A közeli M87 rádiógalaxis 55 millió fényévre van a Földtől, és közepén egy hatalmas fekete lyuk található, ami 6,5 milliárdszor nagyobb tömegű, mint a Nap. A belőle kiinduló oszcilláló anyagsugár (jet) körülbelül 10 fokos szögben dől ide-oda, megerősítve, hogy a fekete lyuk forog.

Az ábrán a fekete lyuk forgástengelye függőleges, az anyagsugár pedig nagyjából merőleges a korongra. A fekete lyuk és a korong forgástengelye közötti szögeltérés okozza a korong és a jet precesszióját. (Credit: Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, Zhejiang Lab)

Egy kínai kutató, Cui Yuzhu vezette nemzetközi kutatócsoport a Nature című szaklapban szeptember 27-én közzétett tanulmányához rádióteleszkópok globális hálózatát vette igénybe. A 2000 és 2022 között rögzített adatok alapos elemzésével feltárták, hogy a jet kiindulópontjának precessziós mozgása 11 éves ciklusú, ami egybecseng Einstein relativitáselméletével. A kutatók szerint a jet mozgása a központi, szupernagy tömegű fekete lyukkal áll kapcsolatban, és arra szolgál bizonyítékul, hogy az M87-ben lévő fekete lyuk forog.

Az aktív galaxisok központjában lévő szupernagy tömegű fekete lyukak kivételesen nagy gravitációjuk miatt hatalmas mennyiségű anyagot szívnak magukba. A jetként ismert plazmakiáramlásaik olyan erősek, hogy bennük az anyag sebessége megközelíti a fényét, és akár több ezer fényév hosszúságúak is lehetnek.

A szupernagy tömegű fekete lyukak, ezek akkréciós korongja, valamint relativisztikus plazmasugaraik közötti energiatranszfer több évtizede okoz fejtörést a fizikusoknak és csillagászoknak. Az uralkodó elmélet szerint egy forgó fekete lyukból energia szabadulhat ki, ami lehetővé teszi, hogy a szupernagy tömegű fekete lyukat körülvevő anyag nagy energiával kilökődjön. A szupernagy tömegű fekete lyukak forgását azonban még nem sikerült közvetlenül megfigyelnünk, pedig ez a tulajdonság fontosabb, mint a fekete lyuk tömege.

A kutatók ebben a tanulmányban az M87-et vették célba, amelynek plazmasugarát 1918-ban figyelték meg először. Mivel közel van hozzánk, a fekete lyuk melletti jetképző régiók részletesen vizsgálhatók nagyon hosszú bázisvonalú interferométeres (VLBI) hálózattal, ahogy azt az Eseményhorizont Távcsővel (Event Horizon Telescope – EHT) nemrég készült feketelyuk-felvétel jól mutatja. A kutatók megvizsgálták az M87-ről a VLBI hálózattal az elmúlt 23 évben rögzített adatokat, és a kiindulásánál figyelték meg a periodikus precessziójú jetet, ami betekintést nyújtott a központi fekete lyuk állapotába.

A felfedezés magában rejt egy fontos kérdést: milyen erő képes megváltoztatni egy ilyen erőteljes jet irányát? A választ az akkréciós korong viselkedése adhatja meg, ami a központi, szupernagy tömegű fekete lyukkal áll kapcsolatban.

A fekete lyuk felé közeledő anyag a perdülete miatt koronghoz hasonló struktúrába rendeződik, spirálvonalban befelé halad, végül belehullik a fekete lyukba. Ha viszont a fekete lyuk forog, akkor erős hatást gyakorol maga körül a téridőre, aminek következtében a közeli objektumokat a forgástengelye mentén mozgatni kezdi. Ezt a jelenséget (angolul „frame dragging”) Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg.

Fent: az M87 jetjének szerkezete 43 GHz-es frekvencián a 2013 és 2018 között kétévente gyűjtött adatok alapján. A fehér nyilak a jet irányát jelzik. Lent: a 2000 és 2022 közötti éves adatokra legjobban illeszkedő görbe. A zöld és kék pontok a 22 ill. 43 GHz-ez frekvencián rögzített adatok. A piros vonal jelöli a precessziós modell szerinti legjobb illesztést. (Yuzhu Cui et al., 2023)

A kutatók alapos elemzése azt mutatja, hogy az akkréciós korong forgástengelye nem egyezik a fekete lyuk forgástengelyével, és ennek köszönhető a jet precessziója. A precessziós mozgás megdönthetetlen bizonyítékul szolgál arra, hogy az M87-ben lévő szupernagy tömegű fekete lyuk valóban forog, és így a jelenség bővíti tudásunkat a fekete lyukak természetével kapcsolatban.

„Nagyon örülünk ennek a jelentős felfedezésnek.” – mondta Cui Yuzhu (Zhejiang Lab), a tanulmány vezető szerzője. „Mivel a fekete lyuk és a korong tengelye közötti szög viszonylag kicsi, és a precesszió 11 éves periódussal történik, az eredményhez az M87 szerkezetéről két évtizeden át rögzített nagy felbontású adatok összegyűjtése és elemzése elengedhetetlen volt.”

„Miután az Eseményhorizont Távcsővel sikerült lefotózni ebben a galaxisban a fekete lyukat, a tudósok számára komoly kérdés volt, hogy a fekete lyuk forog-e vagy sem.” – tette hozzá Kazuhiro Hada (NAOJ). „A gyanú most bizonyossággá vált. Ez a hatalmas fekete lyuk valóban forog.”

Az eredmények összesen 170 megfigyelési időszak adatain alapulnak, amelyeket a kelet-ázsiai VLBI hálózat, a VLBA (Very Long Baseline Array) rádiótávcső-hálózat, az egyesített KVN és VERA hálózat (KaVA), valamint az EATING (East Asia to Italy Nearly Global) hálózat vett fel. A kutatásban összesen több mint 20 teleszkóp vett részt a világ minden tájáról.

Miközben a tanulmány fényt derít a szupernagy tömegű fekete lyukak rejtélyes világára, komoly kihívások elé is állít bennünket. Az akkréciós korong szerkezete és a fekete lyuk forgásának sebessége még ismeretlen. A kutatók szerint több hasonló konfigurációjú égitest lehet, amelyek felfedezése még a jövő csillagászaira vár.

Forrás: phys.org