Csúcsműszerekkel tesztelik Einsteint

2013.02.04. 7:40

Csillagászok véleménye szerint végrehajtható az, ami eddig képtelenségnek tűnt: meg akarják vizsgálni a Tejútrendszer középpontjában lakozó óriás fekete lyukat. Ehhez a világ összes létező és tervezett rádiótávcsövének összefogására, összehangolt működésére van szükség.

A fekete lyukak természetükből adódóan láthatatlanok. Nem azért, mintha tényleg feketék lennének - az ilyen egzotikus objektumok esetében a színnek nincs is értelme -, hanem azért, mert az általános relativitáselmélet szerint bezáródik körülöttük a téridő. Gravitációs hatásuknak köszönhetően jelenlétük mégis kimutatható. Mint arról röviden már beszámoltunk, a csillagászok most egy eddig lehetetlennek tartott dologra vállalkoznak: szeretnék közvetlenül megfigyelni a fekete lyuk határát jelentő úgynevezett eseményhorizontot.

Erre a célra hozzák létre az Eseményhorizont-távcsövet (EHT, Event Horizont Telescope). Nem építik, hanem létrehozzák, mert az EHT valójában nem egyetlen műszer, hanem többségében már létező, kisebb részben épülő és tervezett rádiótávcsövek szinkronizált működtetését jelenti. A szinkronizált működtetés jól ismert, ez az úgynevezett hosszú bázisvonalú interferometriát (VLBI) jelenti. Egymástól távoli rádiótávcsövek ugyanazt az objektumot figyelik, a megfigyeléseket atomi pontosságú időjelekkel együtt rögzítik, majd összejátsszák. Az EHT azért újszerű, mert a megfigyeléseket kiterjeszti a milliméteres és milliméternél rövidebb (szubmilliméteres) hullámhosszak tartományára, továbbá azért, mert a részt vevő rádiótávcsövek szinte az egész Földet behálózzák.

Forrás: EHT
Az általános relativitáselmélet szerint a fekete lyukat övező árnyéknak kör alakúnak kell lennie (középső kép). Ha sérül az úgynevezett kopaszsági elv (lásd a szövegben), akkor az árnyék összenyomott (balra) vagy elnyúlt (jobbra) alakú lehet. Az EHT-észlelésekkel ellenőrizhető lesz a relativitáselméletnek ez az előrejelzése

A nyolc meglévő és a négy épülő, illetve tervezett rádiótávcső-rendszer felsorolása az EHT honlapján található, cikkünkben csak képekkel mutatunk be néhányat közülük. A rendszer lelke a chilei Atacama-sivatagban épülő nemzetközi rádiótávcső-rendszer, az Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) lesz. Az ALMA részlegesen már működik, de teljes üzembe helyezése csak ez évben várható.

Forrás: ALMA
Az ALMA rádiótávcső-rendszer

Az EHT-megfigyelések számára két elsődleges célpontot jelöltek ki. Az egyik a Tejútrendszer középpontjában található (a Nyilas, azaz a Sagittarius csillagképben látszó) SgrA* jelű, mintegy négymillió naptömegű fekete lyuk. Ennek környezete a jóval kiterjedtebb, nagyon erős rádióforrásként régóta ismert SgrA. Az EHT-hez csatlakozó rádiótávcsövek közül hárommal a közelmúltban 1,3 mm hullámhosszon végzett megfigyelések szerint az SgrA* (látszó) átmérője 37 milliomod ívmásodperc (ekkorának látszana egy narancs a Hold távolságában), ami közel 26 000 fényévnyi távolságát figyelembe véve 44 millió km-es átmérőnek felel meg, vagyis az óriás fekete lyuk kényelmesen elférne a Merkúr pályáján belül. (Jóval kisebb tehát, mint a nemrég bejelentett, 17 milliárd naptömegű gigantikus társa, amely jóval a Plútó pályáján túlra érne.) Az EHT másik célpontja sokkal messzebb van: az 53 millió fényévre lévő, M87 jelű szuperóriás elliptikus galaxis középpontja. Bár ez jóval messzebb van, az ott található fekete lyuk jóval nagyobb, nem kevesebb mint 6 milliárd naptömegű.

Forrás: CSO
A Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) szubmilliméteres rádiótávcsöve, a Caltech Submillimeter Observatory (CSO)
. A 10,4 méter átmérőjű antenna a Hawaii-szigetek Mauna Kea csúcsán - számos nagy optikai távcső szomszédságában - 4070 méter tengerszint fölötti magasságban dolgozik

Az EHT észleléseinek tudományos céljai közül az első az általános relativitáselmélet ellenőrzése. Az elmélet folyományaként kimutatták, hogy mindössze három tulajdonsága egyértelműen jellemez egy fekete lyukat: a tömege, az impulzusmomentuma (perdülete) és az elektromos töltése. Minden más információ arról az anyagról, amely felépíti a fekete lyukat, elérhetetlen a külső szemlélő számára (ez az úgynevezett "nincs haj-tétel" vagy kopaszsági elv). Az elméleti fizikusok szerint a fekete lyuk körül a téridő erős görbülete sötét árnyékot hoz létre, amelyet fényes fotongyűrű övez. A relativitáselmélet szerint az árnyék nagyjából kör alakú. Ha sikerülne megfigyelésekkel kimutatni, hogy az árnyék valóban kör alakú, az a relativitáselmélet megerősítését jelentené. Az árnyék átmérője a fekete lyuk tömegével arányos, így megfigyelése a tömeg közvetlen becslésére adna lehetőséget.

Forrás: Mmarray
A Kaliforniában működő CARMA rádiótávcső-rendszerhez 
hat darab 10,4 méteres, kilenc 6,1 méteres és nyolc 3,5 méter átmérőjű antenna tartozik, a rendszer a milliméteres tartományban dolgozik 2200 méter magasságban

A másik tudományos célkitűzés a tömegbefogásnak (idegen szóval akkréciónak) nevezett jelenség részleteinek pontos megismerése. A fekete lyuk roppant erejű tömegvonzásával magához ragadja, és végül beszippantja a környező anyagot. Végül ismert, hogy egyes galaxisok magjából nagy sebességű gázáramok (jetek) lövellnek ki. Feltételezik, hogy létrejöttüknek köze lehet a fekete lyukhoz, kialakulásuk pontosabb megértését is segítheti az EHT.

Forrás: LMT
A mexikói-amerikai közös működtetésű Large Millimeter Telescope (
LMT) épülő antennája 2009-ben Mexikó Puebla államában, 4600 méter magasságban (Sierra Negra). A 2011 óta működő rádiótávcső 50 méteres átmérőjével a milliméteres hullámhossztartományban a világ legnagyobb antennája

Az eseményhorizont-távcső működéséhez komoly műszaki feltételeket kell teljesíteni. Minél nagyobb rendszert kell kiépíteni a meglévő távcsövek és rendszerek összekapcsolásával, mert minél távolabbi távcsöveket kapcsolnak össze a VLBI technikával, annál jobb szögfelbontás érhető el. Növelni kell az észlelési frekvenciát (vagyis az egyre kisebb hullámhosszak elérése a cél, a milliméteres hullámoktól a szubmilliméteresek felé haladva szintén nő a felbontóképesség). Nem utolsósorban a detektorokban egyre korszerűbb elektronikát kell alkalmazni.

Forrás: ESO
Az Eseményhorizont-távcső távolabbi célpontja az M87 óriás elliptikus galaxis a Szűz (Virgo) csillagképben, 53 millió fényév távolságban. A galaxis magjában rejtőző fekete lyuk 6 milliárd naptömegű

Bár az EHT egyelőre csak terv, a majdani közreműködő műszerek közül némelyek összekapcsolásával már születtek érdekes felfedezések. Említettük már az SgrA* korábbinál sokkal pontosabb megfigyelését. Megállapították, hogy az SgrA* anyagbefogási korongjára inkább az éle felől látunk rá. Kimutatták, hogy az SgrA* fényességének változásai a fekete lyuk közvetlen közeléből erednek. Megfigyelték a leendő távolabbi célpontot is, és bebizonyították, hogy az M87 közepén található fekete lyuk forog. Az ALMA rendszer üzembe állítását követően - remélhetőleg - ugrásszerűen megnő az érdekes felfedezések száma.