Röntgencsillagászati megfigyelések alátámasztani látszanak, hogy a legnagyobb tömegű fekete lyukaknak más a múltjuk, mint kisebb tömegű társaiké.

Röntgen- (kék), látható (fehér és színezett) és rádiótartományban (piros) rögzített megfigyelésekből összeállított kompozit felvétel a H1821+643 jelű kvazárról, amelyet egy szupernagy tömegű fekete lyuk fűt. A tőlünk több mint 3 milliárd fényévre lévő galaxis a Draco (Sárkány) csillagképben látszik. (Forrás: röntgen: NASA / CXC / Univ. of Cambridge / J. Sisk-Reynés et al.; rádió: NSF / NRAO / VLA; optikai: PanSTARRS)

A csillagászok megmérték a mai Világegyetem egyik legnagyobb tömegű fekete lyukának forgási sebességét. Az eredmények azt mutatják, hogy ezek a fekete lyukak más módon növekedtek, mint kisebb testvéreik.

A forgás a tömeg mellett a fekete lyuk másik fontos ismertetőjegye, ami az égitest múltjáról szolgáltat információkat. A gravitációs hullámok adatai például azt mutatják, hogy azok a fekete lyukak, amelyek két kisebb fekete lyuk összeolvadásából keletkeztek, a lehetséges maximális értéknek körülbelül 70%-ával forognak, míg azok, amelyek csillagokból jöttek létre, sokkal lassabban. A szupernagy tömegű fekete lyukak esetében azonban bonyolultabb a helyzet, mint csillagtömegű társaiknál. Ezek a szörnyek bizonyára sok anyagot elnyeltek hosszú időn keresztül, hogy a jelenlegi méretükre nőjenek.

Korábbi kutatások kimutatták, hogy a több millió vagy több tízmillió naptömegű fekete lyukak általában közel olyan gyorsan forognak, mint amennyire egyáltalán lehetséges (legalább a maximum 90%-ával). Ez történik, ha a fekete lyuk rendszeresen és hosszú időn keresztül lecsapolja a környező anyagkorongot. A még hízottabb fekete lyukak még lassabban és szélesebb sebességtartományban forognak, ami arra utal, hogy változatosabb a történetük.

Júlia Sisk-Reynés (University of Cambridge) és munkatársai most újabb bizonyítékokat tártak fel. A Chandra röntgenobszervatórium 21 évvel ezelőtti archív adatainak felhasználásával a kutatók megvizsgálták a H1821+643 jelű kvazár fekete lyukát körülvevő gázkorong belső részét. A kvazár egy 3 milliárd fényévre lévő galaxishalmazban található. Fekete lyuka 3 és 30 milliárd naptömeg közötti tömegével az egyik legnagyobb, amit ismerünk.

A visszavert röntgensugárzás segítségével a kutatók kiszámíthatták a gázkorong belső széle és a fekete lyuk közötti rés méretét. A forgó fekete lyuk közel tartja magához a korongot. A korong és az eseményhorizont közötti távolságból megbecsülhető, hogy milyen gyorsan forog a fekete lyuk. A röntgenadatok alapján a H1821+643 fekete lyuka valahol a maximum 25 és 84 százaléka közötti fordulatszámmal forog. A legvalószínűbb érték a 62%, de nem a pontos szám a fontos itt, hanem az, hogy ez a forgási sebesség jóval kisebb, mint az ezerszer kisebb tömegű fekete lyukaké.

A kutatók a röntgenvisszfények segítségével 32 szupernagy tömegű fekete lyuk forgási sebességét becsülték meg. A több tízmillió naptömegű fekete lyukak – hasonlóan saját galaxisunk központi fekete lyukához – a lehető leggyorsabban forognak. A nagyobb tömegű fekete lyukak forgási sebessége nagyon eltérő, a legtöbbük sokkal lassabban forog, mint kisebb társaik. Az új mérések (piros színnel) illeszkednek ehhez a mintázathoz. (Forrás: J. Sisk-Reynés et al. / Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 2022)

Az eltérés egyik magyarázata az, hogy a legnagyobb fekete lyukak története bonyolultabb, mint kisebb társaiké. Egy hosszú életű korongról kilépő gáz mindig ugyanabból az irányból érkezik a fekete lyukba, és felpörgeti azt, mint egy strandlabdát, amelyet vízipisztollyal lövünk. A H1821+643 fekete lyuka körül határozottan van egy gázkorong, de a forgási sebességét nézve a fekete lyuk nem ehet évmilliók óta ugyanarról a korongról.

A kutatók szerint elképzelhető, hogy az ilyen nagy tömegű fekete lyukak „epizodikus” korongokkal rendelkeznek, amelyek egy-egy nagy gázfelhőből alakulnak ki, amikor azok véletlenszerű pályán megközelítik a fekete lyukat, magyarázza James Matthews (University of Cambrigde), a kutatás eredményeit ismertető tanulmány társszerzője. Egy ilyen korong pár százezer évig maradhatott fenn, miközben táplálta a fekete lyukat, és befolyásolta annak forgását. Az ezután kialakuló korong anyaga teljesen más irányból érkezett, így saját nyomot hagyott a fekete lyuk forgásán. Ha ehhez a véletlenszerű történethez hozzáadunk egy vagy több feketelyuk-összeolvadást, akkor a végső égitest számtalan módon foroghat.

Létezik azonban egy még erősebb környezeti hatás is: a nagyobb fekete lyukak általában nagyobb galaxisokban helyezkednek el. A galaxis- és feketelyuk-fejlődési szimulációk arra utalnak, hogy ezekben a galaxisokban kevésbé rendezett anyagáramlás megy végbe, ami talán megmagyarázza, hogy a fekete lyukak akkréciója miért véletlenszerű.

A kutatásról szóló szakcikk a brit Királyi Csillagászati Társaság havi kiadványában fog megjelenni 2022 augusztusában.

Forrás: Sky&Telescope