Az Eseményhorizont Teleszkóppal (EHT) dolgozó kutatók 2019-ben tették közzé az első képet egy fekete lyuk, az 55 millió fényévre található M87 központi égitestje eseményhorizontjáról. A projekt keretében nyolc nagy rádiótávcsövet kötöttek össze, amelyek együttesen egy óriási, bolygónyi méretű virtuális teleszkópot alkotnak. Az égitesttel kapcsolatos megfigyelésekből az is kiderült, hogy a fekete lyuk körül kavargó anyag fényessége változik, bár az anyag által alkotott gyűrű mérete és formája nagyrészt állandónak tekinthető.
Ezekből az információkból a szakértők minden eddiginél alaposabb betekintést nyertek abba, hogy mi történik az anyaggal közvetlenül azelőtt, hogy belezuhanna a fekete lyukba.
Az M87 szupernehéz fekete lyuka körül kavargó anyagot a rádiótartományban észlelték a távcsövek, amelyet szabad szemmel nem tudunk érzékelni. Ez a fajta sugárzás nem azért bocsátódik ki, mert az anyag forró – bár kétségkívül az –, hanem a beleágyazódott erős és nagyon komplex mágneses mezők miatt. Ezek részleteiről pedig az első képek még nem sokat árultak el, holott a mágneses környezet alapvetően befolyásolja, hogy mi történik az égitest közvetlen közelében.
A napokban azonban megjelent egy három tanulmányból álló sorozat, amelyben már kifejezetten a mágneses mezőket elemzik a szakértők. Az ETH révén sikerült ugyanis feltérképezni az anyagkorong polarizált fényét, ami kulcsfontosságú a magnetoszféra értelmezéséhez.
Polarizált fények
A legtöbb hétköznapi fényforrásból véletlenszerűen orientálva indulnak ki a fény hullámai, vannak azonban olyan jelenségek és anyagok, amelyek összehangolják ezeket. Ez történhet például, ha fény üvegről vagy fémről verődik vissza, vagy amikor a polarizált napszemüveg csak bizonyos jellemzőkkel rendelkező fotonokat enged át, másokat viszont visszaver. Az ionizált gázból álló plazma mágneses mezői szintén polarizált fény kibocsátásához vezetnek. A mágneses erővonalak mentén az elektronok közel fénysebességre gyorsulnak, és ennek nyomán úgynevezett szinkrotronsugárzás keletkezik. A sugárzás polarizációja függ az elektronok impulzusmomentumától, a polarizáció erőssége pedig az azt létrehozó plazmáról és a mágneses mezőkről tanúskodik.
A fekete lyukak felé zuhanó anyag forgó korongot képez, amit komplex fénygyűrűként érzékelünk. Illetve a valóságban a korong képe ennél jóval komplexebb, ugyanis annak észlelt alakját rendkívüli módon torzítja az erős gravitáció. Bár a valóságban egy, a Szaturnusz gyűrűrendszeréhez hasonló, sík képződményről van szó, megfigyelőként nem ilyennek látjuk azt. A hátsó ív ugyanis felül és alul is megjelenik a képen, ráadásul úgy, mintha merőleges lenne a felénk eső ívre. Ennek oka, hogy a fekete lyuk a hátsó ívének fényét úgy hajlítja meg a gravitáció, hogy abból a megfigyelő irányába is jut, így ezt az ívet is láthatjuk. Ráadásul rögtön kétszer is, az anyagkorong túlsó ívének felső részéről származó fény ugyanis a torzulások miatt egy felső ívet formál, az alsó részről származó fény pedig egy alsó ívet.
A gyűrűből származó fény polarizációja párhuzamos a gyűrűvel, ami azt sugallja, hogy a mágneses mezők az eseményhorizont felől a gyűrű külső széle felé indulva körbeölelik a gyűrűt, úgynevezett poloidális teret képezve, derül ki az új adatokból. A polarizációval kapcsolatos észlelési adatok alapján úgy látszik, hogy a mágneses mezők a fekete lyuk közelében nagyon erősek, olyannyira, hogy segítenek megtartani az anyagot a korong belső szélén, átmenetileg lelassítva azt, és megakadályozva a fekete lyukba hullását. A becslések szerint az eseményhorizonton évente 0,0003–0,002 naptömegnyi anyag hullik át.
Ez első hallásra nem is tűnik annyira soknak, de ha más mértékegységre váltunk azt jelenti, hogy az M87 központi égitestje évente két Jupitert kebelez be, vagy naponta két Földet, ami igen jelentős étvágyat jelent.
Óriási energiák
A galaxis központi fekete lyuka egyébként is óriási: tömege 6,5 milliárdszorosa a Napénak, eseményhorizontja pedig, vagyis az a határfelület, amelyen áthaladva már a fény sem képes elszökni az égitest vonzásából, nagyjából 40 milliárd kilométer átmérőjű, ami körülbelül ötszöröse a Neptunusz pályaátmérőjének.
A mágneses mezők erősségét 1–30 Gauss közöttire mérték a szakértők, ami 2–60-szorosa a földi magnetoszféra erejének. Ráadásul a földi magnetoszféra fennhatóságánál sokkal-sokkal nagyobb térrészről beszélünk, amelynek átmérője meghaladja a több száz milliárd kilométert. Egy ilyen gigantikus magnetoszférában elképesztő energiák kavaroghatnak. A kutatók évtizedek óta úgy gondolják, hogy a fekete lyukakból polárisan kiinduló, úgynevezett relativisztikus anyagsugarakat az egyenlítői anyagkorong magnetoszférája formálja és táplálja energiával. Ezekben a nyalábokban, amelyek több százezer fényévre nyúlhatnak, mielőtt elkezdenének szétoszlani, közel fénysebességgel száguld az anyag. Így csak az anyag mozgási energiája több milliárdszorosa a Nap által kisugárzott energiának.
A kutatók szerint az anyagsugarak a korong mágneses erővonalainak örvényszerű összekapcsolódása révén generálódnak. Az egyelőre nem világos, hogy ez miért és mikor történik meg, de az M87 fekete lyukához hasonló égitestek mágneses környezetének vizsgálata új információkat szolgáltathat ezen folyamattal kapcsolatban is. Annál is inkább, mert az M87 galaxis szupernehéz fekete lyuka maga is rendelkezik ilyen relativisztikus jetekkel, amelyeket szintén vizsgáltak az új elemzés keretében.
A kérdéses nyalábok legalább 5000 fényévre nyúlnak ki a fekete lyuktól mérve, és a friss adatok szerint úgy tűnik, hogy formálódásukban kulcsszerep juthat az anyaggyűrű belső peremén felhalmozódó anyagnak és azt körülvevő erős mágneses erővonalaknak. Amelyek, ahogy már említettük, a szupernehéz égitest elképesztő gravitációjának ellenállva képesek lelassítani és adott esetben a pólusok irányába terelni az anyagot.
***
A fény polarizációjának vizsgálata rendkívül összetett és lassú folyamat, ezért van az is, hogy ezeket az információkat csak most hozták nyilvánosságra. A mágneses erővonalak feltérképezéséhez sokkal hosszasabb elemzésre volt szükség, mint a két évvel ezelőtt közzétett képhez. Az új eredményekre azonban abszolút megérte várni. És a következő fekete lyuknál valószínűleg már jóval gyorsabban fog menni a folyamat, márpedig ilyenekből bőven van. (Például ott van rögtön a Tejútrendszer központi égitestje, a Sgr A*, amely 4 millió naptömeget foglal magába.)
Ezek alapos elemzéséhez talán még nagyobb, még erősebb távcsövekre lesz szükség, de az EHT demonstrálta, hogy ezek csak technikai problémák:
elvileg semmi akadálya nincs annak, hogy bepillantást nyerjünk a rejtélyes égitestek egyik fontos motorjának, a fekete lyukak magnetoszférájának a szerkezetébe.
