Csillagvizsgáló

A híres fekete lyuk és ami körülötte van

2021. április 23. - PFreddy

Aki az utóbbi időben rendszeresen böngészett csillagászati híreket, az garantáltan találkozott már az M87 galaxisban található szupernagy tömegű fekete lyukról (M87*), pontosabban annak közvetlen környezetéről készült felvétellel. Már ez a kép is nyolc rádióteleszkóp együttműködéséből született, ám nem csak ezek az obszervatóriumok figyelték meg akkortájt az 53,5 millió fényévre lévő galaxist. A frissen bemutatott eredmények remekül illusztrálják a hullámhossztartományon végzett megfigyelési kampányok jelentőségét.

cover_5.jpgA híres fekete feketelyuk-felvétel (alul), és minden más... (Forrás: J. C. Algaba et al. 2021 / EHT)

A cikk először a Csillagászat.hu hírportálon volt olvasható.

 

A 2019 áprilisában bemutatott, narancssárgás fánkra hasonlító kép jelentősége óriási. Bár magáról a fekete lyukról természeténél fogva nem szerezhettünk közvetlenül információt (a belső sötét térrész is csak az eseményhorizontnál kb. 2,4-szer nagyobb ún. gravitációs „árnyék”), a körülötte örvénylő forró plazmáról viszont annál inkább, megerősítve az akkréciós modellek és a relativitáselmélet előrejelzéseit. Emellett a megfigyelés valódi technikai mérföldkőnek is számított, ekkor sikerült ugyanis először alkalmazni a világ több pontján lévő teleszkópokat összekapcsoló rádióinterferometriás méréseket a rendkívüli precíziót igénylő milliméteres hullámhosszakon. A 2017. áprilisi megfigyelések alkalmával a nyolc obszervatóriumot tömörítő Event Horizont Telescope (EHT) program csak a szuperszámítógépes adatfeldolgozást igénylő technológia révén érhette el a szükséges 20 mikroívmásodperces szögfelbontást. Mindez olyan mértékű nagyítást jelentett, mintha egy New York-i újság apróbetűs részét Londonból is el tudnánk olvasni...

eso1907a_4_1.jpgAz ominózus első felvétel az M87 galaxis centrumában lévő szupernagy tömegű fekete lyuk környezetéről. Forrás: Event Horizont Telescope

 

Az EHT megfigyeléseiből kinyerhető tudományos eredmények pedig nem szűntek meg a híres „pillanatfelvétel” 2019-es publikálásával. A kutatók a kép készítése során nyert modellezési tapasztalatokat felhasználva képesek voltak visszamenőlegesen is szimulálni, hogy miként nézhetett ki a fekete lyuk környezete 2009 és 2013 között, amikor nyolc helyett csak 3-4 rádióteleszkóp figyelte meg az 53 millió fényévre lévő galaxis centrumát. Az eredmények alapján (és a várakozásoknak megfelelően) a fekete lyuk körüli plazmakorong mérete többé-kevésbé állandónak mutatkozott, ám a legfényesebb régiója viszonylag gyorsan változtatta a pozícióját. A magyarázat szerint ez a plazma gyors keringésének és a fekete lyukba való spirálozódásának az eredménye, ennek következtében a plazmakorong egyfajta „imbolygást” mutat.

m87_past.pngAz M87* fekete lyukról készített pillanatkép (jobbra fent), valamint az EHT teleszkóphálózat 2009 és 2017 közötti részleges méréseiből visszaszámolt modellek. Forrás: M. Wielgus, D. Pesce & Event Horizont Telescope

 

 

A megfigyeléseket összefűző numerikus szimuláció alapján készült videó szerint pedig mindez már néhány napos időskálán is megfigyelhető (lenne)!

1yearm87.gifAz M87* egy évének numerikus szimulációja. (Forrás: G. Wong, B. Prather, Ch. Gammie, M. Wielgus & the EHT Collaboration)

 

Az adatok újbóli elemzéséből azt is sikerült megállapítani, hogy milyen lehet a fekete lyuk körüli anyagkorong mágneses tere. Ehhez a detektált elektromágneses sugárzás polarizáltságát vették alapul (ennek az irányultságát láthatjuk az alábbi képen halványabb ívekkel szemléltetve), amelynek kialakulása a mágneses erővonalak mentén mozgó nagy sebességű elektronokhoz kötődik. A polarizáltsági mintázat hasonlóan mutatja a mágneses tér alakját, mint a rúdmágnes köré szórt vasreszelék által kirajzolt ívek. Az eredmények alapján az M87* körüli mágneses tér nem egyenletes, sokkal inkább az elméleti modellek keverékét mutatja: a mágneses tér hol radiális, hol pedig vertikális irányultságú a fekete lyuk körül.

m87_polar.jpgAz M87* fekete lyuk körüli akkréciós korong és a polarizált fény ívei (felül), valamint a különböző irányú mágneses terek modelljeiből számolt polarizációs mintázatok (alul). Forrás: Event Horizont Telescope

 

A legfrissebb publikációt pedig mindössze néhány napja, az M87*-ról készült első felvétel bemutatásának második évfordulóján jelentették meg. Az új szakcikkben a négy évvel ezelőtti interferometrikus méréseket kísérő, szinte példa nélküli obszervációs kampány eredményeit összegzik, amelynek során az EHT erőforrásain felül további 19 teleszkóp figyelte meg az M87 galaxist. A grandiózus projektben 32 állam közel 200 tudományos intézetének 760 kutatója és mérnöke dolgozott azon, hogy a feketelyuk-felvétel készítésének idejéről a lehető legteljesebb spektrumon kaphassanak képet a galaxis centrumáról és az abból származó anyagkilövellésről (jetről). A mérési kampányban szerepelt többek között a Chandra röntgenobszervatórium, a Hubble-űrtávcső és az ALMA rádiótávcső-együttes is, lefedve az extrém energiájú gamma-fotonoktól egészen a rádióhullámhosszakig terjedő tartományt.

alma_radio_telescope_pillars.jpgNéhány az Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) 66 rádiótányérja közül. (Forrás ESO)

 

A 19 teleszkóp megfigyeléseiből származó eredmények gyönyörűen mutatják meg az M87 valódi arcát a teljes elektromágneses színképen. Magának a galaxisnak az elliptikus alakja és óriási, több százezer fényévnyi kiterjedése a Hubble-űrtávcső optikai felvételein rajzolódik ki a legszebben. A központi jet egyaránt remekül tanulmányozható a Chandra által detektált röntgenfotonok révén és a rádiótávcsövek hosszabb hullámhosszain. Ugyanakkor az M87 centrumának feltérképezéséhez szükséges szögfelbontásra (értsd: nagyításra) már csak utóbbi, a milliméteres hullámhosszakon működő rádióinterferometria képes. A hosszabb hullámhosszakon végzett mérések (bal oldalon) azt is remekül szemléltetik, hogy milyen mértékben kellett növelni a szögfelbontást, amíg végre megpillanthatóvá vált a fekete lyuk körüli plazmafánk.

multiwavelen.jpgAz M87 galaxis, a központi régója, valamint az onnan eredő anyagkifújás (jet) a különböző hullámhosszakon. Forrás: J. C. Algaba et al. 2021

 

A mérések elsődleges célja a jet és a szupernagy tömegű fekete lyuk közti kapcsolat megfejtése. A főként elektronokból és protonokból álló relativisztikus sebességű anyagkiáramlás egyértelműen a fekete lyuk körüli anyagkorongból származik, és az is valószínűsíthető, hogy a mágneses tér segíthet megszökni a részecskéknek a gravitációs kútból, a pontos folyamat ugyanakkor mind a mai napig nem ismert. Hasonlóan nem tisztázott a rendkívüli (a CERN Nagy Hadronütköztetőjénél is milliószor nagyobb) energiájú kozmikus részecskék gyorsítási mechanizmusa, amelyek régóta feltételezett forrása a szupernagy tömegű fekete lyukak környezete. Az M87* megfigyelése ugyanakkor azt sejteti, hogy ezek a részecskék nem közvetlenül az eseményhorizont közelében keletkeznek, legalábbis a 2017-es mérések idején nem így történt.

the-supermassive-black-hole-at-the-centre-of-m87-left-the-black-hole-feeds-on-a.pngValamit ténylegesen "látunk", valamit azonban csak modellezni tudunk. (Forrás: C. Goddy, Z. Xounsi, J. Davelaar & M. Kornmesser / ESO)

 

Ezekre a kérdésekre még a most publikált megfigyelések ismeretében sem lehet választ adni, szükséges ugyanis az egyes jellemzők változásainak vizsgálata is. Szerencsére már erre sem kell sokat várni.

 

Az M87* megfigyelésének története ugyanis még mindig nem ért véget, ezzel együtt pedig a rendkívül sikeres kísérő mérési kampánynak is biztosan lesz folytatása. Az EHT két év szünet után (két éve technikai problémák, míg tavaly a COVID-helyzet hátráltatta a kutatókat) idén áprilisban új mérési sorozatba kezdett, ezúttal pedig már több célpontja is lesz az immáron 11 rádióobszervatóriumot tömörítő tudományos együttműködésnek, köztük a négy évvel ezelőtt vizsgált M87 is. Mielőtt azonban láthatnánk, hogy miként változott meg négy év alatt a távoli galaxis centruma és az abból származó anyagkiáramlás, egy talán még izgalmasabb eredményre számíthatunk. Hamarosan publikálásra kész állapotban lesz ugyanis az egy évvel később, 2018-ban készített első felvétel a Tejútrendszer közepén lévő fekete lyuk, a Sgr A* környezetéről!

1280px-gcle.jpgValahol ott rejtőzködik a Tajútrendszer szupernagy tömegű fekete lyuka, a Sgr A*. (Forrás: NASA/ Chandra)

 

Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fictionről egyaránt.

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr116510702

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2021.04.24. 18:52:55

Kedves PFreddy!

Lehet hogy butaságot kérdezek. Azért látjuk fánk alakúnak a fekete lyuk körüli plazmát mert a 2 db relativisztikus jet egyike felénk vagy közel felénk irányul?

PFreddy 2021.04.24. 19:00:38

@rdos: Egyáltalán nem butaság, de a válasz nem. A legbelső tartomány az eseményhorizont, ahonnan nem jut ki semmi, ezért sötét. Ám az eseményhorizontnál 2,4-szer nagyobb sugárnál is feketeséget tapasztalunk (pedig itt már jelen van a forró plazma), mert a gravitáció oly mértékben eltéríti a felénk induló fotonokat, hogy azok nem jutnak el a megfigyelő irányába (ezt mindenfelől ugyan tapasztalnánk). Ez utóbbi hívjuk gravitációs árnyéknak.

Alulról a harmadik képen egyébként viszonylag jól kivehető a jet iránya.

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2021.04.24. 19:20:52

@PFreddy: Köszönöm a gyors választ. Lassan érteni vélem, és nem nyelvtan náculás, de ekkor főleg.

Mondtad. "(ezt mindenfelől ugyan tapasztalnánk)."

Nem ezt akartad mondani? "(ezt mindenfelől ugyanígy tapasztalnánk)."

PFreddy 2021.04.24. 20:30:14

@rdos: Dehogynem. :)
A gyorsgépelés már megy, csak jó lenne ha értelmes mondatok sülnének ki belőle.

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2021.04.24. 20:59:24

@PFreddy: Köszönöm a megerősítő válaszod.

Akkor tényleg az utolsó kérdésem az izotróp, térben minden irányban azonos gravitációs árnyékról. Akkor jól értem, hogy az esetlegesen felénk irányuló relativisztikus jet csak részecske sugárzás formájában észlelhető itt minálunk és tehát elektromágneses sugárzás formájában nem?

És ha úgy van ahogy vélelmeztem, esetleg ebben a nagy, egész Földre kiterjedő együttműködésben részecske sugárzást az M87-ből mérünk? Egyáltalán tudjuk mérni a kozmikus részecske sugárzás irányát, vagy csak az intenzitását? Volt erről korábban posztod, mely szerint a kozmikus részecske sugárzás intenzitása viszont nem azonos minden irányból, csak ezért kérdeztem, de lehet hogy a földi légkör miatt nagyobb a zaj mint a jel?

Na jó, befejeztem, olyan vagyok mint a kisgyermek a miért korszakában? :-)

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2021.04.25. 17:48:19

@PFreddy: Azt hiszem most értettelek meg. A jet nem felénk irányul az alulról 3. ábrán, ezért kérdésemet átfogalmazom.

Ha a gravitációs lencse minden irányban eltéríti a fotonokat (elektromágneses sugárzást), akkor a jóval nagyobb tömegű és a fénynél kissé lassabb részecskéket tartalmazó jet miért képes kilépni a gravitációs lencséből? Hiszen jóval nagyobb gravitációs erő hat pl egy elektronra vagy főleg egy protonra, mint a fotonra.

Vagy még tovább gondolva, a kozmikus részecskének jóval nagyobb az impulzusa mint a fotonnak és ezért képes kitörni a fekete lyuk vonzásából?

Egy fél évig ugyan tanultunk relativisztikus fizikát és lehet hogy itt van a megoldás is?, de bevallom akkor sem értettem amikor levizsgáztam belőle, pedig leginkább még akkor "értettem". :-(

PFreddy 2021.04.25. 21:37:55

@rdos: Szóval a gravitációs kútból való kijutás (a lencse nem megfelelő szó, azt másra használják az asztrofizikában) kulcsa a mágneses tér gyorsítása. Ez a mágneses tér nem közvetlenül a fekete lyuktól röpíti ki a részecskéket, csak annak közeléből, az ún. akkréciós korongból (ez az a bizonyos plazma fánk, amit látunk az EHT felvételén). Hogy pontosan milyen közel kerülnek a plazma protonjai az eseményhorizonthoz, amikor a mágneses tér még ki tudja kapni és a jethez tudja adni a részecskéket, azt sajnos nem tudom pontosan (de valószínűleg a szakértők se).

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2021.04.26. 20:42:02

@PFreddy: Köszönöm. Na? Talán még jobban értem. :-) Ha jól értem, a lényeg, úgy "könnyű" szabadulni a gravitációs csapdából (gravitációs kútból) ha benne sem volt a részecske, hanem csak kerengett körülötte. :-)

korxi 2021.04.27. 12:23:50

Én tennék egy, nem is a cikk lényegét érintő pontosítást. Az szerepel benne hogy "többek között a Chandra röntgenobszervatórium, a Hubble-űrtávcső" Mindkettő igaz, de így egymás mellett olyan, mintha a Chandra nem űrtávcső lenne.

PFreddy 2021.04.29. 11:57:44

@rdos: Igen, mint ahogy egy problémát is úgy a legkönnyebb megoldani, ha nincs is probléma. :)

A gravitációs potenciálokat nem véletlenül emlegetik az angol terminológiában gravitációs kútként. Ha egy gázfelhő (vagy részecske) kering a fekete lyuk, az már ott táncol a potenciálgödör kevésbé meredek szélén. Ahogy viszont befelé spirálozódik (pl. súrlódás okozta energiavesztés miatt) egyre gyorsabban kerül egyre mélyebbre a gödörben/kútban, egészen addig, ahonnan már semmilyen mágneses tér nem tudja "kireptetni".

PFreddy 2021.04.29. 11:59:58

@korxi: Valóban, csak a szerző irtózik a szóismétléstől.
Viszont egy röntgentávcső a légkör természeténél fogva nem is lehet földfelszíni. Vagy lehet, de hát elég pocsék lenne. :)

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2021.05.01. 21:54:27

@PFreddy: Köszönöm újra a részletes magyarázataidat. :-) Virológiából lassan alap okj-s szintre jutok (az egész média erről szól), lassan csillagászatban is kezdem megütni a kis és alacsony, de lelkes kezdő szintjét. :-)
süti beállítások módosítása