Szerzõ: Kovács József | 2007. augusztus 04., szombat
A Gemini teleszkópok és a Chandra röntgenmûhold új eredményei szerint a fiatal Világegyetemben a nagytömegû fekete lyukak sokkal gyorsabban növekedtek, mint késõbb.
Az L. Jiang által vezetett, amerikai és német csillagászokból álló kutatócsoport a Déli Gemini Teleszkóp GNIRS (Gemini Near Infrared Spectrograph) és az Északi Gemini Teleszkóp NIRI (Near-Infrared Imager) mûszereivel hat nagyon távoli kvazárt figyelt meg az infravörös tartományban. A vizsgált objektumok vöröseltolódása z=5,8 és z=6,3 közé esik, ami egyben azt is jelenti, hogy a kutatás a Világegyetem mindössze 1 milliárd éves korába pillant vissza. Az eredmények szerint már ezekben a fiatal kvazárokban is nagyon jelentõs a nehézelem-tartalom, s mivel a kvazárok energiáját szupernehéz fekete lyukak szolgáltatják, a felismerés új megvilágításba helyezheti a fekete lyukak szerepét az 1 milliárd évesnél is fiatalabb Univerzum kémiai összetételének kialakításában.
A kvazárok a legfényesebb és a legtöbb energiát kibocsátó objektumok a Világegyetemben. Az elméletek szerint az óriási energiatermelés forrásai a nagyon távoli, kialakulás közben lévõ galaxisok magjában található szupernehéz fekete lyukak. Az ezekbe behulló anyag által kibocsátott sugárzás érzékelhetõ még több milliárd fényév távolságból is. Ezeket az ún. aktív galaxismagokat (AGN, Active Galactic Nuclei) körülvevõ akkréciós korongokban a gáz nagy sebességgel áramlik, így a kvazár színképében széles vonalakat eredményez, ezért ezen területek szakirodalmi elnevezése BLR (broad line region). Az itt keletkezõ emissziós vonalak tipikusan az ultraibolya tartományba esnek, de a viszonylag nagy vöröseltolódás miatt átkerülnek spektrum hosszabb hullámhosszúságú részébe, az optikai, illetve a közeli infravörös tartományba. Ezen vonalak jól használhatók magának a gáznak, de a fekete lyuk tulajdonságainak tanulmányozására is.
A Jiang és csapata által vizsgált hat kvazár optikai és közeli infravörös spektruma. A színképekben jól láthatók a kiszélesedett emissziós vonalak.
A BLR-ek kémiai összetételének ismerete nagyon fontos a gazdagalaxis csillagkeletkezési folyamatainak feltérképezésében. Különösen érdekes a vasnak az oxigénhez, szénhez, és magnéziumhoz viszonyított aránya, ugyanis ez a várakozások szerint erõs korrelációban áll a fiatal rendszerek korával. Az oxigén fõleg nagytömegû csillagokban keletkezik, s gyorsan ki is dobódik, míg a vas hosszabb élettartamú, közepes tömegû csillagokban képzõdik. Így a vas jelentõs feldúsulása az elsõ csillagkeletkezési hullám után körülbelül 1 milliárd évre tehetõ.
A kvazárok infravörös spektrumában megfigyelhetõ emissziós vonalak erõsségébõl tehát meghatározható a BLR-ek fémtartalma. Az eredmények szerint ez a Nap esetében megfigyelhetõ arányoknál mintegy négyszer nagyobb. Nagy vöröseltolódásoknál a kémiai összetétel idõbeli változásának egyik legfontosabb indikátora az egyszeresen ionizált vasnak (FeII) az egyszeresen ionizált magnéziumhoz (MgII) viszonyított aránya. Az eredmények alapján a fémesség nem változik drasztikusan a lokális és a z=6 körüli tartományok között. A z=6 vöröseltolódásnál tapasztalt magas fémtartalom azonban azt jelzi, hogy a kvazárok gazdagalaxisaiban már az Univerzum elsõ 1 milliárd évében heves csillagkeletkezési és fémfeldúsulási folyamatok zajlottak.
Az FeII/MgII arány a vöröseltolódás függvényében. Látható, hogy nincs jele az elemgyakoriság jelentõs idõbeli változásának egészen a z=6 vöröseltolódásig visszamenõen.
A nagy vöröseltolódású és fényességû kvazárok korai megjelenése a fekete lyukak gyors növekedésére is utal a galaxisok és a kvazárok elsõ generációjának kialakulásakor. A BLR-ekben megfigyelhetõ nagyléptékû mozgások vizsgálata a központi fekete lyukak tömegének meghatározására is lehetõséget nyújt. Ennek alapja az, hogy összefüggés található a színkép kontinuumának fényessége és az emissziós vonalak szélessége között, ez utóbbit pedig az erõs gravitációs térben fellépõ nagysebességû mozgások befolyásolják. Jiang és munkatársai azt találták, hogy a mintájukban szereplõ központi fekete lyukak tömege 1 és 10 milliárd naptömeg közé tehetõ. Figyelemre méltó, hogy 1 milliárd naptömegû fekete lyukak kevesebb mint 1 milliárd évvel az Õsrobbanás után már kialakulhattak. Az elképzelések szerint a korábban, z=20-nál keletkezett néhány ezer naptömegnyi fekete lyukak híztak fel kezdeti tömegük körülbelül 3 milliószorosára a közben eltelt néhány százmillió év alatt. Jiang és társai szerint az ilyen gyors növekedés komoly kihívások elé állítja a szupernehéz fekete lyukakkal foglalkozó elméleteket.
Az eredményeket közlõ szakcikk az Astronomical Journal c. folyóiratban fog megjelenni.
A fentieket alátámasztani látszik a Chandra röntgenmûhold egyik új eredménye, miszerint a nagyon távoli, fiatal galaxishalmazok sokkal több aktív magú galaxist (AGN) tartalmaznak, mint a közeli öregebbek. A vizsgálat keretében négy galaxishalmazt figyeltek meg, köztük a CL 0542-4100 és a CL 0848.6+4453 katalógusjelût. Ezen galaxishalmazok a Világegyetem azon állapotát mutatják, mikor kora a mostaninak 58%-a volt. Egy korábbi munka során a Chandrával közelebbi galaxishalmazokat is vizsgáltak, az Univerzum 82%-os korából. Az eredmények azt mutatják, hogy a távoli minta körülbelül 20-szor annyi aktív galaxist tartalmaz, mint a közelebbi. A halmazokon kívüli AGN-ek száma is magasabb az Univerzum fiatal korában, mint késõbb, de ez az arány már csak 2-3-szoros.
A Chandra felvétele a CL 0542-4100 és a CL 0848.6+4453 katalógusjelû galaxishalmazokról. Vörös szín jelzi a kisenergiájú, zöld a közepes, míg kék a nagyenergiájú röntgensugárzást. Mindkét mezõben 5 darab AGN található, bár az egyik valószínûleg nem tagja a halmaznak. A legtöbb AGN színe kék, jelezve, hogy ezek nagyenergiájú röntgensugárzás forrásai. A diffúz emisszió a halmazokban található forró gáztól származik. A pontforrások legtöbbje nem kapcsolódik a halmazokhoz, csak abban az irányban látszik. (NASA/CXC/Ohio State Univ./J. Eastman et al.)
A jelentõs eltérések magyarázata, hogy a korai Világegyetemben ezek a galaxisok sokkal több gázt tartalmaztak, mint ma, s ez kedvezõ volt a csillagkeletkezés, de a fekete lyukak gyors növekedése szempontjából is. A rengeteg "üzemanyagot" a fiatal halmazokban található fekete lyukak olyan ütemben emésztették fel, mint ahogyan a piranhák végeznek áldozataikkal, így sokkal gyorsabban nõhettek, mint közelebbi, öregebb társaik.