókitörés, fast radio outburst (FRB), anyagalaxisának azonosításáról írnak. Az FRB-k nagyon rövid, milliszekundomos időig érzékelhető rádió felvillanások, eddigi tudásunk szerint egyszeri, nem megismétlődő események, ezért tanulmányozásuk nagyon nehéz. Például egy tavalyi cikkben vizsgálták, hogy milyen földi eredetű zavaró rádiójelek téveszthetők össze extragalaktikus eredetűnek gondolt FRB-kel. A szerzők konkrétan megmutatták, hogy a Parkesban lévő 64 méteres antennánál, ha a mikrohullámú sütő ajtaját működés közben kinyitják, akkor az így kapott rövid rádió interferencia zavarok tévesen FRB-ként is kategorizálhatók. Ez azért különösen érdekes, mert az első FRB-t Parkesban végzett mérések utólagos feldolgozásakor találták meg. Szerencsére az kiderült, hogy pont olyan jelet, mint amilyen az első FRB volt nem tudtak a mikrosütőkkel létrehozni, annak csillagászati eredetét nem végül a cikk megerősítette.

Mi a helyzet ezzel az új, most publikált FRB-vel? Ezt is Parkesban mérték, de végre nem archív adatokban bányászva utólag találták meg, hanem valós időben sikerült elkapni a felvillanást, így lehetségessé vált, hogy több antannával keressék a felvillanás forrását, esetleges utófénylését. Sikerült is a felvillanás pontos pozícióját megmérni és később a Subaru teleszkóppal egy ott lévő elliptikus galaxissal azonosították az FRB anyagalaxisát. Tehát úgy tűnt sikerült közvetlen megfigyelési ténnyel alátámasztani, hogy az FRB-k extragalaktikus eredetűek.

Igen ám, de a cikk nyilvánosságra kerülése után hamar megjelent egy annak következtetéseit erősen kétségbe vonó írás. Most nem a földi mikrohullámú sütő lehet a ludas, hanem egy aktív galaxismag. A szerzők rámutatnak, hogy az anyagalaxisból detektált nyugalmi rádiósugárzás nem tulajdonítható csillagkeletkezésnek, ott aktív galaxismagnak is lennie kell. Ha pedig a feltételezett FRB anyagalaxisa rádióban is sugároz, akkor a megfigyelt kifényesedést bőven magyarázható az AGN-eknél szokásosan előforduló fényességváltozásokkal. (Ezt támasztja alá az is, hogy meglepően hosszú lecsengési fázisa volt az állítólagos FRB-nek). A cáfolat szerzői emellett azt is megmutatták, hogy az égen egy véletlenszerűen választott pozicóra irányítva a Parkes antenna látómezejében egységnyi nagyságrendű változó fényességű rádióforrást fognak detektálni. Harmadik ellenérvként pedig bemutatják hogy a detektált fénygörbe, nem magyarázható az FRB-k esetén alkalmazott fizikai modellek egyikével sem (bezzeg AGN változékonysággal nagyon is).

Úgy tűnik tehát továbbra is rejtélyesek maradnak az FRB-k, amíg nem sikerül egy igazit valós időben megfigyelni. 

Lapszemle a GW150914 kapcsán

Ahogy várható volt a ma hajnalban érkező tegnapi nap folyamán feltöltött, elérhetővé tett preprintek között számos gravitáció hullámokkal foglalkozó akad. A LIGO/VIRGO kollaborációtól én tízet számoltam meg.

1. A vártnál nagyobb tömegű fekete lyuk kettős miatt úgy számolják, hogy a sztochasztikus gravitációs hullám háttér nagyobb lehet, mint eddig várták. Így valószínűleg az egyesített felújított LIGO/VIRGO végső érzékenysége elég lesz a detektáláshoz. (http://arxiv.org/abs/1602.03847)
2. Részletesen bemutatják a LIGO detektor működését, kalibrációját és az így kapott hiba határokat a felfedezett eseményhez kapcsolódóan. (http://arxiv.org/abs/1602.03845)
3. Tárgyalják (és kizárják) a lehetséges zajforrásokat az esemény mérésének idején és megerősítik, hogy ténylegesen asztrofizikai eredetű a detektált jel. (http://arxiv.org/abs/1602.03844)
4. Bemutatják az analízist (hullámforma meghatározást, stb.), ami a felfedezéshez vezetett (http://arxiv.org/abs/1602.03843)
5. Külön cikk foglalkozik az összeolvadó rendszer megismert tulajdonságaival. Például, hogy nagyjából 0.09-es vöröseltolódásnál van.  Látszik, hogy a lokalizáción még lesz mit javítani, egyelőre a déli égbolton egy 590 négyzetfokos területre mutatnak, hogy ott történt a dolog (ehhez az kell, hogy több detektor egymástól jó messze működjön). (http://arxiv.org/abs/1602.03840)
6. Egy rövidebb írásban mutatják be, hogy a felfedezés milyen szignifikancia szinttel történt (http://arxiv.org/abs/1602.03839) (Annak valószínűsége, hogy a jel téves riasztás volt kétszer 10^-7.)
7. Van egy a detektorokat bemutató írás. (http://arxiv.org/abs/1602.03838).
8. Természetesen megtalálható maga az elfogadott cikk a felfedezésről. Ez a Physical Review Letters folyóiratban fog megjelenni. Valószínűleg az egekbe röpítve annak impakt faktorát a jövőben :) (http://arxiv.org/abs/1602.03837) 
9. A kettős fekete lyuk rendszer kialakulásának lehetőségeit is bemutatják egy rövid cikkben (http://arxiv.org/abs/1602.03846)
10. Bemutatják, hogy a felfedezés alapján mekkora kettős fekete lyuk összeolvadási rátát prognosztizálnak. (http://arxiv.org/abs/1602.03842)

Nem lehetett egyszerű ennyi cikk szimultán megjelenését összeboronálni. Na meg a bírálók kiválasztása sem lehetett egy fáklyás menet. Persze bírálónak lenni sem semmi felelősség ilyen horderejű cikkeknél. 

Sajnos a Swift műholddal folytatott kampány, ami a felfedezés után két nappal indult, nem detektált semmit sem röntgen, sem UV, sem optikai tartományban, bár tény hogy nem tudtak az egész égterületet lefedni. Ami nem is csoda, hiszen jó nagy:

A színes kontúrok jelzik a hely meghatározás valószínűségének nagyságát. Égkép az Atlanti-óceán déli részéről nézve, észak felfelé van. Kép forrása: http://losc.ligo.org/events/GW150914/

Mindenesetre kiderült, hogy a Swift képes gyors reagálásra, és kiderült az is, hogy milyen adatokat lenne jó, ha minél hamarabb meg tudnának osztani a LIGO-sok a lehetséges követő műszerekkel. Egy alacsony szignifikancia szintű Fermi detektálásról írnak a cikkben, de ezt nem erősítette meg más gamma-tartományban működő műhold. (És én nem találtam a meg a hivatkozott cikket sem).

Gravitációs hullámok detektálása az Einstein centenárium évében!

Frissítés!

És tényleg, sikerült a detektálás! A pletyka is igaznak bizonyult, már a tesztfázisban mértek jelet (szeptember 14-én) és a két fekete lyuk tényleg 36 és 29 naptömegű. Meglepő, hogy ilyen nagyok. Galaxisuk több mint egy milliárd fényévnyire van. Nagy gratula az összes magyar résztvevőknek (Szeged, Debrecen, Budapest)! Érdekes új időszak kezdődik ezzel a csillagászatban.

-------------------------------------- Eredeti bejegyzésem

Habár a földi gravitációs hullám detektorok sajnos nem érzékenyek a blog szereplőinek, a szupernagy tömegű fekete lyukaknak az összeolvadására, azért mindenképpen írni kell az utóbbi időszak egyik legjobban várt bejelentéséről.

A New Scientist már február nyolcadikán nagyon biztos volt benne, hogy ma bejelentik, hogy végre sikerült a gravitációs hullámokat detektálni a nemrégiben felújított Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory-val (advanced LIGO). Az első pletyka (nem kollaboráció tag tudóstól) már tavaly szeptember folyamán kezdett terjedni, majd idén január elején az illető megismételte az értesülését. Azóta már a konkrét jelről is elkezdtek terjedni az információk: egy 29 és 36 naptömegű fekete lyuk összeolvadásáról lehetett olvasni a Science cikkében.

A New Scientist próbált utánajárni az infoknak és megnézte hogy a European Southern Observatory chilei teleszkópjainál milyen mérések utalhatnak egy esetleges felfedezésre. A gravitációs hullámokat kiváltó eseményhez ugyanis feltételezhető, hogy az elektromágneses jel (kitörés, kifényesedés) is tartozik. Az egyik megfigyelés szeptember 17-én kezdődött az Aranyhal (Dorado) csillagkép irányában, két másik pedig december 28-tól január 14-ig tartott és a Hydra valamint Kos (Aries) felé irányult. Az advanced LIGO műszer (ami az eredeti LIGO nagyjából négyszer jobb érzékenységű, felújított változata) a működését hivatalosan szeptember 18-án kezdte meg, (és ez az első menet január 12-ig tartott), de teszt adatok gyűjtése már ezelőtt is folyt. Lehetséges, hogy olyan szerencséjük volt, hogy az első tesztelési fázisban már sikerült detektálni valamit? Sőt az is lehet, hogy a legelső fázisban már mindjárt három jelet? Reméljük ez még ma kiderül :)

2010-ben már úgy tűnt, hogy sikerült a detektálás, de akkor kiderült, hogy egy direkt tesztelési célzattal beillesztett mesterséges jelet sikerült a résztvevőknek (nagy pontossággal) megtalálniuk és beazonosítaniuk. A pletykák értesülések szerint, most nem erről van szó, hanem valódi jelről. Ma délután kiderül, Washingtonban helyi idő szerint 10:30-kor kezdődik a sajtótájékoztató. (Az MTA is közvetíti az élő adást, ott lesz néhány a projektben résztvevő magyar tudós is).

A LIGO műszer együttes két egyforma detektorból áll, amelyet az MIT és Caltech közösen épített. Egyikük Livingstonban (Lousiana állam),

a másik Hanfordban (Washington állam) található.

Az év folyamán várható, hogy az olaszországi advanced VIRGO műszer is bekapcsolódik a második megfigyelési kampányba. Segítségével lehetséges lesz az észlelt gravitációs hullámokat kibocsátó égitestek helyzetének pontosabb meghatározása. Tervezik továbbá az indiai (IndIGO) és japán (KAGRA) detektorok megépítését, amelyekkel még tovább javítható a pozíció mérés.

(Gravitációs hullámok rövid, bevezető szintű magyarázatához ajánlom a mindig zseniális phdcomics, képregényét és videóját.)

Mégsem a galaxis-összeolvadás lenne felelős az aktivitásért?

Az aktív galaxismagok anyagbefogási folyamata nagyjából egész jól ismert. Az egyesített modell írja le, a fekete lyuk közelében lévő anyag egy anyagbefogási korongba (akkréciós korong) rendeződik; gravitációs energiája mozgási energiává alakul, ami felfűti a gázt, amely elsősorban az ultraibolya és az optikai tartományban sugároz. Egyéb hullámhossztartományokban észlelt sugárzás jobban (infravörös sugárzás, amely a por tórusz által elnyelt optikai és UV fotonok reprocesszálásával jön létre) vagy kevésbé jobban kapcsolódik ehhez a folyamathoz (akkréciós korong felett elhelyezkedő koronából és/vagy a jetből származó röntgen és rádió sugárzás). Az azonban továbbra is nyitott kérdés, hogyan jut az akkréciós korongba az AGN-t tápláló gáz. 

Nagy tömegű AGN-ek esetében az elmúlt években, évtizedekben nagyjából széleskörben elfogadott kép alapján az aktívan táplálkozó életciklus a galaxisok összeolvadását követő csillagkeletkezési fázis után indul be. Tehát az aktivitás merger-driven, azaz galaxis-összeolvadás miatt kezd el a középpont felé anyag áramlani, ami felpörgeti az akkréciót, beindítja az aktivitást. Eddig azonban sajnos nem nagyon volt rá lehetőség, hogy nagyobb statisztikai vizsgálatokkal alátámasszák ezt az, amúgy önmagában szép kerek egész, fejlődési modellt. A megfigyelési program azért is erőforrás igényes, hiszen össze kell hasonlítani, hogy mekkora arányban találunk aktív és nem-aktív galaxismagokat összeolvadás során keletkezett galaxisokban.

Mechtley és munkatársai friss cikkükben, z=2 vöröseltolódású nagy tömegű (10⁹ - 10¹⁰ naptömegű) fekete lyukakat tartalmazó galaxisokat vizsgáltak a Hubble Space Telescope-pal. A mintájukat 19 aktív és 84 inaktív galaxis alkotta. Azt találták, hogy az aktív és nem aktív galaxisok alakjának torzulásai (ami galaxis-összeolvadás miatt léphet fel) nem különböznek egymástól szignifikánsan. (Pontosan annak a valószínűsége, hogy a kvazárok anyagalaxisaiban többször figyelhető meg torzulás, mint inaktív galaxisokban alig 78%.) Ezek szerint hiába szép az eddig nagyjából, hallgatólagosan elfogadott modell, azt a megfigyelések mégsem támasztják alá. Úgyhogy lehet azon gondolkozni, milyen más folyamat táplálhatja az akkréciós korongot.

Trükkös tükröző modell blazárok gamma kitöréseinek leírására

A blazárok az aktív galaxismagok csoportjába tartozó olyan rádióhangos források, amelyekre szinte pontosan a jet irányából látunk rá. Az elektromágneses spektrum egészében sugároznak, számos blazárt detektáltak a Fermi gamma-műholddal; gyakran mutatnak fényes kitöréseket (vagy felfényléseket) a gamma-tartományban. Ezeket a drasztikus (angolul flare-nek nevezett) kifényesedéseket általában más, alacsonyabb energiájú tartományokban (röntgen, vagy optikai hullámhosszakon) is sikerül detektálni, időben némiképp késleltetve. Azonban egyre több az olyan megfigyelés, amikor a detektált gamma-felvillanás „árva”, azaz nem követi hasonló kifényesedés hosszabb hullámhosszakon.

A kitöréseket általában az úgynevezett one-zone (egy zóna) modellel magyarázzák (vagy kísérlik meg magyarázni). Ilyenkor azt tételezzük fel, hogy az optikai- és röntgentartományokban észlelt szinkrotron sugárzásért felelős elektronok ugyanazok, amelyek a gamma-tartományban inverz-Compton szórás útján energiát adnak át a fotonoknak (így hozva létre a Fermivel detektált nagyenergiás gamma-fotonokat). Ebben a modellben, mivel ugyanaz az elektroneloszlás felelős a különböző hullámhosszakon detektált sugárzásért, nem meglepő, ha korrelált fényességváltozásokat mérünk - sőt igazából ezt is várjuk. Ennek a képnek mondanak ellen pár fényes, ismert blazár mérései (például 3C279 - Hayashida és mtsai, 3C454.3 - Vittorini és mtsai).

Tavani és munkatársai októberben elfogadott cikkükben egy új modellel próbálják leírni a magányos gamma-kitöréseket. Az ötlet lényege, hogy van egy „tükörként” működő lassabban mozgó plazmacsomó, erről verődnek vissza a jetben mélyebbről induló, egy gyorsabban mozgó plazmacsomóból származó szinkrotron fotonok. Amik aztán egyre rövidebb és rövidebb utat járnak be a két plazmacsomó között, ahogy a mélyebbről induló, de gyorsabb plazmoid beéri a központtól eredetileg távolabb elhelyezkedőt. Ily módon végül pár óra alatt a két „tükör” között a fotonsűrűség elegendő lesz ahhoz, hogy erős, nagy-energiás inverz-Compton felfénylést váltson ki.

Tavani és mtsai, ApJ 2015 http://arxiv.org/abs/1510.06184

A modell által jósolt gamma-felfénylések alakja hasonló a fent említett források megfigyelései során látottakhoz: gyorsan emelkedő gamma-fénygörbe, amely a csúcsot elérve nagyon meredeken esik le. A modell szerint ekkor éri utol a gyorsabban mozgó plazmacsomó a lassabbat és olvad vele össze, így hirtelen megszűnik a gamma-fotonok utánpótlása.

Természetesen további kutatások szükségesek, hogy a modell csak erre a néhány speciális forrásra, vagy (egészében, vagy részben) általánosságban is alkalmazható-e.

Kettős szupernagytömegű fekete lyuk a szomszédban?

Augusztusban jelent meg egy cikk Yan és munkatársaitól a Mrk 231-es jelű kvazárról. A szerzők szerint a kvazár középpontjában két fekete lyuk kering egymás körül, a pálya félnagytengelye 590 csillagászati egység és a keringési periódus alig 1,2 év. Hiába nagyon közeli a Mrk 231 (vöröseltolódása kicsit több mint négy század), ilyen szoros kettős fekete lyuk felbontására nincs esély mai műszerekkel. A szerzők is közvetett bizonyítékok alapján jutottak erre a feltételezésre. Pontosabban foglamazva, az általuk áttekintett megfigyelesékből származó tényeket sikeresen magyarázták egy ilyen felépítésű, szoros kettős jelenlétével. 

A Mrk 231-ről már korábban is tudott volt, hogy összeolvadó galaxisok révén jött létre, optikai tartományban készült képeken láthatóak különböző, a gravitációs árapály erők hatására létrejött torzulások. A galaxisban erőteljes csillagkeletkezés folyik, és az ULIRG (Ultra-Luminous Infrared Galaxy) azaz infravörös tartományban különösen fényes galaxisok alosztályába tartozik. Valószínűleg ez a heves csillagképződés is a (csillagászati időskálán mérve) nemrég bekövetkezett galaxis összeütközés számlájára írható.

Mrk 231 a Hubble felvételén. (NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

Yan és társai a forrás korábbi ultraibolya-tartományban vett megfigyelései alapján következtettek a kettős fekete lyuk jelenlétére. Az AGN ultraibolya sugárzásáért az akkréciós korong felelős. Mrk 231 esetén érdekes módon úgy tűnt, hogy a forrás központi régiójában hirtelen lecsökken az ultraibolya sugárzás. Ez úgy magyrázható, hogy az akkréciós korong, a központi rész közelében kitisztult, kiüresedett és ezt nem más, mint a korong közepén elhelyezkedő, két, egymás körül keringő fekete lyuk okozza. (Nagyon hasonló módon fiatal, kis szeparációjú kettős csillagok is kisöprik az anyagot a kettős közös anyagbefogási korongja körül.) A Mrk 231 központi régiója a szerzők szerint valahogy így nézhet ki:

Yan et al., 2015 ApJ 809, 117

A két fekete lyuk tömegaránya nagyon kicsi, a nagyobbik másfélszer 10⁸, míg a kisebbik csak pár millió naptömegű. Mindkettő körül található saját, kicsi akkréciós korong is (bár a modellezés során a szerzők a nagyobbik körül elhelyezkedő korong sugárzását elhanyagolták).

Illusztráció a Mrk 231 kettős modelljéhez. NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

 

A szerzők felvetik, hogy a jövőben a hasonló, anomális ultraibolya tulajdonságokat mutató kvazárok között lehetne keresni a kis szeparációjú, kettős szupernagy tömegű fekete lyukakat.

Mrk 231 mellesleg erős rádióforrás is. Számos megfigyelés található róla a VLA, VLBA, MERLIN és EVN archívumokban is (ezekről nem történik említés a cikkben). Egy 1999-ben megjelent cikkben Ulvestad és munkatársai részletesen elemzik a forrás rádió szerkezetét. A nagyskálás rádió sugárzó rész túlnyúlik az optikai tartományban látható galaxison és észak-dél irányú, míg a belső térrészben a rádiósugárzás inkább észak-kelet dél-nyugat irányban húzódik. A szerzők szerint a magyarázat az hogy a központi fekete lyuk szimmetriatengelye (amely a rádiókifuvás irányát meghatározhatja) jelentősen változhatott az idők folyamán: a korábbi észak-dél irányú tengely elfordulhatott. Ez a jelenség kettős fekete lyukak összeolvadása során várható.