Hogyan hal meg egy galaxis?

0:00 Élő és halott galaxisok

Ha ma körülnézel a világegyetemben, kétféle galaxist látsz. Az egyik fajta él. Kék, spirálkarjaiban gázfelhők sűrűsödnek, és újra meg újra új csillagok gyúlnak ki bennük. Ilyen a mi Tejútrendszerünk is. A másik fajta halott. Sima, vöröses, jellegtelen csillagfelhő.

0:19 Évmilliárdok óta alig született benne új csillag. Csak a régiek öregszenek, hűlnek és halványulnak, mint a parázs egy kialudt tábortűzben. A csillagászok „vörös és halott” galaxisoknak hívják őket. Valami megölte ezeket a galaxisokat. A fő gyanúsított a saját szívükben ül: a szupermasszív fekete lyuk. Ebben a részben nyomozást indítunk. Megnézzük a bizonyítékokat a gyanúsított ellen, egy árulkodó nyomot a saját galaxisunk felett, és azt is, miért nem biztos, hogy mindig ő a tettes. Ez A Föld története, a 8. rész.

1:02 Miért fontos ez a Földnek?

Az előző részben láttuk, hogy a szupermasszív fekete lyukak meglepően korán, meglepően nagyra nőttek. Most azt nézzük meg, mit tettek a galaxisaikkal. Ez a Föld szempontjából egyáltalán nem mellékes. A Nap 4,6 milliárd évvel ezelőtt csak azért születhetett meg, mert a Tejútrendszer akkor is élő galaxis volt, tele csillagkeletkezésre kész gázzal. Ha a mi galaxisunkat korábban érte volna utol a halál, nem lenne Nap, nem lenne Föld, és mi sem lennénk.

1:30 Csillagnak látszó szörnyek

1:34 1963. A holland származású Maarten Schmidt egy kaliforniai óriástávcsővel egy különös rádióforrást vizsgál, a 3C 273-at. Egy halvány, csillagnak látszó pont. A színképében viszont olyan vonalak vannak, amik semmilyen ismert elemre nem illenek. Aztán rájön a megoldásra. Ezek a jól ismert hidrogénvonalak, csak 16 százalékkal hosszabb hullámhosszra tolódva. Vagyis ez nem egy csillag a Tejútrendszerben. A fénye nagyjából kétmilliárd évig utazott hozzánk. És ha ilyen messziről is látszik, akkor valójában elképesztően fényes: több fényt sugároz, mint a mi galaxisunk összes csillaga együttvéve. Az ilyen tárgyakat kvazárnak nevezték el. A név azt jelenti: hogy „kvázi-csillag”, vagyis csillagszerű.

2:20 És hamar kiderült egy másik furcsaságuk is: a fényességük napok, hetek alatt is észrevehetően megváltozhat. Egy tárgy nem tud gyorsabban felfényesedni, mint ahogy a fény átér rajta. Ha egy lámpasor egyik végét felkapcsolod, a másik végén csak később látod a változást. Vagyis ez a galaxisnyi fény egy galaktikus léptékben parányi, nagyjából naprendszernyi térrészből jön.

2:42 Ma tudjuk, mi hajtja őket: egy falatozó szupermasszív fekete lyuk. A beléje spirálozó gáz egy forró, örvénylő korongot alkot, és vakítóan izzik, mielőtt eltűnne az eseményhorizont mögött. És ez a világegyetem leghatékonyabb erőműve.

2:59 A világegyetem leghatékonyabb erőműve

Amikor a Nap magjában hidrogénből hélium lesz, az üzemanyag tömegének kevesebb mint egy százaléka alakul energiává. A fekete lyuk körüli korongban ugyanez az arány tíz százalék körül van, és akár ennél is több. Ugyanabból az üzemanyagból tehát a fekete lyuk akár tízszer-ötvenszer több energiát présel ki. A legfényesebb kvazárok ezerszer fényesebbek lehetnek, mint a Tejútrendszer összes csillaga.

3:23 A fegyver: szél, fény és sugár

3:25 Hogyan ölhet meg egy galaxist valami, ami a galaxis tömegének csak töredéke? A kulcs a gáz. A gáz a csillagok üzemanyaga. Ha egy galaxisból eltűnik a hideg gáz, vagy olyan forró lesz, hogy nem tud összesűrűsödni, nem születhet új csillag. A galaxis nem robban fel, egyszerűen csak kiéhezik. És a fekete lyuknak van hozzá elég ereje. Egy kis számolás: ha egy fekete lyuk a galaxis központi csillagtömegének néhány ezrelékére hízik, és közben a befalt anyag tíz százaléka energiává alakul, akkor a felszabaduló energia akár több százszorosa annak, ami a galaxis összes gázának kiszakításához kellene. Elég, ha a felszabaduló energia egy kis része a gázt találja el.

4:04 A fekete lyuk kétféleképpen veheti el az üzemanyagot. Az egyik a kvazárszél: a korong sugárzása és a belőle induló anyagáramlás másodpercenként több száz, akár több ezer kilométeres sebességgel söpri ki a gázt. A másik a tartósabb, lassabb mód: a fekete lyuk két oldalán kilövellő anyagsugarak, úgynevezett jetek, forró buborékokat fújnak a környező gázba, és újra meg újra felmelegítik. Az egyik a gázt kidobja, a másik nem engedi kihűlni. Az eredmény ugyanaz.

4:35 Egy tetten ért gyilkosság

2024-ben a James Webb űrtávcsővel Francesco D'Eugenio és kollégái tetten értek egy ilyen gyilkosságot. Az áldozatot nagyjából kétmilliárd évvel a Nagy Bumm utáni állapotában látjuk. A benne lévő szupermasszív fekete lyuk másodpercenként nagyjából ezer kilométeres szelet fúj, ami évente több tíz Nap tömegnyi gázt visz ki, többet, mint amennyiből a galaxis csillagokat tudna gyártani. Később rádiótávcsövekkel sem találtak benne hideg gázt. A galaxis nem egyetlen csapástól halt meg, hanem apránként, ismétlődő kitörések alatt éhezett ki.

5:07 Honnan tudjuk? A fekete lyuk, ami énekel

2002-ben a Chandra röntgen-űrtávcső 53 órán át figyelte a nagyjából negyedmilliárd fényévre lévő Perseus-galaxishalmaz közepét. A halmazt forró, röntgenben világító gáz tölti ki. A felvételen ebben a gázban szabályos, koncentrikus fodrok látszottak, mint a hullámok egy tóban, ha követ dobsz bele. Andrew Fabian és csapata szerint ezek a hanghullámok, amiket a központi fekete lyuk által felfújt buborékok keltenek. A hang magasságát is kiszámolták: egy B hang, ötvenhét oktávval a zongora középső C-je alatt. Ez több mint egymillió milliárdszor mélyebb, mint a legmélyebb hang, amit az emberi fül még meghall. Miért fontos ez a kozmikus mélybasszus? Mert ennek a gáznak elvileg ki kellene hűlnie, és rengeteg új csillagot kellene alkotnia a halmaz közepén.

5:52 De mégsem teszi. A fekete lyuk termosztátként működik: a hanghullámok és a buborékok folyamatosan fűtik a gázt.

5:58 Honnan tudjuk? Egy túl szép összefüggés

6:00 2000-ben két csapat egymástól függetlenül ugyanarra jutott. Az egyiket Laura Ferrarese és David Merritt vezette, a másikat Karl Gebhardt. Az eredmény: minél nagyobb egy galaxis központi, gömb alakú csillagtömege, az úgynevezett dudor, és minél gyorsabban mozognak benne a csillagok, annál nehezebb a közepén ülő fekete lyuk. A fekete lyuk tömege nagyjából a dudor tömegének néhány ezreléke. Ez azért döbbenetes, mert a fekete lyuk gravitációja csak a galaxis legbelső, parányi részét uralja. A dudor távoli csillagai elvileg nem is „tudnak” róla. Mintha egy stadion méretéből meg lehetne mondani, mekkora a középkezdőponton heverő pénzérme. Ha két dolog ennyire összefügg, de közvetlenül nem hatnak egymásra, akkor valami összeköti a történetüket.

6:45 A legelfogadottabb magyarázat a visszacsatolás: a fekete lyuk és a galaxis ugyanabból a gázból táplálkozik, és amikor a fekete lyuk túl nagyra nő, a szele leállítja mindkettőjük növekedését. Mint egy önszabályozó fűtés.

6:58 Együtt fejlődnek, vagy sem?

Legyünk azonban őszinték: van, aki szerint az összefüggés részben a galaxisok sokszoros egybeolvadásainak statisztikai mellékterméke. Az egyik legismertebb áttekintő cikk címe is ezt a kérdést teszi fel: együtt fejlődnek, vagy sem? A Webb ráadásul nagyon korán is talált halott galaxisokat. Egy másik galaxisban már akkor is alig születtek új csillagok, amikor a világegyetem nagyjából 800 millió éves volt csak. A közepén egy négyszázmillió Napnyi, a csillagaihoz képest szokatlanul nagy fekete lyuk ül, és a felfedezők szerint lehet, hogy ennek a működése fojtotta vissza a csillagkeletkezést.

7:34 Nyom a saját galaxisunk felett

És most egy nyugtalanító kérdés: mi a helyzet a saját fekete lyukunkkal? Az előző részben láthattuk: a Sagittarius A* ma csendes. Alig eszik, a közelébe jutó gáznak csak töredékét nyeli el, és csak apró felvillanásokkal hívja fel magára a figyelmet. De mindig ilyen szerény volt?

7:52 Honnan tudjuk? Buborékok a Tejútrendszer felett

2010-ben Meng Su, Tracy Slatyer és Douglas Finkbeiner a Fermi gamma-űrtávcső adataiban két gigantikus buborékot talált. A galaxis középpontjából indulnak, az egyik felfelé, a másik lefelé, és mindkettő nagyjából 25 ezer fényévnyire nyúlik a korong síkja fölé, illetve alá. Az egész szerkezet tehát nagyjából félakkora, mint maga a Tejútrendszer korongja. 2020-ban az eROSITA röntgentávcső még nagyobb buborékpárt mutatott ki körülöttük. Mi fújhatta fel őket? Két gyanúsított van: egy korábbi falatozási hullám a központi fekete lyuknál, vagy egy heves csillagkeletkezési kitörés a galaxis közepén. A felfedezők szerint az esemény az elmúlt nagyjából tízmillió évben történhetett.

8:35 Egy felvillanás 3,5 millió éve

Egy másik nyom a Magellán-áramlatból jön, abból a gázszalagból, ami a Tejútrendszer két kísérőgalaxisától nyúlik el. Joss Bland-Hawthorn és munkatársai 2019-ben azt találták, hogy egyes részei túlságosan ionizáltak, mintha egy erős fénycsóva érte volna őket a galaxis közepéből. A modelljeik szerint ez a felvillanás nagyjából 3,5 millió éve történt, plusz-mínusz egymillió év. Ekkor Afrikában már két lábon jártak az emberelődeink. Ha ez igaz, a Sagittarius A* akkor egy rövid időre egészen más arcát mutatta.

9:08 Hol tartunk?

Hol tartunk? Az nagyon valószínű, hogy a mi fekete lyukunk a közelmúltban is aktívabb volt, mint ma. Hogy a buborékokat ő fújta-e, vagy a csillagkeletkezés, arról még vita van.

9:19 Nem ő az egyetlen gyilkos

Most nézzük meg a teljes képet. A fekete lyuk a legfőbb gyanúsított a legnagyobb galaxisok halálában, különösen a fiatal világegyetemben. A legtöbb galaxis azonban valószínűleg nem így hal meg. 2015-ben Yingjie Peng, Roberto Maiolino és Rachel Cochrane egy ügyes trükkel nagyjából 26 ezer galaxist vizsgált meg. Ha egy galaxisból hirtelen kisöprik a gázt, a csillagai összetétele megdermed. Ha viszont csak az utánpótlás szűnik meg, a galaxis még évmilliárdokig feléli a maradék gázt, és közben egyre több nehéz elemet halmoz fel. A halott galaxisok csillagaiban több nehéz elemet találtak, mint az azonos tömegű élőkben. A következtetésük: a közepes méretű galaxisok többsége lassan, nagyjából négymilliárd év alatt fullad meg.

10:03 Fojtogatás, nem lövés.

10:05 De ki vágja el az utánpótlást? Ebben is több gyanúsított van. A nagyon nehéz sötétanyag-halókban, amikről a 6. részben volt szó, a beáramló gáz lökéshullámokban több millió fokosra hevül, és mint egy termoszban, nem tud lehűlni. A fekete lyuk ezt a forró gázt csak melegen tartja. De vannak más tettesek is.

10:23 Medúzagalaxisok és ütközések

Ha egy galaxis egy halmaz forró gázán száguld át, a menetszél kifújja belőle a gázt, ahogy a viharos szél letépi a sálat a nyakadról. Az ilyen galaxisok gázcsápokat húznak maguk után, ezért medúzagalaxisoknak hívjuk őket. Két galaxis ütközése pedig egyetlen nagy kitörésben elégetheti a gáz nagy részét. Az ütközésekről a 10. részben lesz szó, mert a Tejútrendszer sem ártatlan. A tanulság: a galaxisok halálában gyakran több tettes dolgozik együtt, és a fekete lyuk sokszor nem is a gyilkos, hanem a tettestárs, aki gondoskodik róla, hogy az áldozat ne támadjon fel soha többé.

10:57 Mi vár a mi galaxisunkra?

Mi a helyzet hát velünk? A Tejútrendszer ma is él: évente nagyjából egy-két Nap tömegnyi új csillag születik benne. De egy 2011-es elemzés szerint a mi galaxisunk és az Androméda is az élő kék és halott vörös galaxisok közötti átmeneti zónában lehet, és a csillagkeletkezés bennük a következő néhány milliárd évben nagyrészt leállhat. A szerzők maguk is óvatos, előzetes eredménynek nevezték. Ezt tudjuk: a fekete lyukak képesek galaxisokat megfojtani, és a legnagyobbak halálában főszerepet játszanak. Ez a valószínű: a mi fekete lyukunk is kitört a közelmúltban. Erről viszont vita van: mennyire általános ez a gyilkossági mód, és mennyire fejlődnek együtt a galaxisok és a fekete lyukaik.

11:38 A Nap egy élő galaxisban született, a legjobbkor. Egy halott galaxisban nem lett volna hozzá üzemanyag.

11:45 A következő részben

Az élő galaxisokban a csillagok nemcsak születnek, hanem meg is halnak. És a haláluk nem veszteség. A legnagyobbak szupernóvaként robbannak fel, és közben olyan elemeket szórnak szét, amelyek a kezdetekkor még nem léteztek. A következő részben a csillagok kohójába nézünk, és megtudjuk, honnan jön az az elem, ami most minden szívverésedkor kering benned: a vas a véredben.