Új távolsági rekord a rádiósugárzó kvazároknál

Csillagvizsgáló Svábhegyi

Március elején bejelentették, hogy megtalálták az eddig ismert legtávolabbi rádiósugárzó aktív galaxismagot. Ez a kvazár az Ősrobbanás után alig 800 millió éves korba enged visszatekintést. Már maga a tény, hogy akkoriban ilyen objektumok egyáltalán léteztek, fejtörést okoz a kutatóknak.

Kvazárok a „világ végén”

A Világegyetem 13,8 milliárd évvel ezelőtt született, anyaga mostanára változatos formákba rendeződött, a bolygóktól a csillagokon át a galaxisokig vagy a galaxishalmazokig – hogy csak a legismertebbeket említsük. Izgalmas kérdés, hogy egy-egy objektumtípus első képviselői az Univerzum történetének mely korszakában jelenhettek meg először. Az aktív galaxismagok önmagukban is igen különleges és ritka objektumok, a rádiósugárzók pedig különösen azok. A becslések szerint átlagosan mintegy kétmillió „szokványos” spirálgalaxisra és elliptikus galaxisra jut egy rádiókvazár.

A Hubble-űrtávcső egyik nevezetes, hosszú (összesen több mint 11 napos) expozíciós idővel készített felvételén (Hubble Ultra Deep Field) mintegy tízezer galaxis látható hozzánk viszonylag közel és nagyon távol, a tér egy kiválasztott, látszólag jelentéktelen irányában. A rádióhangos kvazárok olyan ritkák, hogy nem biztos, ennyi közé akár egy is bekerülhet közülük. (Forrás: NASA / ESA / S. Beckwith (STScI ) / HUDF Team) https://imgsrc.hubblesite.org/hvi/uploads/image_file/image_attachment/9937/full_jpg.jpg

De mik azok a kvazárok? Olyan galaxismagok, amelyek hatalmas sugárzási teljesítményéért a bennük levő szupernagy tömegű fekete lyuk felel, amely anyagot gyűjt be a környezetéből. A szuper jelző ez esetben tényleg nem túlzás, hisz ezek a fekete lyukak akár tízmilliárd naptömegűre is hízhatnak. Hihetetlen teljesítményükhöz egyébként, amellyel túl tudják ragyogni a nekik otthont adó teljes galaxist, elég lehet mindössze néhány naptömegnyi anyagot bekebelezniük évente.

A kvazárokat eredetileg a rádiósugárzásuk alapján fedezték fel, az 1960-as évek elején. Kiderült, hogy a látható fény tartományában csillagszerűnek (vagyis pontszerűnek, nem kiterjedtnek) tűnnek az égen. Az ezt körülíró angol elnevezésükből (quasi-stellar radio source, csillagszerű rádióforrás) származik a napjainkra már elterjedtté vált kvazár kifejezés. A név olyan népszerű lett, hogy elkezdték használni olyan csillagszerűnek látszó aktív galaxismagokra is, amelyek a rádiótartományban nem is feltűnőek. Az ilyenekből sokkal több, mintegy tízszer annyi található – amit persze még mindig nem nevezhetünk túl gyakorinak.

A rádiókvazárokra visszatérve, ezek rádiósugárzása a központi fekete lyuk környezetéből kidobódó anyagnyalábokból ered. A fekete lyuk ugyanis nem feltétlenül kebelez be mindent a körülötte örvénylő, felforrósodó, ionizált anyagból. A plazma egy része az anyagbefogási korongra merőleges irányban, az erős mágneses tér hatására elhagyhatja a rendszert. Elektromosan töltött, a mágneses erővonalak mentén kifelé spirálozó, a fénysebességet megközelítő gyorsasággal repülő részecskékről van szó. Ez a plazma szinkrotronsugárzást bocsát ki, az pedig jórészt a rádiótartományba esik, ezért is tudjuk megfigyelni e kvazárokat a rádiótávcsöveinkkel.

Egy rádiókvazár hozzávalói: a központi szupernagy tömegű fekete lyuk körül örvénylő anyagbefogási korong, és a rá merőlegesen, két ellentétes irányban kilövellő anyagsugarak. (Fantáziakép: ESO / M. Kornmesser) https://cdn.eso.org/images/large/eso2103a.jpg

Az elmúlt években egyre több nagyon távoli kvazárt sikerült felfedezni, a mind érzékenyebbé váló csillagászati távcsöveknek és a nagyszabású égboltfelméréseknek köszönhetően. De honnan tudjuk, hogy milyen messze vannak a kvazárok? A csillagászati megfigyelőműszereink valójában „időgépek”, amelyekkel a régmúltba pillanthatunk vissza. A fény – és más elektromágneses hullámok, például a rádiósugárzás – terjedési sebessége ugyanis véges. A Nap fénye csak alig több mint 8 percet utazik, amíg elér hozzánk a Földre, a távoli galaxisoké és kvazároké azonban sokkal többet. Eközben a Világegyetem általános tágulása miatt minden hosszúság, így az általuk kibocsátott elektromágneses sugárzás hullámhossza is egyre csak növekszik. Mire elér a távcsöveinkbe, a jellegzetes színképvonalaknak a hullámhossza is megnyúlik. Ezt nevezzük vöröseltolódásnak, amelyet a színképek elemzésével mérni tudunk, s amelynek a mértéke utal arra, milyen messziről utazott az a bizonyos fény.

Közel 7-es vöröseltolódás

Távolságrekorder rádiókvazárt fedeztek fel erős anyagkilövellésekkel  – olvashattuk a tudósításokban egy új csillagászati kutatási eredmény nyomán, amelynek a híre még a napi sajtóba is eljutott. Ennek a kvazárnak a katalógusjele PSO J172.3556+18.7734. A számok az objektum égi koordinátáira, a betűk a Pan-STARRS1 (Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System) égboltfelmérésre utalnak. De maguk a felfedezést bejelentő nemzetközi kutatócsoport tagjai is röviden csak P172+18 néven emlegetik. Színképvonalainak mért vöröseltolódása 6,82, ami azt jelenti, hogy az Univerzum tágulása miatti megnyúlás majdnem 7-szer akkora, mint maga az eredeti, a Földön mérhető hullámhossz! Ez annyit tesz, hogy a jelenleg elfogadott kozmológiai modellünk szerint az Ősrobbanás után még csak alig 800 millió év telt el, amikor a P172+18 most észlelt fénye (és persze rádiósugárzása) elindult felénk. Ez emberi léptékkel mérve soknak tűnik, de Földünk korának mindössze egyötöde.

Ahogy új adatokhoz jutnak a csillagászok, a távolsági rekordok időnként megdőlnek – sokszor éveket, néha csak hónapokat kell várni az újabb bejelentésig. A rádiókvazárok közül a kettővel korábbi rekorder egyébként jó tíz évig tartotta magát, 6,2-es vöröseltolódás-értékkel. Idén januárban 6,44-ra emelkedett a csúcs, majd nem sokkal később 6,82-ra. Meglehet, hogy a következő csúcstartó is hamarosan felbukkan. Persze ez nem sportverseny, a rekordok mögött fontos, igazából még megválaszolatlan tudományos kérdések húzódnak meg. Egyáltalán meddig tekinthetünk még vissza a múltba, amíg ilyen rádiókvazárokat láthatunk? Mikor és hogyan alakulhattak ki a Világegyetem első szupernagy tömegű fekete lyukai, és mikor kezdtek anyagot befogni a környezetükből, majd plazmanyalábokat kilövellni onnan? A P172+18 „motorját” jelentő fekete lyuk becsült tömege mintegy 300 millió naptömeg, és nagy ütemben hízik. De vajon hogy kezdte pályafutását, és mióta ilyen aktív?

Fiatal rádiókvazárok a fiatal Univerzumban

A P172+18 felfedezését jelentő publikáció megjelenésével egy időben a kutatócsoport beszámolt a kvazár rádiószerkezetét feltérképező mérésekről is. Ezt az amerikai VLBA (Very Long Baseline Array) interferométerrel végezték, amely tíz darab, egyenként 25 m átmérőjű rádiótávcső együtt dolgozó hálózata. Az Észak-Amerikában, valamint a Karib-szigeteken és Hawaii-n telepített rádiótávcsövekkel a felbontóképesség szempontjából olyan nagy képzeletbeli műszert lehet előállítani, mint az egyes antennák közötti, akár sok ezer km-es távolság. Az alkalmazott technika neve nagyon hosszú bázisvonalú interferometria (angol rövidítéssel VLBI), és segítségével még az ilyen távoli rádiósugárzó kvazárokban is akár mindössze tíz fényéves nagyságrendű struktúrákat lehet feltérképezni.

A VLBA egyik antennája, a háttérben pedig a tíz elemből álló rádiótávcső-hálózatban létrehozható 45 különböző interferométeres bázisvonal ábrázolása a Földről készített műholdképre rajzolva. (Forrás: NRAO) https://science.nrao.edu/facilities/vlba/images/VLBASiteplottedonBlueMarble_wPaths_small.jpg

A P172+18 természetesen igen halvány, hiszen borzasztóan messze van tőlünk, mégis sikerült detektálni a VLBA-val. A megfigyelések arra engednek következtetni, hogy egy nagyon fiatal, talán csak kb. ezer éve „beindult” plazmakifúvást látunk – mindez, ne feledjük, a több mint 13 milliárd éves régmúltban történt!

A P172+18 rádióképe a VLBA interferométerrel, 1,5 GHz frekvencián készült és a plazmanyaláb kb. 170 × 60 fényéves kiterjedésű részét mutatja. Magasabb (5 GHz-es) frekvencián a rádióforrás már túl halványnak bizonyult a detektáláshoz. (Forrás: E. Momjian és társai 2021, NRAO / AUI /NSF) https://public.nrao.edu/wp-content/uploads/2021/03/nrao21df03_VLBA_close.jpg

Az ilyen távoli, halvány rádiókvazárok feltérképezése nagy kihívás a VLBI hálózatok számára. Emlékszem, amikor 2000 környékén felfedezték az első 6-ot megközelítő vöröseltolódású rádiókvazárt – az akkori távolsági csúcstartót –, nehezen akarták elfogadni az Európai VLBI Hálózathoz (EVN) benyújtott megfigyelési javaslatunkat. Szerencsére végül – még ha első körben csak részben is – megtették, így egy magyar vezetésű csoportnak sikerült először megpillantania egy ennyire távoli, halvány objektum nagyfelbontású rádióképét. Az azóta eltelt években még három újabb rekordert tanulmányoztunk az EVN-nel, és egész hasonló következtetésekre jutottunk, mint most a P172+18 kvazárt vizsgáló csoport: itt bizony fiatal, mindössze néhány száz vagy ezer éve ennyire aktív galaxismagokról lehet szó.

https://www.csillagaszat.hu/wp-content/uploads/2008/05/20080509-kulonos-kvazar-j1427-01.jpg

A képen: Egy egykori távolsági csúcsartó, a J1427+3312 jelű kvazár (vöröseltolódás: 6,12) rádióképe 2007-ben az EVN-nek készült, 1,6 GHz frekvencián. Két komponenst detektáltunk, távolságuknak az égboltra eső vetülete mintegy 520 fényévnek felel meg. A koordinátatengelyek – vízszintesen a rektaszcenzió, függőlegesen a deklináció – szögértékekben vannak skálázva, a számok ezredívmásodperceket (mas) jelölnek a fényességi csúcs helyzetéhez képest. Ebből és az 5 GHz-en végzett mérésből akkor is a rádiószerkezet fiatal korára lehetett következtetni. (Forrás: Frey S. és társai 2008)  

Egy kutatót mindig elégedettséggel tölt el, ha a korábbi eredményeit később más, újabb mérések is alátámasztják. Még nagyobb öröm, ha hivatkoznak is rájuk, mint ahogyan azt a mostani csapat megtette öt, 2003 és 2014 között megjelent publikációnkat is idézve.

Amikor a legelső – akkor nagyon távolinak számító, de ma már tudjuk, hogy az egyik legközelebbi – kvazárt, a 3C 273 jelűt felfedezték 1963-ban (színképvonalainak vöröseltolódása „mindössze” 0,158), hatalmas sugárzási teljesítménye komoly fejtörést okozott a csillagászoknak. Azóta többé-kevésbé megértettük, hogyan működnek a rádiókvazárok, bár a részletek még bőven szolgának kutatni valóval. Napjainkra megközelíti az egymilliót az ismert – nem csak rádiósugárzó – kvazárok száma. De a vadászat az egyre távolabbi, a Világegyetem történetének hajnaláról hírt adó objektumokra tovább folytatódik. A cél, hogy egyszer megérthessük az első szupernagy tömegű fekete lyukak kialakulásának, aktivitásuk beindulásának módját, és azt, hogy milyen befolyással voltak ezek a különleges objektumok a körülöttük levő formálódó galaxis további sorsára.

A többek között a legtávolabbi rádiókvazárok vizsgálatára irányuló kutatómunkánkat a Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetben jelenleg a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal („Fiatalon és aktívan – rádiósugárzó galaxismagok a legfinomabb szögfelbontással”, OTKA K134213) támogatja.

Linkek:

Bañados E. és társai (2021): The discovery of a highly accreting, radio-loud quasar at z=6.82. Astrophysical Journal, megjelenés alatt (https://arxiv.org/abs/2103.03295)

Momjian E. és társai (2021): Resolving the Radio Emission from the Quasar P172+18 at z=6.82. Astronomical Journal, megjelenés alatt (https://arxiv.org/abs/2103.03481)

Távolságrekorder rádiókvazárt fedeztek fel erős anyagkilövellésekkel (csillagaszat.hu, 2021. március)
https://www.csillagaszat.hu/hirek/tavolsagrekorder-radiokvazart-fedeztek-fel-eros-anyagkilovellesekkel/

Különös kvazár a „világ végén” (csillagaszat.hu, 2008. május)
https://www.csillagaszat.hu/hirek/extragalaktikus-csillagaszat-hirek/exg-aktiv-galaxismagok/kulonos-kvazar-a-vilag-vegen/

 

Tetszett a cikkünk? Feltétlenül olvasd el a témában korábbi cikkünket is! 
Az egyik legtávolabbi kvazár üzen nekünk a Világegyetem pereméről!

Szintén a témában izgalmas élő előadással vár Frey Sándor és Steinmann Vilmos vasárnap este: 
Ami a szemnek láthatatlan – rejtőzködő égitestek rádiótávcsöves kalandjai

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