Újszülött kvazárok, avagy hogyan gyullad be egy galaxismag?

Csillagvizsgáló Svábhegyi

A rádióégbolt világítótornyai azok az aktív galaxismagok, amelyek közepén egy szupernagy tömegű fekete lyuk anyagot fog be a környezetéből, s ennek hatására nagy teljesítménnyel sugározni kezd. Ez a fajta aktivitás akár évmilliókig is eltarthat. De hogyan kezdődik az egész? Erre a kérdésre keresi a választ egy most folyó nagyszabású égboltfelmérés.

Rádiókvazárok
A kvazárok távoli galaxisok centrumában találhatók. Ha optikai távcsövekkel figyeljük meg őket, csillagszerűnek tűnnek. Eredetileg a rádiótartományban fedezték fel ezeket az izgalmas objektumokat, immár közel 60 évvel ezelőtt. Nevük is innen származik: csillagszerű rádióforrás, angolul quasi-stellar radio source, röviden quasar, vagy magyarosan leírva kvazár. Nem sokkal később kiderült, hogy nem csak rádiósugárzó fajtájuk létezik, sőt ezek vannak kisebbségben. Nagyjából tízszer annyi található olyanokból, amelyek nem bocsátanak ki erős rádiósugárzást.

Amelyek viszont igen, azok a rádiótartományban azért annyira fényesek, mert a központi fekete lyuk nem csak bekebelezi a körülötte örvénylő, felforrósodott anyagot, hanem a fénysebességhez közeli sebességre gyorsított, töltött részecskékből álló plazmanyaláb hagyja el a fekete lyuk környezetét. A mágneses erővonalak körül spirálozó, a forgástengely mentén két átellenes irányban kilökődő részecskék szinkrotronsugárzást bocsátanak ki, amelynek jelentős hányada a rádiótartományba esik. Ezt tudjuk mi megfigyelni a földi rádiótávcsöveinkkel – akár hatalmas távolságokból, szinte a belátható „világ végéről”.

Fantáziakép egy a központi fekete lyuk környezetéből rádiósugárzó nyalábokat kibocsátó aktív galaxismagról. (Forrás: Sophia Dagnello, NRAO / AUI / NSF)

A plazmanyalábok kilövelléséért felelős fekete lyukak tömege akár a Nap tömegének több milliárdszorosát is kiteheti. „Üzemanyagukat” meglehetősen jó hatásfokkal képesek hasznosítani, ugyanis hatalmas sugárzási teljesítményük fenntartása érdekében elegendő évente néhány naptömegnyi anyagot elfogyasztaniuk. Azonban akármilyen szerény diétát is tartanak látványos életmódjuk fenntartásához, a közvetlen környezetükből egyszer csak elfogy az anyag, amelyet magukhoz tudnak vonzani. A csillagászok számításai szerint a nagyra – akár az anyagalaxisuk határain is túlra – nőtt rádiógalaxisok és kvazárok élettartama a több millió évet is elérheti, de az aktív kor természetesen nagyban függ az adott galaxisban uralkodó körülményektől. A fekete lyuk persze a nyugalmas időszakokban is a helyén marad, ezért ha valamilyen esemény folytán újra kellő mennyiségű anyag kerül a közelébe, látványos aktivitása ismét beindulhat.

Még ha léteznek is az évmilliós időskálához képest sokkal rövidebb időn át ragyogó rádiósugárzó aktív galaxismagok, eddig az volt az általánosan elterjedt nézet, hogy emberi léptékkel mérve egy-egy kvazár rádiócsendes vagy rádióhangos besorolása nem változik. Ezt a képet árnyalja egy izgalmas tavalyi felfedezés, amelyet az Egyesült Államokban működő híres – már több mint 40 éve épült, de még mindig a csillagászati műszerek nemzetközi élvonalába tartozó – VLA (Very Large Array) rádióteleszkóp-hálózattal tettek.

Az interferométeres elven működő VLA rádiótávcső-hálózat Y alakban elhelyezett 27 darab 25 m-es átmérőjű antennából áll, amelyek távolságát változtatni is tudják. Az eltérő konfigurációkban más-más az elérhető felbontás. A leglátványosabb fotókon a VLA kompakt, D jelű elrendezését szoktuk látni, ilyenkor a legtöbb antenna belefér a fényképezőgép látómezejébe. (Forrás: NRAO / AUI / NSF)

Kvazár születik
A csillagászati megfigyelőműszereket egyrészt érdekesnek tűnő egyedi objektumok tanulmányozására, másrészt a belátható égbolt felmérésére lehet használni. Nem kivételek ez alól a rádiócsillagászati műszerek sem. A VLA-val elérhető nagy érzékenység, a többféle megfigyelési hullámhossz, szögfelbontás és látómező különösen alkalmassá teszi a hálózatot az efféle szisztematikus feltérképezésekre. Az ilyen adatbázisok aztán valóságos kincsesbányát jelentenek a csillagászok számára, hiszen olyan váratlan felfedezésekhez segíthetik hozzá a tudományt, amelyekről korábban nem is álmodhattak.

A VLA-val végzett egyik legjelentősebb korábbi felmérés az 1,4 GHz-es frekvenciát használó FIRST (Faint Images of the Radio Sky at Twenty-centimeters) volt. Ez viszonylag jó (5 ívmásodperces) felbontással megalkotta az égbolt tíz és félezer négyzetfokos területének rádiótérképét. A FIRST megfigyeléseit 1993 és 2011 között végezték. A VLA műszerezettsége, vevőberendezései 2012-ben megújultak. Az amerikai Nemzeti Rádiócsillagászati Obszervatórium (NRAO) munkatársai pedig elhatározták, hogy a rendelkezésükre álló értékes megfigyelési időből áldoznak egy új égboltfelmérésre is. Így született meg a VLASS (VLA Sky Survey) projekt, amelynek ambiciózus célja a teljes égbolt mintegy 80%-ának felmérése, méghozzá nem is egyszer, hanem egymást követően háromszor. Ehhez összesen hét évre lesz szükség. A munka 2017-ben meg is kezdődött, az első körön már túl vannak, most folyik a felmérés második szakasza. A VLASS mérésekhez magasabb (3 GHz körüli) frekvenciát használnak, az érzékenysége és a felbontása is jobb, mint a FIRST esetében volt.   

Egyetlen időpontban természetesen csak egy statikus képet kaphatunk az égboltról. A megismételt felmérések viszont megteremtik a lehetőségét, hogy változásokat is megfigyeljünk. Maguknak az ismert égi rádióforrásoknak a jelentős része eleve változó fényességű. Ilyenek például a kvazárok is, amelyek plazmanyalábjainak legbelső része kis, legfeljebb fényévekben mérhető kiterjedésű, mégis igen nagy teljesítménnyel sugároz rádiótartományban. De egy felmérés „pillanatfelvételén” felbukkanhatnak addig ismeretlen rádióforrások, amelyek jó része csak rövid ideig marad látványos. Ezek az ún. tranziens jelenségek. Ilyen lehet például egy szupernóva-robbanás, egy gamma-kitörés, két neutroncsillag összeolvadása, vagy egy ún. árapály-katasztrófa, amikor egy hatalmas fekete lyuk szétszakít és bekebelez egy hozzá végzetes közelségbe került csillagot. Az ilyen égi események megpillantásához némi szerencse is kell, hiszen adott esetben csak nagyon rövid ideig, akár csupán napokig vagy hetekig figyelhetők meg, aztán elhalványulnak. De az égbolt 80%-a elég nagy terület ahhoz, hogy elcsíphessenek rajta izgalmas jelenségeket. A VLASS a becslések szerint 10 millió egyedi rádióforrást katalogizál majd.

Egy amerikai kutatócsoport az első körben kapott VLASS eredményeket hasonlította össze a korábbi FIRST felmérés katalógusával. Az égi rádióforrások „szénakazlában” olyan „tűket” kerestek, amelyek újonnan felfénylő aktív galaxismagoknak felelnének meg. Mintegy 2000 olyan rádióforrást találtak, amelyek még nem voltak láthatóak a jellemzően két évtizeddel korábban készült felmérésben, pedig a most mért fényességük alapján már akkor is látni kellett volna azokat – feltéve, ha ott lettek volna. Más, a látható és infravörös tartományban készült katalógusokkal összevetve ezek közül 26 bizonyult olyannak, amely gyaníthatóan valamilyen galaxismaggal azonosítható. Közülük 14-et további, immár célzott, még nagyobb felbontást nyújtó, több eltérő frekvencián végzett VLA megfigyeléseknek vetettek alá. Ezek alapján pedig állítják, hogy frissen beinduló plazmanyalábokról van szó. Vagyis egy új rádiókvazár akár legfeljebb egy-két évtized leforgása alatt felbukkanhat az égen.

Alul három példa a VLA új égboltfelmérésében felbukkanó rádiósugárzó aktív galaxismagok közül, felül pedig azok hűlt helye a mintegy két évtizeddel korábban végzett FIRST felmérésben. (Forrás: Kristina Nyland és munkatársai 2020; Sophia Dagnello, NRAO / AUI / NSF

A központi fekete lyuk környezetéből kiinduló nagy energiájú plazmanyalábok jelentős hatással lehetnek magának a galaxisnak a fejlődésére, amelynek belsejében találhatók. Egyes helyeken beindíthatják a csillagkeletkezés új hullámát. Máshol éppenséggel megakadályozhatják azt, a csillagközi gáz hatékony eltávolítása, „kifújása” révén. Ezeknek a folyamatoknak a pontos részleteit még ma sem ismerjük, így a most felfedezett újszülött rádiókvazárok részletes tanulmányozása hasznos adalékokkal szolgálhat a kutatásokhoz. Most először sikerülhet már a kezdetektől nyomon követni, hogy alakul egy galaxisnak és plazmakifúvással rendelkező aktív magjának a bonyolult párkapcsolata. A kutatások természetesen csak most indulnak be igazán. Egyrészt még nagyobb felbontást nyújtó rádióinterferométeres hálózatokkal igyekeznek bepillantani a most felfedezett, frissen beindult kvazárok belsejébe, másrészt megpróbálják őket más – infravörös, optikai, röntgen – hullámsávokban is megfigyelni. A még folyamatban levő új VLA égboltfelmérés pedig garantáltan szolgál majd egyéb meglepetésekkel is.

Még mindig nagyon fiatalnak számító – de a mostaniakhoz képest szinte már „öreg”, néhány száz vagy ezer évvel korábban indult aktivitású – rádióforrásokat az ELKH CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetében mi magunk is tanulmányozunk rádióinterferométeres technikával. Már említettünk is ilyet egy korábbi blogbejegyzésünkben, de ígérjük, hogy lesz még szó róluk a közeljövőben is! 

Linkek:
Kristina Nyland és munkatársai (2020): Quasars That Have Transitioned from Radio-quiet to Radio-loud on Decadal Timescales Revealed by VLASS and FIRST. Astrophysical Journal, 905, 74
https://doi.org/10.3847/1538-4357/abc341
(szabadon hozzáférhető változatban: https://arxiv.org/abs/2011.08872)

A VLA FIRST égboltfelmérés
http://sundog.stsci.edu/

VLASS, a megújított VLA-val jelenleg is folyó égboltfelmérés
https://science.nrao.edu/vlass

Negyven éves a világ legnépszerűbb rádiócsillagászati műszeregyüttese (csillagaszat.hu, 2020. október)
https://www.csillagaszat.hu/hirek/technikai_ujdonsagok/tu-foldi-tavcsovek/negyven-eves-a-vilag-legnepszerubb-radiocsillagaszati-muszeregyuttese/

Új égboltfelmérés indult a rádiótartományban (csillagaszat.hu, 2017. szeptember)
https://www.csillagaszat.hu/hirek/technikai_ujdonsagok/tu-foldi-tavcsovek/uj-egboltfelmeres-indult-a-radiotartomanyban/

Új távolsági rekord a rádiósugárzó kvazároknál (Svábhegyi Csillagvizsgáló blog, 2021. március)
https://www.svabhegyicsillagvizsgalo.hu/blog-post/uj-tavolsagi-rekord-a-radiosugarzo-kvazaroknal/

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

📸 A Borítóképen: Kvazár fantáziaképe, Forrás: Wolfgang Steffen, Institute for Astronomy, UNAM, Mexikó