Új módszer a rejtett szupernagy tömegű feketelyuk-kettősök felfedezésére
A szupernagy tömegű fekete lyukak a legtöbb galaxis központjában megtalálhatók, a galaxisok összeolvadásakor pedig természetes módon jönnek létre a szupernagy tömegű feketelyuk-kettősök. Eddig ilyeneket csak nagy szeparációval sikerült találni, a szoros, a végső bespirálozásukhoz közeledő kettősök azonosítása azonban mindmáig komoly kihívást jelent a kutatók számára. Pedig ezek a rendszerek kulcsszerepet játszanak a galaxisok fejlődésében, és az Univerzum legerősebb gravitációshullám-forrásai közé tartoznak.
Bár a jövő gravitációshullám-űrdetektorai közvetlenül is képesek lesznek vizsgálni ezeket a kettősöket, Kocsis Bence (Oxfordi Egyetem) kutatócsoportjának eredményeként az Oxfordi Egyetem és a Max Planck Gravitációfizikai Intézet (Albert Einstein Intézet) kutatói megmutatták, hogy már a jelenlegi és a közeljövőben induló elektromágneses égboltfelmérések is alkalmasak lehetnek a kimutatásukra.
„A szupernagy tömegű fekete lyukak természetes teleszkópokként működnek
– mondta Miguel Zumalacárregui, a kutatás egyik résztvevője. - Óriási tömegük és rendkívül kompakt méretük miatt erősen eltérítik az elhaladó fénysugarakat, az ugyanazon galaxisban lévő csillagok fénye így rendkívüli módon felerősödhet. Ezt a jelenséget nevezzük gravitációs lencsehatásnak.”
Egyetlen szupernagy tömegű fekete lyuk esetén az extrém felerősítés viszont csak akkor következik be, ha a vizsgálni kívánt csillag szinte pontosan a látóirány mentén helyezkedik el. A Physical Review Letters-ben frissen megjelent tanulmányukban a szerzők rámutattak, hogy egy szupernagy tömegű feketelyuk-kettős viszont két lencseként működik, gyémánt alakú, úgynevezett kausztikus görbét hozva létre, amely mentén a csillagfény drámai mértékben felerősödhet. Elméletben a fényesedés pontszerű forrás esetén végtelen lenne, de a valóságban ezt a csillag véges mérete korlátozza.
Az új elméletet bemutató ábra: a feketelyuk-kettős gravitációs lencsehatása egy háttércsillag fényét időben változó módon milliószorosára felerősíti, ami megfigyelhető fénygörbéhez vezet. Ennek észlelésével következtethetünk a kettős távolságára és a gravitációs hullámok okozta energiaveszteségre.
„Egy kettős rendszer esetén a csillagfény extrém felerősödésének esélye nagyságrendekkel nagyobb, mint egyetlen fekete lyuknál” – mutatott rá az eredmény jelentőségére Kocsis Bence.
Egy további alapvető különbség, hogy a feketelyuk-kettősök nem statikusak. A kettős a gravitációs kölcsönhatás miatt kering egymás körül, és Einstein általános relativitáselmélete szerint lassan energiát veszít, gravitációs hullámok kibocsátása révén. Ennek következtében a pálya zsugorodik, a keringés pedig fokozatosan felgyorsul.
„A kettős mozgásával együtt a kausztikus görbe is forog és alakot vált, miközben egy nagy térfogatnyi csillagmezőt pásztáz végig a rendszer mögött – magyarázta Hanxi Wang, aki doktorandusz Kocsis Bence csoportjában. – Ha egy fényes csillag ebbe a térfogatba esik, rendkívül fényes felvillanást produkál minden alkalommal, amikor a kausztikus görbe áthalad rajta. Ez ismétlődő felvillanásokhoz vezet, amelyek egyértelmű és jellegzetes jelei egy szupernagy tömegű feketelyuk-kettős jelenlétének.”
A kutatók azt is kimutatták, hogy
ezeknek a felvillanásoknak az időzítése és fényessége nem véletlenszerű.
A gravitációshullám-kibocsátás miatt a kettős távolsága lassan csökken, ez finoman módosítja a kausztikus szerkezetet, ami jellegzetes modulációt hoz létre mind a kitörések gyakoriságában, mind azok csúcsfényességében. E mintázatok elemzésével a csillagászok következtethetnek az alapul szolgáló feketelyuk-kettős tömegére, pályafejlődésére és a kibocsátott gravitációshullámokra.
A közeljövőben induló, nagy látómezejű égboltfelmérések – például a Vera C. Rubin Obszervatórium és a Nancy Grace Roman Űrteleszkóp – révén a kutatók optimisták, hogy ezek az ismétlődő lencsézési felvillanások akár már a következő évtizeden belül megfigyelhetők lesznek.
„Rendkívül izgalmas a lehetőség, hogy ezeket a szupernagy tömegű feketelyuk-kettősöket évekkel az űrbéli gravitációshullám-detektorok indulása előtt azonosíthatjuk – mondta Kocsis Bence. – Ez valódi többcsatornás csillagászati megfigyelések előtt nyitja meg az utat, és teljesen új módon teszi lehetővé a gravitáció és a fekete lyukak fizikájának tesztelését.”
„Ez a terület most a jövő és nagyon örülök, hogy nem is olyan sokára ELTE-s fiatalokat is bevonhatunk ezekbe a kutatásokba” – tette hozzá a professzor.
Forrás: ELTE TTK
Borítókép: Egy csillag megfigyelhető képe torzul a fekete lyukak gravitációs lencsehatása miatt. A fekete lyukak körül kialakuló Einstein-gyűrűn többszörös kép jelenik meg, egy felül és három kép alul, ami egy körívvé torzul a csillag véges mérete miatt. A fekete lyukak között is megjelenik a csillag képe.