Magyar csillagászok: fekete lyukakból álló gigászi korongok rejtőzhetnek a galaxisok közepén

Miután a Tejútrendszer magjában idén tavasszal 12 kettős fekete lyukat fedeztek fel a Columbia Egyetem kutatói, a csillagászok azt valószínűsítik, hogy akár több ezer fekete lyuk is megbújhat a Földnek is otthont adó galaxis közepében.

Szölgyén Ákos és témavezetője, Kocsis Bence, az ELTE Atomfizikai Tanszékén működő GALNUC ERC kutatócsoport vezetője a galaxismagban keringő csillagok pályáinak kölcsönhatásait szimulálva azt találták, hogy a fekete lyukak vastag korongot alkotva keringenek a központi szupernehéz fekete lyuk körül. Eredményeiket most az egyik legrangosabb nemzetközi fizikai szakfolyóirat, a Physical Review Letters hasábjain publikálták

A magyar asztrofizikusok egy eddig nem vizsgált effektust, az úgynevezett vektor rezonáns relaxációt is számításba vették szimulációjukban. Ez a hatás leírja az égitestek pályái között fellépő gravitációs forgatónyomatékot, ami hosszú idő alatt rezonáns módon összeadódik, és azt eredményezi, hogy évmilliók alatt a keringési pályák síkja fokozatosan elfordul.

Fantáziarajz egy gravitációs árapály erők miatt széteső csillag halmazrólFotó: Szölgyén Ákos

Az ELTE sajtóközleménye idézi Kocsis hasonlatát: 

„Ellentétben egy méhkas körül hemzsegő méhrajjal, a csillagok sokkal rendezettebb módon keringenek a központi szupernehéz fekete lyuk körül: pályáik síkban precesszáló ellipszisek. A pályák közötti kölcsönhatás következtében a pályasíkok évmilliók alatt elfordulnak”. Mivel a galaxismagban több millió csillag és akár több ezer fekete lyuk is keringhet, a vektor rezonáns relaxáció hatása nagyon jelentős lehet és alapvetően befolyásolja azt, hogy hosszú idő után milyen pályákon keringenek az égitestek. A kutatók az egyes égitestek pályáinak kölcsönhatásait a galaxismag kialakulásának pillanatától kezdték szimulálni.

Szölgyén szerint a „jelenlegi ismereteink szerint a galaxisok magját alkotó sűrű csillaghalmaz alapvetően két fő módon keletkezhetett. Az egyik szerint gáz áramlott a galaxis távolabbi régióiból a középpontban lévő szupernehéz fekete lyuk közelébe. A besűrűsödő gázból pedig idővel csillagok keletkeztek. A másik modell szerint ősi csillaghalmazok hullottak be a galaxis centrumába, és ahogy bespiráloztak, majd a szupermasszív fekete lyuk árapályerejének hatására széthullottak, csillagaik benépesítették a galaxismagot. Valószínűsíthető, hogy mind a két folyamat egyaránt szerepet játszott a kialakulásban.” 

Közös ezekben a modellekben, hogy a csillagok pályája kezdetben szintén korongokat alkothatott attól függően, hogy a gázfelhők vagy épp a behulló csillaghalmazok milyen irányból érkeztek és spiráloztak befelé a központba. A korábbi elképzelés szerint idővel ezek a csillagkorongok a gravitációs kölcsönhatás miatt elkeveredtek egymással. Azonban a nehezebb csillagok, amelyekből később a fekete lyukak keletkeznek, a gravitáció hatására lesüllyednek egy korongba úgy, ahogy a nehezebb részecskék leülepednek egy tartályban. A magyar fizikusok ezt a jelenséget fedezték fel az adatokban, és azt találták, hogy ezek a korongok hosszú ideig megmaradhatnak.

A Sagittarius A* szupermasszív fekete lyukFotó: Wikipédia

Kocsis szerint „a csillaghalmazok fejlődésük során megpróbálják maximálisan kitölteni a rendelkezésükre álló teret, akárcsak a gázok egy tartályban. Azonban a nehezebb égitestekből álló komponens, nem tudja elérni ezt a legrendezetlenebb, gömbszimmetrikus állapotot. Ezek a nagy tömegű objektumok a gravitáció hatására »leülepednek« és egy alacsony entrópiájú állapotot, egy korongot hoznak létre. Ez nagyon hasonló a részecskefizikában és a kondenzált anyagok fizikájában ismert spontán szimmetriasértés jelenségéhez”.

A fehér törpék a gömbszimmetriát szeretik

A magyar asztrofizikusok megvizsgálták azt is, hogy mi történik a közepes és a kis tömegű égitestekkel. Míg a közepes tömegű, B-típusú csillagok pályái szintén mutatnak némi anizotrópiát, azaz korongszerű rendeződést, addig a számítások szerint a kis tömegű csillagok, mint a Naphoz hasonló idős, fősorozati csillagok, valamint a neutroncsillagok és fehér törpék leginkább gömbszimmetrikusan fordulnak elő a galaxismagban. A kapott eredmények egyeznek a Tejútrendszer közepének csillagászati megfigyelésével, miszerint a kis tömegű csillagok gömbszerűen oszlanak el, míg a nagy tömegű fiatal csillagok egy hajlott korongba rendeződve keringenek a szupernehéz fekete lyuk körül.

Bár még csak egy tucat fekete lyukat észleltek a galaxismagban, ezek populációja várhatóan a nehéz csillagok által alkotott korongban rejtőzik.

Kocsis szerint „ha több száz vagy ezer fekete lyuk korongba rendeződik a központi szupernehéz fekete lyuk körül, akkor ezek együttesen erősen meghajlíthatják és kilyukaszthatják a gázfelhőket, amiből megfigyeljük a nagyenergiás kiáramlásokat. Ez több ezer fényévre is képes megváltoztatni a galaxis nagyskálás szerkezetét. A legérdekesebb kérdés, hogy vajon a most megjósolt eloszlása a fekete lyukanak megmagyarázza-e a LIGO/VIRGO detektorokkal észlelt gravitációshullám-jelek magas gyakoriságát.”

Fekete lyukakkal az alábbi cikkeinkben foglalkoztunk korábban: