Fekete lyukakból álló korongok rejtőzhetnek a galaxisok közepén

A galaxismagban hemzsegnek a fekete lyukak: az év elején röntgen-csillagászati módszerekkel 12 feketelyuk-kettős jelöltet fedeztek fel. Valószínűsíthető azonban, hogy ennél jóval több, akár több ezer fekete lyuk is keringhet galaxisunk magjában. Az ELTE kutatói egy most közzétett tanulmányban rámutattak, hogy ezek a fekete lyukak várhatóan egy korongba rendeződve keringenek a központi szupernehéz fekete lyuk körül. (A nyitó kép: Fantáziarajz egy gravitációs árapály erők miatt széteső csillag halmazról NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech) munkája és a Hubble Deep Field felvétele alapján. Készítette Szölgyén Ákos.)

Csillagászati megfigyelések alapján tudható, hogy a legtöbb galaxis közepén található egy szupernehéz fekete lyuk. Ezen égitestek irdatlan gravitációjának hatására csillagok milliói és naptömegű fekete lyukak ezrei gyülemlenek össze egy sűrű, mindössze néhány fényév sugarú gömbbe. Az asztrofizikusok a galaxismagban keringő csillagok pályáinak kölcsönhatásait szimulálták és azt találták, hogy a fekete lyukak pályái eddig nem várt módon rendeződnek. Az eredmények azt mutatják, hogy a nehezebb égitestek egy vastag korongot alkotva keringenek a központi szupernehéz fekete lyuk körül.

„Korábban azt gondolták, hogy a kisebb és nagyobb tömegű objektumok egyaránt tetszőleges irányban keringhetnek a központi nagy fekete lyuk körül. Kutatásaink azonban azt igazolják, hogy a nehezebb csillagok és a fekete lyukak egyetlen korongba rendeződnek” – mondja Szölgyén Ákos az ELTE PhD-hallgatója, aki a Physical Review Lettersben, az egyik legrangosabb fizikai szaklapban publikált kutatást vezette.

Szölgyén Ákos és témavezetője Kocsis Bence, az ELTE Atomfizikai Tanszékén működő GALNUC ERC kutatócsoport vezetője, a most megjelent munkájuk közben egy fontos, de eddig nem vizsgált effektust, az ún. vektor rezonáns relaxációt is számításba vették a galaxismag numerikus szimulációjában. Ez az effektus 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.

„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” – magyarázza Kocsis Bence.

Mivel a galaxismagban sokmillió 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.

„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” – mondja Szölgyén Ákos.

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. 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 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 – magyarázza Kocsis Bence. – Ez nagyon hasonló a részecskefizikában és a kondenzált anyagok fizikájában ismert spontán szimmetriasértés jelenségéhez.”

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 gömb-szimmetrikusan 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.

A felfedezésnek nagy jelentősége lehet a galaxismagok dinamikájának és a galaxisfejlődésnek a megértésében, és fontos lehet a gravitációshullám-források eredetének értelmezésében.

„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,” mondja Kocsis Bence. „A legérdekesebb kérdés, hogy vajon a most megjósolt eloszlása a fekete lyukanak megmagyarázza-e a LIGO/VIRGO detektorokkal észlelt gravitációshullám-jelek magas gyakoriságát.”