18. században két neves tudós is elkezdett azon elmélkedni, mi történne, ha egy nagyon nagy tömeget egy nagyon pici térrészbe tudnának összesűríteni. John Michell és Pierre-Simon Laplace egymástól függetlenül arra a következtetésre jutottak gondolatkísérleteik során, hogy kellően nagy tömeg esetén elképzelhető, hogy a gravitációs mező olyan erős lenne egy ilyen objektum körül, hogy onnan a fény sem tudna elszökni.

Azóta aztán az is kiderült, illetve nagyon erős alátámasztást nyert, hogy ilyen objektumok valóban léteznek: a csillagászok napjainkban úgy vélik, hogy amikor a nagytömegű csillagok kifogynak a nukleáris üzemanyagból, életük végén gravitációs összeomláson eshetnek át, egy pontosan olyan égitestet hozva létre, mint amiről Michell és Laplace elmélkedett. A fekete lyukak a teoretikusok szerint olyan objektumok, amelyek rendkívül sűrűek, így olyan erős gravitációval rendelkeznek, hogy körülöttük az elektromágneses sugárzás igen-igen aprócska tömegű részecskéi is furcsán kezdenek viselkedni.

A csillagtömegű fekete lyukak létezése már önmagában is rendkívül meglepő koncepció, időközben ráadásul a csillagászok arra is egyre több bizonyítékot találtak, hogy létezhetnek olyan fekete lyukak, amelyek sok milliónyi vagy milliárdnyi csillagtömeget tesznek ki. Ezek az úgynevezett szupernehéz fekete lyukak ráadásul rendszerint galaxisok közepén foglalnak helyet, és körülöttük mozog az egész csillagrendszer.

A héten először tettek közzé olyan fotót a szakértők, amely egy ilyen égitestről készült. De mielőtt rátérnénk, mi is ennek a felvételnek a jelentősége, egy kicsit foglalkozzunk azzal, hogy miből jutottak arra a következtetésre a csillagászok, hogy a szupernehéz fekete lyukak egyáltalán létezhetnek.

Az M87 szupernehéz fekete lyukának árnyéka

Rádiógalaxisok mindenütt

Ennek a történetnek a kezdetei a 20. század közepére nyúlnak vissza, amikor a szakértők nagy erőkkel elkezdték az elektromágneses sugárzás olyan tartományaiban is vizsgálni az égboltot, amelyek az emberi szem számára láthatatlanok. Az észlelések során rövidesen nagyon erős rádióhullám-forrásokat fedeztek fel, amelyekről hamarosan az is kiderült, hogy az ilyen jelek jelentős részét távoli galaxisok szolgáltatják.

A következő lépés a rádióantennák összekapcsolása volt, ami a korábbinál sokkal részletesebb képek készítését tette lehetővé a rádiókibocsátásokról. Az interferométerek első adatai egészen meglepőek voltak: úgy tűnt, hogy egy-egy forrás esetén a rádióhullámok nem pontosan az adott galaxisból érkeznek, hanem két szimmetrikus „lebenyből”, amelyek a galaxisra vetülnek. A mellékelt ábrán a Cygnus A rádiógalaxis lebenyei (valamint jetjei és centruma) láthatók. A hasonló struktúrák az univerzum legnagyobb szerkezetei közé tartoznak, és méretük százszorosan meghaladhatja a galaxis méretét, amelyhez tartoznak.

Az 1960-as évek érzékenyebb interferométereivel egy lépéssel ennek megfejtéséhez is közelebb kerültek a kutatók, ugyanis halvány nyalábokat, jeteket fedeztek fel, amelyek a galaxis közepétől a lebenyek felé irányultak. A feltárt struktúrák közötti kapcsolat felderítése még nagyobb felbontású interferométerek létrehozására ösztönözte a szakértőket, ami végül a nagyon hosszú bázisvonalú interferometria, azaz a VLBI kifejlesztéséhez vezetett. Ennek során a Föld különböző pontjain található rádiótávcsöveket kötnek össze, így azok egyetlen, bolygónyi teleszkópként funkcionálnak.

Cygnus A

Ezek korai felvételeiből vált világossá, hogy a rádiógalaxisok centrumában található kompakt rádióforrások a csillagrendszerek méreteihez viszonyítva elképesztően piciny kiterjedésűek, kisebbek, mint a Nap és legközelebbi csillagszomszédja távolsága. Amikor pedig a csillagászok kiszámították, hogy mekkora energiára van szükség a rádiólebenyek ellátására, egészen ledöbbentek, ugyanis azt az eredményt kapták, hogy 10 millió csillag anyagának kellene teljes egészében energiává alakulnia a szükséges mennyiséghez.

Mivel a csillagokat működtető magreakciókban a rendelkezésre álló anyag tömegének kevesebb mint 1 százaléka alakul át energiává, végső becslésként az jött ki, hogy

és ennek a hatalmas tömegnek mind a VLBI révén megfigyelt aprócska térrészben kellene összesűrűsödnie. Erre a jelenségre pedig a legvalószínűbb magyarázatot az jelentette, hogy a csillagtömegű fekete lyukakon kívül léteznek sokkal-sokkal nagyobb, szupernehéz fekete lyukak is.

Csillagtánc a Sagittarius A* körül

Mivel a kérdéses objektumokat galaxisok közepén találták, hamar felvetődött annak kérdése is, hogy vajon saját csillagrendszerünkben is van-e hasonló égitest. 1974-ben pedig találtak is egy rendkívül kompakt, mindössze 1 szögmásodperc kiterjedésű rádióforrást a Tejútrendszer centrumában, amely a Sagittarius A* (Sgr A*) nevet kapta. A korai VLBI megfigyelések alapján az derült ki, hogy a Sgr A* kisebb, mint a Naprendszer, mivel azonban az optikai, az infravörös vagy a röntgentartományban semmit sem sikerült megtudni róla, az objektum pontos természete továbbra is rejtély maradt.

Aztán indirekt módon mégiscsak sikerült újabb információkat gyűjteni az égitestről. Az egyre jobb infravörös távcsövekkel a szakértők felfedeztek egy sűrű csillagcsoportot a Tejútrendszer közepén, amelynek tagjait a látható tartományban nem lehetett észlelni, mivel a köztes por elnyelte optikai fényüket. A csillagok által kibocsátott infravörös hullámok 10 százaléka azonban eljutott a földi távcsövekhez, így a kutatók folyamatosan figyelni tudták ezeket a csillagokat.

Több mint két évtized megfigyelési adatainak elemzéséből aztán kiderült, hogy ezek az égitestek elliptikus pályákon mozognak, ami a gravitációs pályák sajátos jellemzője. Az egyik csillagot mostanra egyszer sikerült teljesen végigkövetni pályáján. Ebből és a többi részleges pályából világossá vált, hogy a csillagok egyetlen objektum körül keringenek. Két csillag az idők során igen közel került ehhez a központi égitesthez, és sebességük alapján (ami közel 10 ezer km/s-nak adódott) a kutatók azt is meg tudták becsülni, hogy mekkora a centrális tömeg.

Amikor ezt az anyagtömeget és a rendelkezésre álló térrész nagyságát összevetették a szakértők, a kapott sűrűség olyan hatalmasnak adódott, hogy a kutatók szerint szinte bizonyosan egy fekete lyukról lehet szó.

Adjatok egy fix pontot

A következő lépés annak igazolása volt, hogy a csillagpályák közepe és a Sgr A* nevű rádióforrás vajon tényleg egybeesik-e. Ehhez vörös óriáscsillagokat hívtak segítségül a szakértők, amelyek az infravörös és a rádiótartományban is erősen sugároznak. A vörös óriások pozícióját használva referenciaként, sikerült egymásra vetíteni 0,001 szögmásodperc pontossággal a rádióforrás és a gravitációs forrás helyét, és kiderült, hogy azok valóban egybeesnek.

Az elmúlt évtizedek megfigyeléseiből az elmondottakon kívül az is kiderült, hogy a Sgr A* a Tejútrendszer többi részéhez képest gyakorlatilag mozdulatlan, körülötte viszont hihetetlen sebességgel mozognak a látható objektumok. Az ugyanakkor továbbra is kérdés maradt, hogy a csillagpályákon belül mekkora térrészt tölt ki ténylegesen a központi égitest.

Az észlelési adatok alapján tehát a csillagászok majdnem teljesen biztosak voltak abban, hogy a Tejútrendszer közepén egy szupernehéz fekete lyuk van.

Magát az égitestet, és annak tényleges méreteit azonban közvetlenül nem sikerült megfigyelni. Ami persze adódik is a fekete lyukak természetéből, hiszen ahogy azt már a 18. századi kutatók is feltételezték, olyan égitestekről van szó, amelyek mindenféle elektromágneses sugárzást elnyelnek, így közvetlen észlelésük nehézségekbe ütközik. Így bár a kutatók évtizedek óta beszélnek arról, hogy az univerzum különböző részein fekete lyukakat azonosítottak, ez valójában azt jelenti, hogy olyan pontokra akadtak rá az űrben, amelyekben egy kis térészben elképesztő nagyságú tömeg sűrűsödik össze, mondja Pankaj S. Joshi asztrofizikus, ezen túl azonban ténylegesen nem sokat tudnak ezekről az objektumokról.

Ez azonban most szerdán megváltozott: ahogy arról beszámoltunk, az EHT, vagyis az Eseményhorizont Teleszkóp kutatói közzétették az első képet, amely egy fekete lyuk árnyékáról készült. Az EHT, amely minden idők legnagyobb interferométere, az elmúlt években két fekete lyukat követett figyelemmel: a Sgr A*-t és az M87 galaxis központi fekete lyukát. A szerdai bejelentés során utóbbiról közöltek egy képet, a Tejútrendszer szupernehéz objektumát ugyanis jóval nehezebb feladat megjeleníteni.

A láthatatlan portréja

Ennek egyik oka, hogy az M87 központi égitestje sokkal aktívabb. Vagyis körülötte egy méretes akkréciós anyagkorong látható, amelyet a fekete lyuk körül kavargó anyag formál. Ennek leképezése pedig megkönnyíti annak a térrésznek a felmérését, amelyben maga a fekete lyuk foglal helyet. A képeken a fényes részek tehát ezt az anyagfelhőt mutatják, az fekete régió pedig az eseményhorizont határait rajzolja ki, amelyen keresztül a fény sem képes elszökni az égitest gravitációja miatt.

Ahhoz, hogy látszódjon ez az átmenet, vagyis az a határ, ahol az anyag eltűnik a fekete lyukban, elképesztő felbontással kellett dolgozni. A képet nyolc obszervatórium észlelési adataiból állították össze 2 év alatt, miután a felvételhez szükséges adatokat 2017-ben begyűjtötték. A mostani felvétel csak az első a további várható fotók sorában, amelyeken például a formálódó jeteket is megfigyelni remélik a kutatók. Ha sikerülne ezek létrejöttét elcsípni, az újabb kulcsfontosságú bizonyíték lenne arra, hogy a fekete lyukak léteznek, és valóban úgy működnek, ahogy azt a szakértők elképzelték.

Amit már most is sikerült megtudni a képről, az az M87 fekete lyukának minden eddiginél pontosabb tömege. Mivel ez az égitest sokkal messzebb van, mint a Sgr A*, ebben az esetben a körülötte keringő csillagok pályájából nem lehet olyan pontos tömegbecslést adni. Így bár a szakértők korábban is sejtették, hogy az ismert univerzum egyik legnagyobb fekete lyukáról van szó, most derült ki egyértelműen, hogy

Ez a tömegeltérés a másik oka annak, hogy először a nehezebb égitestet fotózták le. A kisebb tömegű Sgr A* eseményhorizontja körül ugyanis sokkal gyorsabban kavarog az anyag, ami megnehezíti a megfigyelést. Míg a képen ábrázolt anyagkorong belső széle pár nap alatt kerülheti meg az égitestet, a Sgr A* esetében ez az idő valószínűleg csak néhány perc. A harmadik probléma, hogy saját galaxisunk centrumának látásához keresztül kell nézni a Tejútrendszer korongján, amely nagyon sok olyan anyagot tartalmaz, amelyek zavarják a tiszta képet. A problémák ellenére azonban a Sgr A* első portréján is dolgoznak a szakértők, és remélhetőleg rövidesen a ezt és más hasonló égitestek képeit is egyre rendszeresebben csodálhatjuk.