Kozmikus porgyűrű mögött egy hatalmas fekete lyukat találtak

Ennek a képnek a bal oldala a Messier 77 aktív galaxis káprázatos felvételét ábrázolja, amelyet az ESO Nagyon Nagy Távcsövén lévő FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2) műszer örökített meg. A jobb oldalon a galaxis legbelső régiójának, aktív galaxismagjának közelképét mutatja, ahogy az ESO Nagyon Nagy Távcső Interferométer MATISSE nevű műszerével látható

Az Európai Déli Obszervatóriumban a Nagyon Nagy Távcső Interferométerével (ESO VLTI) egy, a Messier 77 galaxis közepén lévő, kozmikus por alkotta felhőt figyeltek meg, amely egy nagyon nagy tömegű fekete lyukat rejt. Az eredmények 30 évvel ezelőtti jóslatokat bizonyítanak, és új betekintést adnak a csillagászoknak az univerzum legfényesebb és legrejtélyesebb objektumai közé tartozó aktív galaxismagokba.

Az aktív galaxismagok (active galactic nuclei, AGN) nagyon nagy tömegű fekete lyukak által működtetett extrém nagy energiájú források, és egyes galaxisok központjaiban találhatóak. Ezek a fekete lyukak nagy mennyiségű kozmikus porral és gázzal táplálkoznak. Mielőtt bekapná, ez az anyag a fekete lyuk felé spirálozódik, és óriási mennyiségű energia szabadul fel a folyamat során, gyakran túlragyogva a galaxis összes csillagát.

A csillagászok azóta kíváncsiak az AGN-ekre, amióta először megpillantották ezeket a fényes objektumokat az 1950-es években. Most, az ESO VLTI-nek köszönhetően, a holland Leideni Egyetem munkatársa, Violeta Gámez Rosas vezette kutatócsoport fontos lépést tett, hogy megértsük, hogyan működnek és hogyan néznek ki testközelből. Az eredményeket szerdán közölték a Nature tudományos folyóiratban.

Ennek a képnek a bal oldala a Messier 77 aktív galaxis káprázatos felvételét ábrázolja, amelyet az ESO Nagyon Nagy Távcsövén lévő FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2) műszer örökített meg. A jobb oldalon a galaxis legbelső régiójának, aktív galaxismagjának közelképét mutatja, ahogy az ESO Nagyon Nagy Távcső Interferométer MATISSE nevű műszerével látható Forrás: ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.

Azáltal, hogy a Messier 77 (más néven NGC 1068) galaxis középpontjáról rendkívül részletes megfigyeléseket végeztek, Gámez Rosas és csapata kozmikus porból és gázból álló vastag gyűrűt detektált, amely egy nagyon nagy tömegű fekete lyukat rejt. Ez a felfedezés létfontosságú bizonyítékot jelent az AGN-ek egyesített modelljének 30 éves elméletéhez.

A csillagászok az AGN-ek különböző típusait ismerik. Például egyesek rádióhullámokat bocsátanak ki, míg mások nem; bizonyos AGN-ek látható fényben fényesek, míg mások, mint például a Messier 77, inkább visszafogottabbak. Az agyesített modell azt állítja, hogy különbségeik ellenére az összes AGN-nek ugyanaz az alapstruktúrája: egy nagyon nagy tömegű fekete lyuk, körülötte egy vastag porgyűrű.

E modell szerint az AGN-ek megjelenése közti különbséget az okozza, hogy a Földről a fekete lyukat és a vastag gyűrűjét különböző irányokból látjuk. Hogy milyen típusú AGN-t látunk, függ attól, hogy a mi nézőpontunkból a gyűrű a fekete lyukat mennyire homályosítja, bizonyos esetekben rejti el teljesen.

Ez az ESO Nagyon Nagy Távcső Interferométer MATISSE nevű műszerével készült kép a Messier 77 aktív galaxis legbelső régióját ábrázolja Forrás: ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.

A csillagászok már korábban is találtak bizonyítékokat az egyesített modell alátámasztására, például meleg port észleltek a Messier 77 közepén. Azonban továbbra is kétséges volt, hogy ez a por teljesen el tudna-e takarni egy fekete lyukat, ezáltal megmagyarázva, hogy látható fényben miért kevésbé fényes ez az AGN, mint a többi.

„A porfelhők valódi természete és szerepük a fekete lyuk táplálásában és annak megállapítása, hogyan néznek ki a Földről, központi kérdések az AGN-ekkel kapcsolatos tanulmányokban az utolsó három évtizedben" – magyarázza Gámez Rosas. „Habár egyetlen eredmény sem válaszolja meg az összes kérdésünket, jelentős lépést tettünk az AGN-ek működésének megértésében."

A megfigyelések a chilei Atacama-sivatagban lévő ESO VLTI-re felszerelt Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE) nevű műszerrel történtek. A MATISSE az interferometria nevű eljárással az ESO Nagyon Nagy Távcsövének (VLT) mind a négy 8,2 méteres távcsöve által gyűjtött infravörös fényt kombinálja. A csapat a MATISSE-t használta a Cet csillagképben, 47 millió fényévre lévő Messier 77 központjának vizsgálatára.

Ez az illusztráció a Messier 77 magjának lehetséges képét ábrázolja. Ahogy más aktív galaxismagok esetében is, a Messier 77 központi régióját is egy vékony anyagbefogási koronggal körbevett fekete lyuk működteti, amelyet egy porból és gázból álló vastag gyűrű vagy tórusz vesz körül. A Messier 77 esetén ez a vastag gyűrű teljesen eltakarja előlünk a nagyon nagy tömegű fekete lyukat. Ez az aktív galaxismag valószínűleg anyagot lövell ki (jetek), és poros szelet bocsát ki, amelyek a fekete lyuk körüli régióból, az anyagbefogási korongra merőlegesen irányból áramlanak kifelé. Forrás: ESO/M. Kornmesser and L. Calçada

„A MATISSE az infravörös hullámhosszak széles tartományát látja, ami lehetővé teszi, hogy átlássunk a poron, és pontosan mérjünk hőmérsékletet. Mivel a VLTI valójában egy nagy interferométer, a felbontás olyan jó, hogy láthatjuk, mi történik az olyan messze lévő galaxisokban, mint a Messier 77. A képek, amelyeket készítettünk, részletesen feltárják a hőmérséklet változását és a fekete lyuk körüli porfelhők elnyelését." – mondta Walter Jaffe, a tanulmány társszerzője, a Leideni Egyetem professzora.

A fekete lyuk intenzív sugárzása által okozott porhőmérséklet-változást (szobahőmérséklettől nagyjából 1200 °C-ig) az abszorpciós térképekkel kombinálva, a csapat részletes képet alkotott a porról, és hogy hol kell elhelyezkednie a fekete lyuknak. A por — egy vastag belső gyűrűben és egy jóval kiterjedtebb korongban — a fekete lyukkal a közepén támogatja az egyesített modellt. A csapat az ESO Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, továbbá a National Radio Astronomy Observatory Very Long Baseline Array adatait is használta, hogy elkészíthessék a képet.

„Az eredményeink az AGN-ek belső működésének jobb megértéséhez vezethetnek." — foglalta összeGámez Rosas. „A Tejútrendszer történetének jobb megismeréséhez is segíthetnek, galaxisunk ugyanis tartalmaz egy nagyon nagy tömegű fekete lyukat a közepén, amely egykor aktív lehetett."

A kutatók most arra törekednek, hogy az ESO VLTI-t használva az AGN-ek egyesített modelljének helyességét igazoló további bizonyítékokat találjanak, galaxisok nagyobb mintáját használva.

A franciaországi Nizzában lévő Observatoire de la Côte d'Azur-nál dolgozó Bruno Lopez, a kutatócsapat tagja, a MATISSE vezető kutatója, azt mondja: „A Messier 77 az AGN-ek fontos prototípusa és csodálatos motiváció arra, hogy a megfigyelési programunkat kiterjesszük, és az AGN-ek nagyobb mintáját használva optimalizáljuk a MATISSE-t."

Az ESO Extrém Nagy Távcsöve (ELT), amely még ebben az évtizedben kezdi meg működését, szintén segíteni fog a keresésben, hogy olyan eredményeket biztosítson, amelyek a csapat eredményeit kiegészítik, és lehetővé teszik számukra az AGN-ek és a gazdagalaxisuk közötti kölcsönhatások feltárását.