A James Webb-űrtávcső ismét olyan részleteket tárt fel a korai Világegyetemből, amelyek néhány évvel ezelőtt még szinte elérhetetlenek voltak a csillagászok számára. Egy rendkívül távoli galaxisban három aktívan táplálkozó, nagy tömegű fekete lyuk nyomait azonosították, közülük kettő pedig már olyan közel került egymáshoz, hogy kozmikus időskálán nézve az összeolvadás felé tartanak. A felfedezés fontos támpontot adhat ahhoz a régóta vizsgált kérdéshez is, hogyan tudtak a fekete lyukak ennyire gyorsan hatalmasra nőni a Világegyetem történetének első egymilliárd évében.
A Hannah Übler vezette nemzetközi kutatócsoport a J0148-4214 jelű galaxist vizsgálta. A rendszer vöröseltolódása z = 5,0167, vagyis olyan messzire található, hogy fényét abból az időszakból látjuk, amikor a Világegyetem mindössze körülbelül 1,2 milliárd éves volt. A kutatók eredményeiket a BlackTHUNDER program keretében végzett James Webb-megfigyelések alapján közölték.
A fekete lyukakat természetesen maga a James Webb sem „látja”. Egy fekete lyuk eseményhorizontján belülről fény nem juthat ki, ezért jelenlétükre a környezetükben lévő anyag viselkedéséből lehet következtetni. Ebben az esetben a Webb NIRSpec műszerének integrálmezős spektroszkópiai, vagyis IFU üzemmódja bizonyult döntőnek. Ez egyszerre képes információt gyűjteni az égbolt egy kis területének különböző pontjairól és az onnan érkező fény színképéről, így a kutatók tulajdonképpen egy háromdimenziós adatkockát kapnak: két dimenzió mutatja a helyzetet az égbolton, a harmadik pedig a hullámhosszt.
A J0148-4214 színképében rendkívül széles hidrogén-alfa emissziós vonalakat találtak. A vonalak szélessége arra utal, hogy a fényt kibocsátó gáz több száz, illetve több ezer km/s sebességgel mozog. A mért H-alfa vonalak szélessége körülbelül 430 és 2920 km/s közötti tartományt fed le. Az ilyen gyorsan mozgó gáz az aktív galaxismagok egyik jellegzetessége: a fekete lyuk körüli úgynevezett széles vonalas régióban a gáz hatalmas sebességgel kering a központi objektum gravitációs terében.
A központi H-alfa jel azonban nem egyetlen egyszerű komponensből állt. A kutatók a különböző sebességű gázok térbeli elhelyezkedését szétválasztva két különálló széles vonalas régiót azonosítottak. A legjobb magyarázat szerint ezek két külön fekete lyuk környezetéhez tartoznak.
A két központi fekete lyuk vetített távolsága mindössze 190 ± 40 parszek, ami körülbelül 620 fényévnek felel meg. Galaktikus léptékben ez már nagyon kis távolság. Összehasonlításképpen a Nap körülbelül 26 ezer fényévre található a Tejútrendszer központi fekete lyukától. Ebben a távoli galaxisban tehát két nagy tömegű fekete lyuk gyakorlatilag ugyanazon galaktikus központi régión osztozik.
Tömegük ugyanakkor jelentősen különbözik. A legnagyobb fekete lyuk becsült tömege központi értéken nagyjából 80 millió naptömeget jelent. A második központi fekete lyuk becslése körülbelül 600 ezer naptömeg. Ezek azonban jelentős bizonytalansággal rendelkező becslések, amelyeket a körülöttük mozgó gáz tulajdonságaiból számítottak ki.
A galaxis külsőbb részében egy harmadik széles vonalas régiót is találtak, körülbelül 1,7 kiloparszekes – mintegy 5500 fényéves – vetített távolságra a központtól. Ennek alapján ott egy harmadik, aktívan anyagot elnyelő fekete lyuk lehet. Becsült tömege körülbelül kétmillió naptömeg. Így a J0148-4214 nem egyszerű kettős fekete lyukrendszer lehet, hanem egy ritka, három nagy tömegű fekete lyukat tartalmazó rendszer.
A kutatók természetesen más lehetőségeket is megvizsgáltak. A széles emissziós vonalakat bizonyos körülmények között szupernóvák, csillagszelek, lökéshullámok vagy különösen nagy tömegű csillagok is létrehozhatják. A rendelkezésre álló spektroszkópiai adatok alapján azonban a szerzők szerint a fekete lyukak körüli széles vonalas régiók jelentik a legvalószínűbb magyarázatot. Emiatt egyelőre pontosabb úgy fogalmazni, hogy erős megfigyelési bizonyíték van három fekete lyuk jelenlétére, nem pedig úgy, hogy három fekete lyukat közvetlenül lefényképeztek.
A két központi objektum valószínűleg egy korábbi galaxis-összeolvadás eredményeként került ilyen közel egymáshoz. Amikor két galaxis egyesül, csillagaik többnyire nem ütköznek közvetlenül, mert közöttük óriási távolságok vannak. A két galaxis központi fekete lyukai azonban fokozatosan a létrejövő új galaxis középpontja felé vándorolhatnak. Ebben fontos szerepet játszik a dinamikai súrlódás. A fekete lyuk a környező csillagokkal és gázzal gravitációsan kölcsönhatva energiát és impulzust ad át környezetének. Emiatt pályája fokozatosan zsugorodik. A két fekete lyuk egyre közelebb kerül egymáshoz, végül gravitációsan kötött kettős rendszert alkothat.
A folyamat későbbi szakaszában már a gravitációs hullámok kibocsátása válik meghatározóvá. A rendszer energiát veszít, a két fekete lyuk egyre gyorsabban kering egymás körül, majd végül összeolvad. Az egyesülés utolsó pillanataiban rendkívül erős gravitációs hullámok keletkeznek.
A J0148-4214 két központi fekete lyukára végzett egyszerű dinamikai becslés szerint az összeolvadás időskálája legfeljebb nagyjából 700 millió év lehet. Ez nem azt jelenti, hogy az esemény „700 millió év múlva” következik be a mi jelenünkhöz képest. Mi ezt a galaxist több mint 12 milliárd évvel ezelőtti állapotában látjuk. Ha a számítás helyes, a két fekete lyuk összeolvadása a rendszer saját történetében már réges-régen megtörténhetett, miközben az esemény gravitációs hullámai ma is úton lehetnek felénk.
A harmadik fekete lyuk története még érdekesebb lehet. Az egyik lehetőség szerint egy kisebb galaxissal együtt érkezett a rendszerbe, és jelenleg fokozatosan süllyed a galaxis központja felé. Ebben az esetben a két központi fekete lyuk összeolvadása után a harmadik is megközelítheti az újonnan létrejött fekete lyukat, így később egy második összeolvadás következhet.
Van azonban egy sokkal kaotikusabb lehetőség is. Elképzelhető, hogy a harmadik fekete lyuk egy korábbi háromtest-kölcsönhatás következtében került a galaxis külső részébe. Három fekete lyuk közeli találkozásakor a rendszer dinamikája rendkívül összetett lehet: az egyik objektum nagy sebességgel kilökődhet, miközben a másik kettő szorosabb kettőst alkot. Az is lehetséges, hogy egy korábbi fekete lyuk-összeolvadás gravitációs visszarúgása mozdította el a központból. A gravitációs hullámok ugyanis nem mindig tökéletesen szimmetrikusan távoznak az összeolvadásból, ezért az új fekete lyuk jelentős sebességlökést kaphat. A felfedezés egyik legfontosabb következménye a korai szupernagy tömegű fekete lyukak kialakulásának problémájához kapcsolódik. A James Webb az elmúlt években számos meglepően nagy fekete lyukat talált a nagyon fiatal Világegyetemben. Némelyikük már akkor több millió vagy akár több százmillió naptömegű volt, amikor a kozmosz még csak néhány százmillió éves volt.
Ez komoly időbeli problémát jelent. Egy csillag összeomlásából keletkező néhány tíz vagy néhány száz naptömegű fekete lyuknak rendkívül gyorsan kellene anyagot gyűjtenie ahhoz, hogy ilyen rövid idő alatt több millió vagy milliárd naptömegűvé váljon. Emiatt a csillagászok több lehetőséget vizsgálnak: létezhettek eleve nagyobb, akár több tízezer naptömegű fekete lyukcsírák, időszakosan rendkívül gyors anyagbefogás történhetett, és az összeolvadások is jelentős szerepet játszhattak.
A J0148-4214 az utóbbi lehetőség mellett szolgáltat érdekes megfigyelési bizonyítékot. Ha a fiatal Világegyetemben a galaxisok gyakrabban ütköztek és egyesültek, akkor központi fekete lyukaik is gyakrabban találkozhattak. Egy fekete lyuk így nem kizárólag a környező gáz elnyelésével növekedhetett, hanem más fekete lyukakkal történő összeolvadásokkal is. A kutatók szerint a J0148-4214 és más, nemrég felfedezett távoli fekete lyukpárok arra utalhatnak, hogy a több fekete lyukat tartalmazó rendszerek gyakoribbak voltak a korai Világegyetemben, mint napjainkban.
A történetnek van egy gravitációshullám-csillagászati oldala is. A csillagtömegű fekete lyukak összeolvadásait ma már földi detektorokkal észleljük, a több százezer vagy több millió naptömegű fekete lyukak azonban egészen más frekvenciatartományban keltenek gravitációs hullámokat. Ezek észlelésére tervezi az Európai Űrügynökség a LISA űrbeli gravitációshullám-detektort. A BlackTHUNDER kutatói ezért azt is vizsgálták, milyen eséllyel lehetne a J0148-4214-hez hasonló rendszerek összeolvadásait egy jövőbeli LISA-típusú obszervatóriummal észlelni.
Ez különösen izgalmas lehetőséget jelent. A James Webb az összeolvadás előtti rendszereket elektromágneses sugárzásuk alapján fedezheti fel, míg a jövő gravitációshullám-detektorai magát az egyesülést érzékelhetik. A két módszer együtt közvetlenül követhetné végig, hogyan épültek fel a mai galaxisok központjában található óriási fekete lyukak.
Ha a kutatók értelmezése helyes, akkor nem egyszerűen három távoli fekete lyukat találtunk. Egy olyan folyamat egyik korai állomását látjuk, amelynek során kisebb fekete lyukak találkozásokon, galaxis-összeolvadásokon, gázbefogáson és végül egymás elnyelésén keresztül fokozatosan felépítették azokat a több millió vagy milliárd naptömegű óriásokat, amelyek ma a nagy galaxisok központjában ülnek.
forrasok: Space.com, BlackTHUNDER kutatás, arXiv
