Elképesztően hosszú feketelyuk-nyalábokat (jeteket) figyelt meg egy nemzetközi kutatócsoport, amilyenekhez hasonlóra még sosem bukkantak a világegyetemben. A részecskenyalábok egy, a Földtől távoli aktív galaxismagból fújnak ki ellentétes irányba, és együttes méretük 23 millió fényév, ami 230-szor akkora, mint saját galaxisunk, a Tejútrendszer átmérője.

Martijn Oei, a Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) asztrofizikusa és kollégái a hatalmas nyalábokat Porphüriónról, a görög mitológiai gigászról Porphyrionnak nevezték el. A szerdán a Nature folyóiratban közölt felfedezés szerint az aktív galaxismag (AGN) által kibocsátott két részecskenyaláb az egyik legnagyobb energiájú kozmikus esemény az ősrobbanás óta, és jelentős hatást gyakorol az univerzumot felépítő kozmikus hálózat hozzá közeli régióira.

„Lenyűgözőnek tartom, hogy a Porphyrion rávilágít az univerzum kis és nagy struktúrái közötti bensőséges kapcsolatra” – nyilatkozta a Qubitnek Oei. A galaxisok középpontjában található szupermasszív fekete lyukak környezetéből kifújó részecskenyalábok, mint a tanulmányukban írják, sok millió évig működhetnek, és a legnagyobb galaxisok által létrehozott struktúrákat képesek kialakítani az univerzumban.

Oei kérdésünkre a Porphyrion nyalábok méretét azzal érzékeltette, hogy ha lekicsinyítenénk őket a Föld skálájára, akkor a szupermasszív fekete lyuk, aminek környezetéből erednek, egy 0,2 milliméteres homokszemnek felelne meg valahol bolygónk középpontjában. A megfigyelt struktúra így olyan, mintha egy parányi homokszem akkora nyalábokat generálna, mint az egész Föld.

Hogyan találták meg a kutatók a Porphyriont?

A csillagászok a Nemzetközi LOFAR Teleszkópként (ILT) ismert európai rádiótávcső-rendszer által rögzített adatokban kutattak több millió fényév hosszú feketelyuk-nyalábok után. A rádiótartományú felvételeket részben a szakemberek maguk, valamint egy citizen science program keretében önkéntesek bevonásával nézték át, de a keresést gépi tanulási algoritmusok is segítették. A felmérés a korábban ismert néhány száz ilyen objektum listáját több mint 11 ezresre bővítette, és azonosította a valaha látott legnagyobb nyalábokat, a Porphyriont.

A csillagászok az ILT rendszer több teleszkóp képességeit egyesítő, nagyobb felbontású felvételei segítségével elkezdték megkeresni, hogy melyik galaxisból eredhetnek a Porphyrion nyalábok. Először két lehetséges rádióforrást (rádiótartományban fényes, szupermasszív fekete lyukat rejtő aktív galaxismagot) találtak, majd az indiai GMRT rádiótávcsővel újabb megfigyeléseket végeztek. Ez végül egy korábbi égboltfelmérés adataival együtt megmutatta azt a nagy tömegű galaxist, amiből a nyalábok erednek.

A kutatók az immár azonosított galaxist a Hawaii Keck Obszervatórium 10 méter átmérőjű Keck I teleszkópjára szerelt színképelemző műszerrel is megfigyelték. A mérés célja az volt, hogy megállapítsák, mennyire tolódott el a távoli galaxis fénye a hosszabb hullámhosszok felé, amivel meghatározható a kozmikus távolsága (a vöröseltolódással és a csillagászati távolságmérésben betöltött szerepével ebben a cikkünkben foglalkoztunk). A galaxis kozmológiai vöröseltolódása (z=0,896) alapján a nyalábokat 6,3 milliárd évvel az ősrobbanás utáni formájukban látjuk (az ősrobbanás 13,8 milliárd évvel ezelőttre tehető).

Még nem értjük teljesen, miként maradhat stabil

Az aktív galaxismagból északi és déli irányba kifújó nyalábok együttes mérete nagyjából 7 megaparszek, vagyis 22,8 millió fényév (1 megaparszek 3,26 millió fényévnek felel meg). Ez már egy tényleg „kozmológiai” méretű struktúra, amely, mint írják, összevethető az átlagosnál kevesebb galaxist tartalmazó térrészek, a kozmikus voidok mérettartományával. Az elmúlt évtizedekben azonosított legnagyobb feketelyuk-nyalábok 4,6-5 megaparszek (15-16,3 millió fényév) hosszúságúak voltak, és korábban az elméleti fejtegetések is arra utaltak, hogy méretük nem lehet nagyobb 5 megaparszeknél.

„A nyalábok folyadékinstabilitások következtében destabilizálódhatnak – például a földi felhőkben is megfigyelhető Kelvin-Helmholtz instabilitás, vagy a vulkanikus gombafelhőkre jellemző Rayleigh-Taylor instabilitás miatt” – írta kérdésünkre Oei. De akkor hogyan maradhat stabil a Porphyrion közel 23 millió fényéven át, hosszú időn keresztül? Ennek az egyik kulcsa abban rejtőzhet, hogy hol található a galaxis, amiből a nyalábok távoznak.

A kutatók megfigyelései azt valószínűsítik, hogy a kérdéses galaxis egy több tagból álló galaxiscsoport tagja, amely a kozmoszt felépítő háló egy szálában (filamentum) helyezkedik el. A galaxisokat, gázokat és sötét anyagot tömörítő szálakat általában kozmikus voidok veszik körül, vagyis eleve valószínű lenne, hogy a Porphyrion nyalábok beléjük távoznak, de ezt erősíti az is, hogy a nyalábok a térben viszonylag kevéssé szóródnak.

„Ha a nyalábok voidokba jutnak ki, az segíthet megmagyarázni a stabilitásukat” – írta kérdésünkre az asztrofizikus, aki szerint a voidok kisebb sűrűségű környezete mérsékli az instabilitásokat, és ezzel még ilyen óriási távolságokon keresztül is stabilizálja a struktúrát. A kutató szerint egy másik lehetőség, hogy a nyalábok stabilitása összefügg az erősségükkel, ami a Porphyrion esetén szerinte rendkívüli. A hatalmas nyalábok együttes teljesítménye 10³⁹ watt, amely több billió csillag, vagy 100 galaxis energiakibocsátásának felel meg. „A szimulációkból tudjuk, hogy a nagyobb teljesítményű jetek stabilabbak” – írta.

Bár már működnek exaskálájú szuperszámítógépek is, ezek még mindig nem elég gyorsak ahhoz, hogy a kutatók igazán részletes, megaparszek léptékű folyadékszimulációkat futtathassanak rajtuk. A Porphyrion a csillagászok szerint ezért olyan fizikai folyamatokba ad betekintést, amilyenek jelenleg még nem vizsgálhatók számítógépek segítségével.

A nyalábok további különlegessége, hogy egy olyan, úgynevezett hatékonyan sugárzó aktív galaxismagból (RE-AGN) távoznak, amely az általa kibocsátható energia (a fekete lyukba hulló gáz gravitációs potenciális energiájának maradéka) nagy részét sugárzás formájában adja le. Oei szerint az eddig ismert hatalmas nyalábokat nem túl hatékonyan sugárzó aktív galaxismagok (RI-AGN) bocsátották ki, amelyek ezt a maradék energiát nyalábok formálására fordítják.

„Annak ellenére, hogy az aktív galaxismag által felhasználható energia nagy része sugárzásra megy el, a nyalábok erőteljesek és eléggé egyben maradnak ahhoz, hogy olyan méreteket érjenek el, amilyet még nem láttunk korábbi megfigyelésekben” – írta. Az asztrofizikus szerint mivel több RE-AGN volt a korai univerzumban, lehet, hogy számos, a Porphyrionhoz hasonló hatalmas nyaláb vár még felfedezésre.

Felpuffasztja a kozmikus háló szálait

„A Porphyrion nyalábjai nemcsak erősek, hanem nagyjából egymilliárd éve működnek. Ez azt jelenti, hogy a teljes energiamennyiség, amit a jetek magukkal vittek és szétterítettek a kozmikus hálózaton, 10⁵⁵ és 10⁵⁶ joule körül van, ami óriási mennyiség” – írta a kutató.

Az energiafelszabadulás léptéke, ami ahhoz hasonló, amely hatalmas galaxishalmazok összeolvadása során keletkezik, az asztrofizikus szerint nagyrészt a kozmikus háló hevítésére megy el, amelynek galaxisok, gáz és sötét anyag által alkotott szálait a hőtágulás következtében ezzel puffadtabbá teszi.

link Forrás

Oei szerint Porphyrion nyalábjai mágneses teret is hordoznak, amelyek kiköthetnek a közelében újonnan formálódó galaxisokban, és ott átadódhatnak éppen létrejövőben lévő csillagokra, vagy akár bolygókra is. „Lehetséges, hogy a Porphyrionhoz hasonló hatalmas nyalábok jelentősen hozzájárulnak a mágnesesség terjedéséhez a kozmikus hálóban” – írta a kutató.