Csillagászok azonosították a világegyetemben valaha látott legfényesebb objektumot, amely saját galaxisunknál húszezerszer erősebben ragyogja be a kozmoszt. A J0529-4351 kódjelű kvazár több mint 20 milliárd fényévre található tőlünk (bár az univerzum 13,8 milliárd éves, a tér fénysebességnél gyorsabb tágulása miatt a legtávolabbi objektumok, amiket meg tudunk figyelni, 33 milliárd fényévre vannak), és vizsgálata segíthet megérteni, hogy valójában mekkorák a kvazárokat működtető szupermasszív fekete lyukak.

„A fényes kvazár lényegében a [szupermasszív] fekete lyuk körüli, viharrendszerre hasonlító akkréciós korong, amelynek anyagát idővel bekebelezi majd a fekete lyuk” – nyilatkozta a Qubitnek Christian Wolf, az Ausztrál Nemzeti Egyetem csillagásza, aki kollégáival tavaly fedezte fel az objektumot, és egy friss kutatásban közölte annak fontosabb jellemzőit. A szupermasszív fekete lyukak a legtöbb galaxis, köztük a Tejútrendszer középpontjában is megtalálhatók, de akkréciós korongjuk csak ritkán éri el a kvazárokra jellemző fényességet.

A valaha látott legnagyobb akkréciós koronggal rendelkező kvazárt a látható fényben mérő Gaia és az infravörös WISE űrtávcsövek adatait kombináló kvazárkereső felmérésben (All-sky BRIght, Complete Quasar Survey, avagy AllBRICQS) sikerült azonosítani. A Nature Astronomy folyóiratban hétfőn publikált kutatás feltárja a rekorddöntő objektum fekete lyukának tömegét, és lefekteti az alapjait olyan jövőbeli méréseknek, amelyekkel azt még tovább lehet pontosítani.

500 000 000 000 000-szor fényesebb a Napnál

„A fény, amelyet a J0529-4351 akkréciós korongja kibocsát, 500 billiószor intenzívebb, mint a Napunké” – írta Wolf. A csillagász szerint ilyen elképesztő mértékű fényesség és energiakibocsátás csak úgy jöhet létre, ha az eleve kolosszális méretű szupermasszív fekete lyuk hihetetlen gyorsan növekszik, és minden egyes nap bekebelez egy Napnak megfelelő tömeget. A fekete lyuk akkréciós korongja 7 fényév átmérőjű lehet, vagyis nagyobb mint a teljes Naprendszerünk.

A kvazár vöröseltolódása (a fény hullámhosszának világegyetem tágulásával történő növekedése) 3,96-os, azaz a kvazár fénye 12 milliárd éve tart felénk. „Ez egyben azt is jelenti, hogy ez a fekete lyuk már régen befejezte a növekedését. A közelebbi univerzumban pedig azt látjuk, hogy manapság a fekete lyukak többnyire alvó óriások” – írta a kutató.

A csillagászok eddig összesen egymillió kvazárt azonosítottak az univerzumban. A legfényesebb ilyen objektumok egyben a legritkábbak is, így megtalálásuk nagy kihívást jelent, főleg úgy, hogy el kell őket különíteni a Tejútrendszer csillagaitól, amik a felvételeken hasonlóan néznek ki. A J0529-4351 megtalálása a kutatók szerint ugyanakkor arra utal, hogy az égboltfelmérések adatai számos felfedezést rejtenek, és a Gaia, valamint a WISE méréseinek kombinálása a kvazárok azonosítását jelentősen egyszerűbbé teszi.

Ez lehet a valaha talált legfényesebb kvazár

A távoli kvazárok felénk tartó fényét egyes esetekben felerősíthetik masszív galaxisok, a gravitációs lencsehatás jelenség révén. Ahhoz, hogy ezt a J0529-4351 esetében kizárják, a kutatók alaposan megnézték a Gaia űrtávcső méréseit, amelyekben nem találtak olyan erős, gravitációs lencsehatásról árulkodó jeleket, mint amilyen a kvazár képének megsokszorozódása lenne.

Ez alapján a J0529-4351 tényleg annyira fényes, mint amilyennek tűnik, és arra sem utal semmi, hogy csak nemrég fényesedett volna fel ennyire, például relativisztikus nyaláboknak köszönhetően. Hosszú távú adatsorok alapján a kvazár fényessége az elmúlt hat évben mindössze 15 százaléknyit változott, ami a kutatók szerint nem meglepő a hasonlóan fényes kvazároknál.

A kutatók az Európai Déli obszervatórium (ESO) chilei Nagyon Nagy Távcsövével (VLT) látható, illetve közeli infravörös fényben is részletesen megvizsgálták a kvazárt. A 8,2 méteres átmérőjű tükörrel szerelt teleszkóppal azt figyelték meg, hogy az akkréciós korong felfoghatatlanul sok, 2 × 10⁴¹ watt energiát bocsát ki. Ha csak ezt az értéket nézzük, az azt jelentené, hogy a fekete lyuk évente 413 napnyi tömeget fal fel. Egy precízebb, a hasonló fekete lyukak korongját figyelembe vevő modellel a kutatók végső becslése erre az akkréciós rátára évente 370 naptömeg volt.

Hogy mérték meg a szupermasszív fekete lyuk tömegét?

Az egymillió azonosított kvazárnak körülbelül a felénél ismert a hozzá tartozó fekete lyuk tömege is. De hogyan tudnak a kutatók erre következtetni? Az összes ilyen számítás az akkréciós korong legkülső részén mozgó „viharfelhők” sebességének mérésére és a fekete lyuk körüli pályájuk méretének ismeretére támaszkodik, írta Wolf. Előbbi meghatározható infravörös spektroszkópiával, viszont a pályájuk (vagyis az akkréciós korong) méretének becslése már jóval nehezebb feladat.

„Ennél az objektumnál 17 milliárd naptömeget mondunk a fekete lyukra, de ez csak a legjobb becslésünk, és a bizonytalansági tartományba 5 és 50 milliárd naptömeg között bármi belefér” – írta a kutató. Jelenleg az akkréciós korong méretére a Tejútrendszerhez közelebbi galaxisokban található kisebb kvazárok részletesebb adataiból tudnak következtetni. Wolf szerint így ezeknek a „minikvazároknak” a korlátozottan ismert jellemzőiből kell ma tucatszor nagyobb, százszor hevesebb és még sokkal távolibb objektumok tulajdonságait megfejteni.

Az univerzum korai szakaszában még nagy volt a rendetlenség, és gyakoriak voltak a galaxisokban a csillagok közötti ütközések. Ennek Wolf szerint elsősorban a fekete lyukak voltak a haszonélvezői, amelyek ebben a „táplálkozási láz” korszakban, amelyben a J0529-4351-et is látjuk, még rengeteg anyagot tudtak magukba szippantani. Azt, hogy a fekete lyuk rekorddöntő bekebelezési rátája meddig tartható fenn, a kutatók nem tudják, de jelenlegi elgondolásuk az, hogy az ilyen mértékű akkréció inkább epizodikus lehet.

Ezt a kvazárnak otthont adó galaxisban létrejövő kaotikus mozgások idézhetik elő, például amikor több galaxis összeolvadása miatt megváltoznak a csillagok pályái, és nagy mennyiségű gáz kerül az újonnan kialakuló galaktikus központba. Az univerzum fejlődésével azonban a kutató szerint vége a „táplálkozási láz” korszakának. A galaxisokban található gázból csillagok jöttek létre, a csillagok pedig többnyire rendezett pályákon keringenek a galaxisok magjában alvó szupermasszív fekete lyukak körül, és ritkán fordul elő, hogy belezuhannak.

A szupermasszív fekete lyukakkal érthetjük meg, hogyan születnek a galaxisok

A csillagász szerint a látszólagos mérete alapján ez az új objektum lehet a valaha talált legnagyobb kvazár – tízszer akkora, mint amit a chilei VLT teleszkópok összekapcsolásából létrehozott VLTI megfigyelőrendszer GRAVITY műszere eddig megfigyelt. A jelenleg fejlesztés alatt álló műszer utódját, a GRAVITY+-t jövőre adhatják át, és Wolf szerint ez képes lesz néhány távoli kvazárt, köztük a most felfedezett J0529-4351-et is megfigyelni. „A mi kvazárunk belefér a műszer korlátaiba, és tökéletesen megfelel ezekre a megfigyelésekre” – írta, vagyis az új eszköz először tárhatja fel a fekete lyuk körüli „viharkorong” térbeli kiterjedését.

Azáltal, hogy részletes képet kapnak az akkréciós korongról, a kvazár fekete lyukának tömegét is sokkal precízebben meg lehet majd becsülni, írta a kutató. Ha ez megtörtént, akkor pedig a kvazárral a legextrémebb végeken ellenőrizhető lesz az a jelenlegi módszer, amit a fekete lyukaik tömegének becslésére használnak. „Ez talán segíthet lezárni a vitát az összes extrapolációról, amire jelenleg támaszkodunk, és így felállítható lesz félmillió kvazár és fekete lyuk tömegskálája. Ez mindenképpen fontos előrelépést jelent majd a kozmológiának” – írta Wolf.

A csillagász szerint az új kvazár felfedezése abban is segít, hogy jobban megértsük a fekete lyukak változatosságát, ami pedig az objektumok eredetére deríthet fényt. „Van egy, még szakmai elbíráláson nem átesett tanulmányunk, amiben amellett érvelünk, hogy azoknak a magoknak, amelyekből a kvazárok fekete lyukai létrejöttek, mindenképpen nagyon masszívnak kell lenniük. Ez arra utalhat, hogy a galaxisok alakultak ki a fekete lyukak után, és nem fordítva” – írta. Bár hozzátette, hogy ez egyelőre spekuláció, úgy véli, egyre többen támogatják ezt a forgatókönyvet.