A csillagászok egy komplex kozmikus rejtélyt próbálnak megfejteni, amely egy távoli galaxis sötét szívében rejtőzik, mintegy 270 millió fényévre a Földtől. Ha sikerrel járnak, forradalmasíthatják annak megértését, hogy a fekete lyukak hogyan lakmároznak az anyagból.
Káosz a köbön
Az 1ES 1927+654 katalógusnevű, a Sárkány csillagképben található távoli csillagcsoport magjában egy több mint egymillió naptömegnyi szupernehéz fekete lyuk található – ami önmagában nem különösebben figyelemre méltó. A legtöbb nagy galaxisnak, köztük a miénknek is, ilyen hatalmas monstrumokat rejtőznek a középpontjában. Ez a fekete lyuk azonban egyszer csak rendkívül furcsán kezdett viselkedni:
2018-ban három hónapra olyan intenzíven kezdett sugározni, hogy az esemény látszólag eltörölte a fekete lyuk koronáját, vagyis a körülötte örvénylő, milliárd fokos plazmafelhőt.
A szokatlan kitörés mögött a szakértők szerint egy árapály-katasztrófa állhatott, ami akkor következik be, ha egy csillagot szétszakít és felfal a fekete lyuk, miután az túl közel sodródott az eseményhorizonthoz. Számos kutatócsoport kezdte szorosan nyomon követni a rendszert, és a következő néhány évben megfigyelték, ahogy a korona újra kiépül, és visszatérnek a nyugalmi állapotok. Aztán a fekete lyuk újabb meglepetésekkel szolgált: drámaian fellángolt rádiótartományban és gyors röntgenimpulzusokat bocsátott ki.
Az ilyen dinamikus változások példa nélküliek a szupernehéz fekete lyukak körül, és nem magyarázhatók meg könnyen egy „tipikus” árapály-katasztrófával. Eileen Meyer, a Maryland Egyetem csillagásza egy nemzetközi csoport tagjaként több földi és űrbeli teleszkóp segítségével vizsgálta a rendszer rádiókibocsátását. Emlékei szerint, amikor először látta a rendszert, az 1ES 1927+654-ről egy kifejezetten unalmas, halvány rádióforrásnak tűnt. Aztán ahogy kollégáival egyre több furcsa aktivitást láttak kibontakozni, egyre izgalmasabbá vált.
Csapata megfigyelései során kiderült, hogy röviddel a rádióhullámok felerősödése után a fekete lyuk egy óriási, poláris plazmasugárpárt bocsátott ki, amelyben a fénysebesség harmadával száguldott az anyag. Ez volt az első alkalom, hogy ilyen sugárnyalábok keletkezését valós időben sikerült megfigyelni, ami egyértelműen extrém aktivitást jelzett a fekete lyukhoz közelében. Meyer a múlt héten az Amerikai Csillagászati Társaság 245. ülésén mutatta be csapata eredményeit, amelyeket az Astrophysical Journal Letters című folyóiratban megjelent új tanulmányukban is összefoglalnak.
De ha nem egy átlagos „csillagrombolás” áll a fekete lyuk bizarr viselkedése mögött, akkor mi lehet a háttérben? A döntő nyomot a fekete lyuk röntgentartományú pulzálása rejtheti, amit Megan Masterson, az MIT doktorjelöltje és kollégái elemeztek. Az Európai Űrügynökség XMM-Newton röntgenteleszkópjának adatait felhasználva Masterson és csapata árulkodó mintázatot fedeztek fel: a villódzás két év alatt egyre gyorsabbá vált.
„2022-ben 18 perces periódussal kezdtük, 2024-ben pedig már hét perces volt – tehát gyakorlatilag megfeleződött. Ilyet még soha nem figyeltek meg szupernehéz fekete lyukak körül”
– mondja Masterson. A szakértő, Meyer és kollégáik januárban az arXiv.org preprint szerverén tették közzé eredményeiket, de a tanulmányt már el is fogadták a Nature február 13-i számában való közzétételre.
Rejtélyes kísérő
A kutatók szerint a legkézenfekvőbb magyarázat a röntgenoszcilláció változására az, hogy a fekete lyukhoz nagyon közel kering egy nem elhanyagolható tömegű objektum. Ez a modellek szerint olyan közel lehet a központi égitesthez, hogy a fekete lyuk akkréciós korongjába is belép, amelyben a súrlódás hatására izzóvá hevült a gravitációs szörnyeteg körül felgyülemlett anyag.
Ha ez a helyzet, akkor minden egyes röntgenkitörés azt jelezheti, hogy a keringő égitest teljesít egy ciklust, amely során áthalad az akkréciós korongon, és megkavarja annak anyagát.
Az impulzusok gyakoribbá válása pedig annak a jele lehet a szakértők szerint, hogy az objektum pályája egyre instabilabb, folyamatosan energiát veszít és egyre közelebb és gyorsabban afelé a pont felé, ahonnan már nincs visszatérés. A folyamat közben pedig az észlelt rádiókitörések mellett gravitációs hullámok is kibocsátódnak.
Masterson számára a következő lépés egyértelmű volt: „Kiszámítottam, mennyi ideig fog még ez a test befelé spirálozni és mikor fog felemésztődni” – mondja. A modell alapján úgy tűnt, hogy a hipotetikus objektum 2024 januárjában átlép az eseményhorizonton, és ekkor végre megszűnhetnek a rejtélyes röntgenkitörések.
De nem így történt. Az XMM-Newton 1ES 1927+654-ről 2024 márciusában végzett megfigyelései egyértelműen azt mutatták, hogy az oszcilláció még mindig kitart. Ha egy keringő objektum okozza a kitöréseket, a nagyjából hétperces periódus azt jelentené, hogy a fekete lyuk kísérője néhány millió kilométerre van az eseményhorizonttól, és a fénysebesség felével mozog. Márpedig soha egyetlen objektumot sem figyeltek meg ilyen közel egy fekete lyukhoz. Vajon hogyan létezhet még ilyen körülmények között egy égitest? A gravitációnak rég szét kellett volna tépnie, hacsak nincs valami más tényező is játékban, mondja Masterson.
A kutatók megoldása a rejtélyre egy egzotikus égitest volt, egy fehér törpe, amely egy haldokló, Naphoz hasonló csillag után hátramaradt, rendkívül sűrű csillagtetem. Ha ugyanis a feltételezett objektum egy kisebb fekete lyuk lenne, akkor már rég belezuhant volna szupernehéz társába, ha pedig egy normál csillag, akkor az árapály-katasztrófa eddigre széttépte volna. Masterson és csapata azonban rájött, hogy ha egy kis tömegű fehér törpét feltételeznek az extrém pályán, az elég szívós lehet ahhoz, hogy egy ideig a pusztulás határán egyensúlyozzon. Egy ilyen fehér törpe ahelyett, hogy szétszakadna az árapályerők nyomán, képes lehet anyagának egyszerre egy kis részét a fekete lyukba táplálni.
Ez ellensúlyozhatja a gravitációs hullámok nyomán elvesztett keringési energiát, megállítva vagy akár megfordítva a befelé spirálozást.
Átmeneti állapotok
Ennek Chiara Mingarelli, a Yale asztrofizikusa szerint is lehet értelme, aki nem vett részt az 1ES 1927+654 kapcsán végzett említett kutatásokban. Ha a fekete lyuk körül keringő hipotetikus objektum egy fehér törpe lenne, akkor a „zombi” csillag valamiféle átmeneti állapotban létezhetne, amely során elkezd ugyan szétesni, és közben gravitációs hullámokat bocsát ki, de közben csak lassan közeledik a fekete lyuk felé, ahelyett, hogy az gyakorlatilag egészben bekebelezné, mondja a kutató.
Ez a modell persze egyelőre a legjobb esetben is csak egy megalapozott sejtés. Bizonyítására azonban lehet, hogy nem is kell olyan sokat várni. Talán csak a 2030-as évekig, az első űrbe telepített gravitációshullám-detektor munkába állásáig: az Európai Űrügynökség tervezett LISA nevű eszköze például képes lehet észlelni az 1ES 1927+654 körül kvázi stacionárius pályán keringő fehér törpéből kiinduló gravitációs hullámokat. ÉS persze ha nem talál ilyeneket, az is fontos információ lehet a kutatóknak, akik alternatív válaszok felé nézhetnek.
Akármi is lesz a vége, ez a rendszer fontos lehetőség arra, hogy egy ilyen forrást már most tanulmányozzanak a kutatók, mondja Masterson. Aki azt reméli a LISA sok-sok további hasonló kozmikus rendszert fog találni, és akkor még több ilyet figyelhetnek meg. Mingarelli hasonlóan bizakodó a LISA-projekttel kapcsolatban, és leszögezi, hogy ezek a kutatások ismét megerősítik, mennyire keveset tudunk még a fekete lyukak dinamikájáról és különösen az akkréciós korongok fizikájáról.
Ugyanakkor, ahogy Meyer mondja, a tudomány fejlődése is nyilvánvaló:
„Már nem csak a statikus univerzum megfigyeléséről beszélhetünk. Immár ott tartunk, hogy tudjuk, az univerzum nagyon dinamikus, de egyelőre nem tudjuk, hogy mikor mi következik be. Könnyen lehet, hogy ahol egyik héten semmit sem láttunk, a következőn valami érdekes történik.”
