Egy erő mind felett

A fekete lyukak hatása a galaxis evolúciójára összetett és messzemenő. Mindenütt jelen vannak, és a tömeg széles méretskáláját fedik le, a csillagtömegtől a szupermasszív kategóriáig. Egy új kutatás során a tudósok azt igyekeztek megállapítani, hogy a fekete lyukak miként növekednek az idő múlásával.

A kutatáshoz használt modell megmutatja, hogy a növekedés során az akkréció vagy a fúzió a domináns. A modell a helyi világegyetemtől a vöröseltolódás 10-es értékéig alkalmazható, vagyis általában a mai naptól visszafelé, körülbelül 13 milliárd évvel ezelőttig.

Vöröseltolódás

A vöröseltolódás az elektromágneses hullámok hullámhosszának a kibocsátott hullámhosszhoz viszonyított megnövekedése. A jelenséget a csillagászat és az asztrofizika is használja, mivel a távoli galaxisok színképe a vörös felé tolódik el. Az elektromágneses hullámok hullámhosszának rövidülését kékeltolódásnak hívjuk.

A vöröseltolódásnak három lehetséges okat lehet:

A forrás és a megfigyelő relatív mozgása (Doppler-effektus, relativisztikus Doppler-effektus)

A forrás és a megfigyelő gravitációs potenciálja eltérő (gravitációs vöröseltolódás)

A Világegyetem tágulása (a forrás és a megfigyelő között)

Jelenleg a legnagyobb ismert vöröseltolódású objektumok a galaxisok és a gammasugár-kitöréseket produkáló objektumok. A legmegbízhatóbb vöröseltolódás források spektroszkópiai adatokból származnak, az eddig mért legnagyobb megerősített galaktikus spektroszkópos vöröseltolódás pedig GN-z11 galaxis, z = 11.1 vöröseltolódással, ami 400 millió évvel az ősrobbanás utáni állapotában látszik a számunkra. 

Az előző rekordot az UDFy-38135539  galaxis tartotta, z = 8.6 vöröseltolódás értékkel, amit 600 millió évvel az ősrobbanás után láthatunk. Kissé kevésbé megbízhatóak a Lyman-break vöröseltolódások, amelyek közül a legnagyobb a lencsés A1689-zD1 galaxis z=7.5 vöröseltolódása.

A legtávolabbi spektroszkópikus vöröseltolódás-méréssel megfigyelt gammasugár kitörés a GRB 090423  galaxisban történt, amelynek vöröseltolódása z=8.2, a legtávolabb ismert kvazár pedig az ULAS J1342+0928, z=7,54-es értékkel. A legmagasabb vöröseltolódás-értékű rádiógalaxis a TNJ0924-2201 (z= 5.2), a legnagyobb ismert vöröseltolódású molekuláris anyag pedig a CO-molekula emissziójának kimutatása az SDSS J1148+5251 kvazárból (z=6.42).

Matematikai modell

A tudományos modellt Dr. Avi Loeb, Frank B. Baird Jr, a Harvard tudományos professzora és Dr. Fabio Pacucci a Black Hole Initiative (BHI) asztrofizikusa fejlesztették ki. A modell szerint a fekete lyuk primer növekedése a tömegétől és a vöröseltolódástól függ.

A közeli univerzumban a kis méretű fekete lyukak nagyrészt akkrécióval nőnek, míg a hatalmas fekete lyukak nagyrészt a más fekete lyukakkal történő összeolvadásokkal növekednek. A térben és időben tőlünk távolabbi galaktikus régiókban megfordul a trend: a kis fekete lyukak általában összeolvadással alakulnak ki, jelentős méretű fekete lyukak pedig akkrécióval gyarapodnak.

Dr. Pacucci elmondta:  „A fekete lyukak kétféle módon növekedhetnek. Felszívhatják a tömeget a körülöttük lévő térből, vagy összeolvadhatnak egymással, és újabb, masszívabb fekete lyukat képezhetnek. Jelenleg úgy gondoljuk, hogy az első fekete lyukak körülbelül az első csillagpopulációval egy időben kezdtek kialakulni, több mint 13,5 milliárd évvel ezelőtt.” 

Dr. Loeb hozzátette: „A kérdés az, hogyan növekedtek ezek a magok akkorává, hogy létrehozzák a fekete lyukak ma tapasztalható hatalmas populációját, amelyet a tudósok folyamatosan fedeznek fel az Univerzumban. Nem csak a fény észlelésével, de azoknak a gravitációs hullámoknak - a téridő hullámainak - révén is felfedhetjük történetüket, melyeket összeolvadásuk hozott létre."

"A fekete lyukak skálája a kicsiktől a hatalmas szörnyetegekig terjed, amelyek fényesen lángoló torka a kozmosz távoli vidékeiről ragyog felénk."

Felfénylő sötétség

Dr. Pacucci szerint:  „A fekete lyukak fő növekedési módjának tanulmányozása világosabb képet nyújt nekünk arról, hogy ezek a jelforrások milyen fényesek is lehetnek. Ma már tudjuk, hogy amint az anyag a fekete lyukak eseményhorizontja felé esik, miközben felgyorsul, felmelegszik, és ez a gáz sugárzást bocsát ki. Minél több anyagot nyel el egy fekete lyuk, annál fényesebb lesz, ezért vagyunk egyáltalán képesek megfigyelni az olyan távoli égitesteket, mint a a szupermasszív fekete lyukak. Ezek milliárdszor hatalmasabbak, mint a mi Napunk, és óriási mennyiségű sugárzást bocsáthatnak ki, így akár több milliárd fényév távolságból is megfigyelhetjük őket." 

Loeb kijelentette továbbá, hogy még ha környezetük gázmentes is, a fekete lyukak a galaxisok egyesülésein keresztül is tömegesen növekedhetnek."

Pacucci hangsúlyozta:  „A fekete lyukak és növekedésük kulcsfontosságú szerepet játszik a galaxisok fejlődésében. Úgy hisszük, hogy minden galaxis közepén hatalmas fekete lyuk található, amely szabályozza a csillagok kialakulását a befogadó galaxisban. Alapvető fontosságú a világegyetem megértésében és megismerésében annak megértése, hogy a fekete lyukak hogyan formálódtak, növekedtek és fejlődtek együtt a galaxisokkal, és ezzel a tanulmánnyal még egy darab a helyére került, ebben a hatalmas kirakósban.” 

„Már teszteltük modellünket közeli fekete lyukakból származó adatokkal, nagyon biztató eredményekkel. Ennek a tanulmánynak az volt a célja, hogy olyan elméleti hátteret nyújtson a tudományos közösségnek, amely leírja, hogy a fekete lyukak hogyan növekedhettek az univerzum evolúciója során. Ennek az információnak a birtokában fejleszthetőek a megfigyelési stratégiák, jobb döntések hozhatóak a jövőbeli űrteleszkópok használata során, valamint megalapozza azokat a modelleket is, amelyek leírják az univerzum fejlődésének más aspektusait.”

(Forrás: ArXiv Képek: M.Weiss, NASA)