Fekete lyukakból álló korongok rejtőzhetnek a galaxisok közepén

2018.09.05.
Fekete lyukakból álló korongok rejtőzhetnek a galaxisok közepén
A galaxismagban feltehetően hemzsegnek a fekete lyukak: az év elején röntgencsillagászati módszerekkel 12 kettős jelöltet fedeztek fel. Ennél azonban jóval többről, akár több ezerről lehet szó. Az ELTE kutatóinak a Physical Review Letters-ben most nyilvánosságra hozott vizsgálata szerint ezek a fekete lyukak egy korongba rendeződve keringenek a központi, szupernehéz fekete lyuk körül.

Csillagászati megfigyelésekből tudjuk, hogy a legtöbb galaxis közepén szupernehéz fekete lyuk található. A sűrű, mindössze néhány fényév sugarú gömbbe roppant gravitációja hatására csillagok milliói és naptömegű fekete lyukak ezrei gyülemlenek. Asztrofizikusok a galaxismagban keringő csillagok pályáinak kölcsönhatásait szimulálva azt találták, hogy a fekete lyukak pályái eddig nem várt módon rendeződnek.: a nehezebb égitestek egy vastag korongot alkotva keringenek a központi szupernehéz fekete lyuk körül.

„Korábban azt gondoltuk, hogy a  kisebb és nagyobb tömegű objektumok tetszőlegesen keringenek a központi nagy fekete lyuk körül. Kutatásaink azonban azt igazolják, hogy a nehezebb csillagok és a fekete lyukak egyetlen korongba rendeződnek" – mondja Szölgyén Ákos, az ELTE PhD-hallgatója, aki a Physical Review Letters-ben, az egyik legrangosabb fizikai szaklapban publikált kutatást vezette.

Szölgyén Ákos és témavezetője, Kocsis Bence, az ELTE Atomfizikai Tanszékén működő GALNUC ERC kutatócsoport vezetője az ún. vektor rezonáns relaxációt is számításba vették a galaxismag numerikus szimulációjában. Ez a fontos, de eddig nem vizsgált effektus az égitestek pályái között fellépő gravitációs forgatónyomatékot írja le, amely évmilliók alatt rezonáns módon adódik össze, fokozatosan elfordítva a keringési pályák síkját. „Ellentétben a kas körül dongó méhrajjal,

a csillagok rendezetten keringenek a központi szupernehéz fekete lyuk körül: pályáik síkban precesszáló ellipszisek.

A pályák közötti kölcsönhatás következtében a pályasíkok évmilliók alatt elfordulnak” – magyarázza Kocsis Bence.

Mivel a galaxismagban több millió csillag és akár több ezer fekete lyuk is keringhet, a vektor rezonáns relaxáció hatása nagyon jelentős lehet, és alapvetően befolyásolja az égitestek pályáját. A kutatók az egyes égitestek pályáinak kölcsönhatásait a galaxismag kialakulásának pillanatától kezdték szimulálni.

„Jelenlegi ismereteink szerint a galaxisok magját alkotó sűrű csillaghalmaz alapvetően két fő módon keletkezhetett. Az egyik szerint gáz áramlott a galaxis távolabbi régióiból a középpontban lévő szupernehéz fekete lyuk közelébe. A besűrűsödő gázból pedig idővel csillagok keletkeztek. A másik modell szerint ősi csillaghalmazok hullottak be a galaxis centrumába, és ahogy bespiráloztak, majd a szupermasszív fekete lyuk árapályerejének hatására széthullottak, csillagaikkal benépesítették a galaxismagot. Valószínűsíthető, hogy mind a két folyamat egyaránt szerepet játszott a kialakulásban” – mondja Szölgyén Ákos.

Közös ezekben a modellekben, hogy a csillagok pályája kezdetben szintén korongokat alkothatott attól függően, hogy a gázfelhők vagy épp a behulló csillaghalmazok milyen irányból érkeztek és spiráloztak befelé a központba. Korábban azt gondolták, hogy idővel ezek a csillagkorongok a gravitációs kölcsönhatás miatt elkeveredtek egymással. A magyar fizikusok azonban most úgy találták, hogy a nehezebb csillagok, amelyekből később a fekete lyukak keletkeznek, a gravitáció hatására lesüllyednek egy korongba úgy, ahogy a nehezebb részecskék leülepednek egy tartályban. Ezek a korongok pedig hosszú ideig megmaradhatnak.

„A csillaghalmazok fejlődésük során megpróbálják maximálisan kitölteni a rendelkezésükre álló teret, akárcsak a gázok egy tartályban. Azonban a nehezebb égitestekből álló komponens nem tudja elérni ezt a rendezetlen, gömbszimmetrikus állapotot. Ezek

a nagy tömegű objektumok a gravitáció hatására >>leülepednek<<, és egy alacsony entrópiájú állapotot: korongot hoznak létre 

– magyarázza Kocsis Bence. – Ez nagyon hasonló a részecskefizikában és a kondenzált anyagok fizikájában ismert spontán szimmetriasértés jelenségéhez.”

Megvizsgálták azt is, mi történik a közepes és a kis tömegű égitestekkel. Míg a közepes tömegű, B-típusú csillagok pályái szintén mutatnak némi anizotrópiát, azaz korongszerű rendeződést, addig a kis tömegű csillagok, mint a Naphoz hasonló, idős, fősorozati csillagok, valamint a neutroncsillagok és fehér törpék leginkább gömbszimmetrikusan fordulnak elő a galaxismagban. A kapott eredmények egyeznek a Tejútrendszer közepének megfigyeléséből adódott csillagászati számításokkal: a kis tömegű csillagok gömbszerűen oszlanak el, míg a nagy tömegű fiatal csillagok egy hajlott korongba rendeződve keringenek a szupernehéz fekete lyuk körül.

Bár még csak egy tucat fekete lyukat észleltek a galaxismagban,

várható, hogy a nehéz csillagok által alkotott korongban nagyobb populáció rejtőzik.

A felfedezés jelentősen elősegíti a galaxismagok dinamikájának és a galaxisfejlődésnek a megértését, és fontos állomás lehet a gravitációshullám-források eredetének értelmezésében is.

„Ha több száz vagy ezer fekete lyuk korongba rendeződik a központi szupernehéz fekete lyuk körül, akkor ezek együttesen erősen meghajlíthatják és kilyukaszthatják a gázfelhőket, amiből megfigyeljük a nagyenergiás kiáramlásokat. Ez több ezer fényévre is képes megváltoztatni a galaxis nagyskálás szerkezetét – mondja Kocsis Bence. – A legérdekesebb kérdés, hogy vajon a fekete lyukak most feltételezett eloszlása megmagyarázza-e a LIGO/VIRGO detektorokkal észlelt gravitációshullám-jelek magas gyakoriságát.”

Borítókép: Fantáziarajz egy gravitációs árapály erők miatt széteső csillaghalmazról NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech) munkája és a Hubble Deep Field felvétele alapján. Készítette: Szölgyén Ákos.