Galaxismag, mit ugrálsz?

Csillagvizsgáló Svábhegyi

Mutass egy biztos pontot az égen!

Már a legrégebbi korok emberei is megkülönböztettek olyan fénypontokat az égen, amelyek szabad szemmel megfigyelve egymáshoz képest mozdulatlannak látszottak, valamint olyanokat, amelyek viszonylag rövid idő – napok, hetek, hónapok – leforgása alatt észrevehetően elmozdultak. Az előbbiek voltak az állócsillagok, az utóbbiaknak pedig e „vándorló” tulajdonságát magyar elnevezésük, a bolygó igen szemléletesen fejezi ki.

A pozíciós csillagászat vagy más néven asztrometria a csillagászat tudományának legrégibb ága. Nagy ókori tudósok, mint Hipparkhosz és Ptolemaiosz, vagy középkori utódaik, például Ulug bég (1. ábra) vagy Tycho Brahe neve nem utolsósorban az egyre pontosabb és bővebb csillagkatalógusaik révén cseng ma is ismerősen az utókor számára.

Ulug bég 1428–29-ben Szamarkandban, a mai Üzbegisztán területén épített csillagvizsgálójának legnagyobb műszere egy 40 m sugarú, részben a földbe süllyesztett kvadráns volt, amellyel a meridiánon áthaladó csillagok pozícióját mérte minden korábbinál nagyobb pontossággal. Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/Ulugh_Beg#/media/File:Ulugh_Beg_observatory.JPG

Még a távcső 17. századi elterjedése után is jó időbe telt, amíg sikerült kimutatni, hogy az állócsillagok helyzete sem tekinthető állandónak. 1838-ban Friedrich Bessel mérte meg először egy közeli kettőscsillag, a 61 Cygni parallaxisát (2. ábra), vagyis azt, hogy egy év folyamán az objektum égi helyzete az ívmásodperc mintegy 3 tizedrészének megfelelő mértékben változik. A látszólagos elmozdulás oka, hogy a Föld a Nap körüli pályája mentén mindig más-más helyzetbe kerül, ezzel változik a megfigyelő pozíciója: minél közelebb van hozzánk a csillag, annál nagyobb a parallaktikus elmozdulása – ahogy a körbe-körbe forgó körhintáról nézve a szomszéd bódé is ide-oda látszik mozogni a sokkal távolabbi házak jelentette háttérhez képest.

A parallaxis jelenségét szemléltető (nem méretarányos) rajz. A Föld éves pálya menti elmozdulása következtében a közeli csillagok látszólagos égi helyzete megváltozik a távolabbi objektumok hátteréhez képest. Forrás: ESA / ATG medialab

Az is kiderült, hogy a Tejútrendszer csillagai nem csak periodikusan mozdulnak el az égen, hanem mérhető sajátmozgással is rendelkezhetnek: a Naphoz képesti helyzetüktől függően több-kevesebb mértékben, hosszabb távon is változtatják égi koordinátáikat. Ebből a szempontból csúcstartónak számít az alig több mint 5 fényévre levő Barnard-csillag, amely évente több mint 10 ívmásodperccel vándorol arrébb az égbolton. A múlt század végére, a mérési pontosság javulásával az optikai csillagkatalógusok már egyre nehezebben töltötték be asztrometriai szerepüket, hiszen lényegében „minden mozgott” bennük.

Az 1970-es évek végétől kezdve kezdték használni asztrometriai célra azt a rádiócsillagászati technikát, amelyet eredetileg a rádiósugárzó égitestek szerkezetének nagy felbontású térképezésére fejlesztettek ki, az azt megelőző évtized vége felé. A módszer neve nagyon hosszú bázisvonalú interferometria (angol rövidítéssel VLBI), lényege pedig, hogy a Földön egymástól távol telepített rádióteleszkópok egyszerre figyelik az égi célpontot és adataikat kombinálják. A mérésekből – asztrofizikai célokra – megalkotható a rádióforrás képe, méghozzá a csillagászatban jelenleg elérhető legfinomabb felbontással. Ha pedig a forrás égi pozíciója, netán az antennáknak a Föld kérgén elfoglalt pontos helye a kérdés, akkor ezeknek a megmérésére is van lehetőség (3. ábra). Az előbbi a VLBI technika asztrometriai, az utóbbi a geodéziai alkalmazása. VLBI geodéziai módszerrel sikerült például először kimutatni, hogy bolygónkon a lemeztektonika nem csak a földtörténet régmúlt koraiban, de napjainkban is működő folyamat, a kőzetlemezek jellemzően évi néhány cm-es sebességgel változtatják helyüket egymáshoz képest.

Az asztrometriai célú VLBI mérések alapelve. A bázisvonal két végén elhelyezkedő antennákra egymáshoz képest valamekkora időkéséssel érkezik be a távoli kvazárról érkező rádióhullámfront. Ez az időkésés több mindentől függ, az antennák helyzetétől és rádióforrás égi irányától is. Többféle bázisvonalon, sok különböző objektumra végzett mérések alapján az állomások földi koordinátái akár néhány milliméteres, a kvazárok égi koordinátái pedig az ívmásodperc ezredrészének a töredékét is elérő pontossággal határozhatók meg. (Rajz: Andreas Brunthaler, http://www.vlbi-astrometry.org/vlbi2.png)

Rádiósugárzó kvazárok mint égi alappontok

Az aktív galaxismagok közé tartozó kvazárok, a VLBI megfigyelések tipikus célpontjai sok szempontból ideális választásnak tűnnek, mint égi viszonyítási pontok. Hatalmas teljesítményű rádiósugárzásuk a központi szupernagy tömegű fekete lyuk körül örvénylő, de végül oda be nem hulló, inkább a forgástengellyel párhuzamosan, a fényéhez közeli sebességgel kidobódó töltött részecskékből (plazmanyalábból) ered (4. ábra). A Tejútrendszer csillagaihoz képest a kvazárok sok nagyságrenddel távolabb vannak, fényüknek akár több milliárd évre lehet szüksége, mire eljut hozzánk. Így még ha a távoli galaxis centrumában a belső plazmanyaláb kiterjedése több tíz vagy száz fényévnyi is, abból a messzeségből rendszerint mégis igen kompaktnak látszik. Ugyancsak a hatalmas távolságok miatt a kvazárok évi parallaktikus elmozdulása kimutathatatlanul kicsi, és azt sem várjuk, hogy különösebb saját mozgásuk legyen.

Fantáziaképen egy rádiósugárzó aktív galaxismag plazmanyalábjai. (Forrás: NASA / CXC / M. Weiss, https://scitechdaily.com/images/Quasar-Jets-scaled.jpg)

Felismerve a kvazárok égi „hálózata” és a VLBI technika nyújtotta lehetőségeket, a Nemzetközi Csillagászati Unió (IAU) 1998-ban leváltotta az asztrometriai viszonyításként addig használt optikai csillagkatalógusokat, és mind a mai napig a rádiós módszerrel definiálja az égi vonatkoztatási rendszert. Az iskolai fizikaórákon Newton első törvényével kapcsolatban használt inerciarendszer legjobb gyakorlati megvalósítását kapjuk ezzel. Így például a Föld mint bolygó forgásának (vagyis a nap hosszának) folyamatos, apró változásait és a forgástengely billegését is ezzel a módszerrel, a távoli kvazárokra végzett VLBI mérésekkel tudjuk a legpontosabban meghatározni (5. ábra).

Az asztrometriai és geodéziai célú mérésekért felelős Nemzetközi VLBI Szolgálat (International VLBI Service for Astrometry and Geodesy, IVS) munkájában közreműködő obszervatóriumok hálózata a Föld térképén. (Forrás: IVS, https://ivscc.gsfc.nasa.gov/stations/ivsnetmap.tif)

Napjainkban is a rádiós égi vonatkoztatási rendszer számít hivatalosnak, 2019 óta immár a harmadik, javított kiadásban. A katalógus több mint 4 és félezer objektum pontos koordinátáit tartalmazza, közülük 303 kiválasztott kvazár feszíti ki a rendszert. Azonban lehet, hogy hamarosan – legalább részben – visszatérünk az optikai katalógusokhoz. Ha nem is a csillagokéhoz, de a kvazárokéhoz! Az Európai Űrügynökség (ESA) 2013 végén felbocsátott, ma is jól működő Gaia asztrometriai űrtávcsövével ugyanis nem csak a Tejútrendszer közel kétmilliárdnyi csillagának helyzetét és mozgását lehet feltérképezni, de kvazárokról is gyűjtenek adatokat, méghozzá milliószámra. A Gaia esetében szintén az ívmásodperc ezredrészénél is jóval kisebb pontosságokról van szó. Az űrszonda széles nemzetközi együttműködésben folyó tudományos programjában egyébként magyar csillagászok, intézetünk – az ELKH CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézete – munkatársai is részt vesznek.

És mégis mozog…

Az asztrometriai mérések pontossága – mind a VLBI révén a rádiótartományban, mind a Gaia révén az optikai tartományban – elérte azt a szintet, amikor például már a Naprendszer (és vele együtt a Föld) Tejútrendszer középpontja körüli mozgásának „lenyomatát” is meg tudjuk figyelni a távoli kvazárok látszólagos pozícióváltozásaiban. Ennek mértéke hihetetlenül kicsi, legfeljebb 5 milliomod ívmásodperc évente, attól függően, hogy milyen irányba nézünk.

Ilyen pontosságok mellett felértékelődik annak a szerepe, hogy maga a vonatkoztatási rendszer, azon belül pedig egy-egy adott viszonyítási pont helyzete valóban kellően stabil-e. Az egyes kvazárok ugyanis csak elvben mozdulatlanok. Legtöbbjük például néhány éves-évtizedes időskálán kitöréseket mutat, s ilyenkor a rádiószerkezetük akár drasztikusan megváltozhat: a plazmanyalábban új, fényes komponens jelenhet meg, mintegy „eltolva” a rádiósugárzó zóna középpontját az égen. Vagy fordítva, egy korábban markáns komponens elhalványodhat, fokozatosan el is tűnhet.

Nemrégiben egy kirívó mértékű anomáliára sikerült bukkanni a J1147+3501 jelű, közeli aktív galaxismag – történetesen nem is egy kvazár, hanem egy rádiógalaxis magja – esetében. A több évtizedre kiterjedő asztrometriai VLBI mérések sorozata azt mutatta, hogy valamikor 1999 és 2017 között a pozíciója „arrébb ugrott”, méghozzá nem is akármennyivel, mintegy 0,02 ívmásodperccel. Ez kicsinek hangzik ugyan, mégis nagyságrendekkel meghaladja a mérési pontosságot. Így nyomozásba kezdtünk, mi állhat a furcsa viselkedés hátterében. A szakirodalomból előásott publikációk, valamint archív VLBI adatokból elkészített térképek (6. ábra) alapján beigazolódott a gyanú, hogy a jelenséget a galaxismag belső rádiószerkezetének megváltozása okozta.

J1147+3501 jelű aktív galaxismag nagy felbontású VLBI rádióképe 1996-ból (balra) és 2017-ből (jobbra). A koordinátatengelyeken a rektaszcenzió (vízszintes) és deklináció (függőleges) relatív értékekkel, ezredívmásodperc (mas) egységekben van feltüntetve. A bal alsó sarokban látható ellipszis a hálózat irányfüggő felbontását érzékelteti. A galaxis „magja” a (0,0) pozícióban látható fényes folttal esik egybe. Tőle délkeleti irányban (balra lent) a kifelé tartó plazmanyaláb egy komponense vehető észre. Ez az intenzitást jelző szintvonalak tanúsága szerint 1996-ban még kompaktabb, és a magnál is fényesebb volt. Azonban 2017-re nem csak számottevően elmozdult, de kiterjedtebbé és halványabbá is vált. Ez a szerkezeti változás és fényességbeli átrendeződés jó összhangban van azzal a kb. 20 mas pozíciós eltéréssel, amely az asztrometriai mérésekben megjelent. (Forrás: Titov & Frey 2020)

A J1147+3501 esete jól példázza, hogy résen kell lenni, és nem szabad készpénznek venni, hogy a vonatkoztatási rendszert kijelölő aktív galaxismagok örök időkre megtartják látszólagos égi pozícióikat. Már csak emiatt is fontosak a rendszeres, folyamatos asztrometriai megfigyelések. Az ilyen esetekben pedig – mint a példánk is mutatja – a pozíciós változások kapcsán a galaxismagban lejátszódó érdekes asztrofizikai jelenségekre is fény derülhet.

Link: Titov, S. Frey (2020): An Apparent Jump in the Radio Position of J1147+3501. Research Notes of the American Astronomical Society, Vol. 4, 108

https://doi.org/10.3847/2515-5172/aba42c

Szerző: Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet / Svábhegyi Csillagvizsgáló

📸 Borító: Fantáziaképen egy rádiósugárzó aktív galaxismag plazmanyalábjai.
(Forrás: NASA / CXC / M. Weiss, https://scitechdaily.com/images/Quasar-Jets-scaled.jpg)

Érdekesnek találtad cikkünket? Hasonló cikk a témában: Rejtélyes kozmikus felfénylés nyomában az égen: AT 2019wey