Hogyan keletkeznek a legnagyobb fekete lyukak?

A fekete lyukak mind a mai napig kozmikus rejtélynek számítanak, annak ellenére, hogy az elmúlt évtizedben a kutatóknak sikerült némi ismeretre szert tenni a sötét objektumok legnagyobbjaival kapcsolatban.

Továbbra sem tudják azonban, hogy a korai univerzumban hogyan születtek meg a legnagyobb fekete lyukak, és hogyan segíthetnek a galaxisok sorsának alakításában. "A nagy tömegű fekete lyukak tudományága sokat fejlődött az elmúlt 12 évben, és jelenleg a csillagászat egyik legélénkebb területe" - mondta Marta Volonteri, a párizsi Asztrofizikai Intézet kutatója, aki a Science augusztus 3-i számában publikálta tanulmányát a legnagyobb fekete lyukak fejlődéséről.

A fekete lyukak olyan mérhetetlen gravitációs vonzással rendelkeznek, amiből semmi, még a fény sem képes kiszökni. A csillagászok 1783-ban kezdtek elmélkedni a fekete lyukak lehetőségén, azonban csak 1916-ban, Einstein általános relativitás elméletének alkalmazásával született meg az első feltevés.

A csillagászok két típust különböztetnek meg, a kisebb, csillagtömegűt, ami mindössze a Nap tömegének néhány tucatszorosával rendelkezik, és a nagy tömegű, a masszív fekete lyukat, ami a Nap tömegének több milliárdszorosát is elérheti. Akadnak köztes tömegű kozmikus szörnyetegek is, azonban ezek rendkívül ritkák. A csillagtömegű fekete lyukak elméletileg halott csillagok maradványai, az azonban nem ismert, hogyan alakulnak ki az ezeknél sokkal nagyobb, akár egy galaxis csillagainak össztömegét is elérő fekete lyukak.

Az egyik legnépszerűbb elmélet szerint kialakulásuk a csillagok első generációjához kapcsolódik, a szimulációk szerint azonban ezek a csillagok tömegüket tekintve csupán néhány tucatszorosai voltak a Napnak, vagyis túl kicsik ahhoz, hogy önmagukban biztosítsák a legnagyobb fekete lyukak tömegét. Egy alternatív forgatókönyv szerint a masszív fekete lyukak a Nap tömegének egymilliószorosával rendelkező csillagokból keletkeztek, melyek kevesebb mint 2 millió év alatt felgyülemlő gázokból születtek. Egy másik modell szerint a masszív fekete lyukak magjai a galaxisok középpontjainak sűrű csillaghalmazaiban alakultak ki, melyek több ezer Nap-tömeggel rendelkező csillagokká olvadtak össze, idővel fekete lyukakba omolva össze.

Ez utóbbiaknak adott egy kisebb pofont az a nemrégiben tett fedezés, miszerint milliárd-csillagtömegű fekete lyukak már az egymilliárd évnél fiatalabb kozmoszban is léteztek. A tudósok nem tudnak kielégítő választ adni a kialakulásukra a világegyetem történetének ilyen korai szakaszában.


Egy bizonyos ponton, az úgynevezett Eddington határon túl, a fekete lyuk felé áramló anyag által kibocsátott energia megállítja a fekete lyukat tápláló folyamot, lekorlátozva az elérhető méretét. Bár lehetséges, hogy milliárd-csillagtömegű fekete lyukak kevesebb, mint egymilliárd évvel az ősrobbanást követően kifejlődjenek, "minden tényezőnek a lehető legkedvezőbben kellett alakulni a fekete lyuk számára, vagyis csak a legszerencsésebbek érhették el ezt az állapotot" - nyilatkozott a SPACE.com-nak Volonteri, hozzátéve, hogy a tudósok most azt vizsgálják, vajon a fekete lyukak képesek-e felülemelkedni az Eddington határon, úgynevezett szuper-Eddington méretekre növekedve. "Ez megkönnyítené a fekete lyukak növekedését"

Élénk vita kíséri azt a kérdést is, mely szerint ezek a nagy tömegű fekete lyukak képesek-e hatni galaxisaik növekedésére, illetve a galaxis növekedése meghatározhatja-e egy fekete lyuk fejlődését. A feltevések szerint a fekete lyukak által kibocsátott energia befolyásolja a galaktikus szerkezetek evolúcióját, de az is ugyanúgy elképzelhető, hogy a galaxisok kontrollálják, mennyi gáz juthat be a fekete lyukakba, így szabályozva méretüket. Nem kizárt tehát, hogy a masszív fekete lyukak és galaxisaik egyfajta szimbiózisban fejlődnek.

Az elkövetkező néhány évben távcsövek egész sora próbál majd választ adni erre a kérdésre, alaposabb betekintést engedve a fekete lyukakba különböző fényhullámhosszokon a rádiótól, az infravörösön és a látható fényen át a röntgen és a gamma sugarakig. A masszív fekete lyukak fejlődését egyáltalán nem könnyű tanulmányozni, evolúciójuk ugyanis hatalmas időszakokat ölel fel. A csillagtömegű fekete lyukak azonban segíthetnek fényt deríteni legnagyobb rokonaikra, mivel emberi léptékekkel nézve is elérhető időskálán fejlődnek, ezen felül pedig nem kevesebb, mint százmillió ilyen fekete lyuk rejtőzhet szerte a Tejútrendszerben.

A csillagtömegű fekete lyukak gyakran alkotnak párokat hagyományos csillagokkal. Az elmúlt évtizedben a röntgensugarú észlelésekből sok mindent kiderítettek arról, hogyan szívják el ezek a kis fekete lyukak társcsillagaik anyagát, segítve a csillagászoknak megérteni, hogyan teszik ugyanezt a masszív fekete lyukak, magyarázta a tanulmány társszerzője, Rob Fender, a brit Southampton Egyetem csillagásza.


A binárisok látszólag hónapokig, akár évekig tartó fényes kilövelléseket produkálnak. A kutatók azt gyanítják, hogy a fekete lyukakba beáramló anyagkorong hőmérséklete tömege növekedésével emelkedik, ionizálva a korong hidrogénjét. Ez megnöveli az anyagbefogási, más néven akkréciós korong anyagának viszkozitását, megkönnyítve a fekete lyukba történő beáramlását. A gyorsuló anyagfolyam okozhatja az észlelt kitöréseket. Végül az áramlás az akkréciós korong kimerülésével lelassul, lehűtve a korongot és újraindítva a ciklust.

Ez az aktivitási ciklus, amit a binárisok csillagtömegű fekete lyukjainál figyeltek meg, betekintést enged a nagy tömegű fekete lyukaknál észlelt sugarak és kitörések kialakulásába és energiaszintjeibe, ami olyan hatalmas, hogy képes a környező galaxisok formálására.

Nemrég fedeztek fel egy masszív fekete lyuk körül kavargó akkréciós korongot, ami valószínűleg egy túl közel merészkedett csillag maradványa lehet. Meglepő módon ez az anyag látszólag egészen közel helyezkedik el a fekete lyuk esemény horizontjához, ahhoz a határhoz, ahonnan az elméletek szerint már nincs menekvés. "Az anyag jeleinek elemzésével letesztelhetjük Einstein általános relativitás elméletének a jövendöléseit, ami felettébb izgalmas" - mondta Ruben Reis, a Michigan Egyetem asztrofizikusa, aki egy másik tanulmányt jegyez a Science ugyanazon számában, melyben Volonteri is publikált.