Élet és tudomány

Visszanézni tizenhárom milliárd évre - Kvazárbébi

Megjelent az Élet és tudomány 2009. májusi számában

Írta: Frey Sándor

Első látásra meglehetősen száraznak tűnik a J1427+3312 jelölés. De az égitest amit takar, igencsak érdekes: ez a jelenleg ismert legtávolabbi rádiósugárzó kvazár. Egy tíz rádióteleszkópból álló, világméretű hálózattal sikerült a lehető legjobb felbontással feltérképeznünk rádiószerkezetét. Kiderült, hogy a kvazár két közeli komponensből áll.

Amikor a most észlelt elektromágneses sugárzás elhagyta e különleges kvazárt, a 13,5 milliárd évesnek gondolt világegyetem még csak alig 900 millió éves volt. A csillagászok erre az égitest látható fényben mért színképvonalainak vöröseltolódásából következtetnek. Maga a mérőszám (szokásos jelöléssel z) az eltolódás mértékének és az eredeti, laboratóriumban mért hullámhosszaknak az aránya. A hullámhosszak a világegyetemmel együtt tágulnak; minél messzebb van egy kvazár vagy galaxis, színképvonalai annál inkább eltolódnak a nagyobb hullámhosszak felé. A szóban forgó, különösen távoli kvazár esetén z=6,12. Ez annyit tesz, hogy amíg fénye elért hozzánk, az univerzumban minden távolság 6,12-szeresére növekedett.

Rádióforrás az égen

A kvazárok olyan aktív galaxismagok, amelyeknek a sugárzása egy központi, akár több milliárd naptömeggel egyenértékű fekete lyuk közvetlen közeléből érkezik. A kisugárzott hatalmas energiaforrása a szupernagy tömegű fekete lyukba behulló anyag. Ennek egy része a forgástengely mentén két ellentétes irányban elhagyja a centrumot. Az erős mágneses térben kifelé spirálozó, elektromosan töltött részecskék a Földön is észlelhető rádiósugárzást bocsátanak ki. A távoli kvazár feltételezett kis mérete miatt volt remény arra, hogy a lehető legfinomabb felbontással is „látható” legyen a szerkezete.
Napjainkban alig több, mint húsz olyan kvazárt ismerünk, amelyeknek a vöröseltolódása megközelíti vagy meghaladja a z=6 értéket. Ezekből is mind­össze kettőnek észlelhető viszonylag erős rádiósugárzása. (Az „erős” jelző azért a szó hétköznapi értelmében túlzó: a rádióteleszkópokba érkező sugárzás teljesítménye egységnyi frekvenciatartományban, négyzetméterenként mindössze 10-29 watt. Nyilván nem a kozmikus rádióforrásokból érkező energia begyűjtésével oldjuk majd meg az emberiség energiagondjait…) Bár ez a minta még elég kicsi, de figyelemre méltó, hogy a hozzánk közelebbi kvazároknak is körülbelül 10%-a tartozik a „rádió-hangos” kategóriába.
Csoportunk az Európai VLBI Hálózattal (EVN) kísérelte meg feltérképezni a J1427+3312 rádiószerkezetét. A VLBI a nagyon hosszú bázisvonalú interferometria kifejezés angol megfelelőjének (Very Long Baseline Interferometry) a rövidítése. A rádió-interferométeres mérések során térben egymástól távol telepített rádióteleszkópok egyidőben ugyanazt az égi rádióforrást figyelik. Az egyes antennáknál rögzített adatok később visszajátszhatók, számítógéppel kombinálhatók. Az így létrehozott interferencia révén – legalábbis a rendszer szögfelbontását tekintve – egy akkora képzeletbeli rádiótávcső „állítható elő”, mint amekkora a hálózatban levő egyes antennák közötti legnagyobb távolság. Az EVN csak nevében európai, valójában még annál is nagyobb: a mérésekhez használt tíz antenna közül kettő Kínában, egy a Dél-afrikai Köztársaságban helyezkedik el. Az antennákkal két különböző frekvencián, 5 GHz-en (2007. március 3.) és 1,6 GHz-en (2007. március 11.) egyenként 7-7 órán át figyelték meg a halvány célpontot, valamint az égen közel ugyanabban az irányban látszó, de sokkal közelibb és fényesebb kvazárokat. Ez utóbbiakra a rendszer pontos kalibrációjához volt szükség. Az adatok utólagos feldolgozására, az interferencia előállítására az EVN központjában (Európai VLBI Intézet, JIVE, Dwingeloo, Hollandia) került sor.
Az eredmény: a kvazár mindkét rádiófrekvencián detektálható volt. Az 5 GHz-es mérések (1. ábra) esetén az interferométer felbontása körülbelül 2 ezred ívmásodperc, ami a J1427+3312 távolságában szűk 40 fényévnek (!) felel meg. A detektálás ténye tehát megerősítette, hogy a rádiósugárzás valóban igen kis térrészből ered, és nem valamilyen nagyobb kiterjedésű rádiósugárzó felhőből. A magasabb, 5 GHz-es frekvencián a kvazár lényegesen halványabb, mint 1,6 GHz-en. Ezért már a megtalálása is nagy fegyvertény.
A másik, 1,6 GHz-es rádiókép (2. ábra) igazi meglepetése, hogy a fényesebb komponenstől dél-délnyugati irányban egy másik, halványabb és valamivel kiterjedtebb folt is látszik. A kvazár kettős szerkezete és rádiószínképe alapján kísértetiesen hasonlít egy, a közelebbi univerzumban is viszonylag ritkán előforduló típusra. Ezeket a rádiósugárzó aktív galaxismagokat kompakt szimmetrikus objektumoknak (angol rövidítéssel: CSO) hívják. A név nem szorul különösebb magyarázatra: méretük kicsi, megjelenésük (nagyjából) szimmetrikus. Legjobb tudásunk szerint a CSO-k azért kicsik, mert még fiatalok, fejlődésük elején tartanak. Komponenseik egymástól távolodnak, s egyszer, ha megérik, talán óriási rádiógalaxisok válnak belőlük. Azért is ismerünk keveset ebből a fajtából, mert egy igen rövid fejlődési szakaszt képviselnek.

Távoli gyerekkor

Az ismert CSO-k jellemzően z=1 alatti vagy ahhoz közeli vöröseltolódásúak. Különlegességük, hogy körülbelül évtizedes vagy hosszabb VLBI megfigyelés-sorozatokkal néhányuk tágulási sebességét is sikerült pontosan meghatározni. Komponenseik távolodásából időben visszafelé számolva megbecsülhető „születésük” ideje is. A számok azt mutatják, hogy ezek az aktív galaxismagok alig néhány ezer, vagy csupán néhány száz éve mutatkoznak ebben a formában! Vagyis még emberi léptékkel mérve is fiataloknak mondhatók. Az egyelőre csak gyanú, hogy a J1427+3312, a jelenleg ismert legtávolabbi rádiósugárzó kvazár is ilyen „gyerekkorú” CSO. (Jó lenne idővel a tágulását is megmérni, de ehhez néhány évnyi vagy évtizednyi türelem kell.) Újabb és újabb csillagászati megfigyelésekkel a közeljövőben egyre több távoli halvány kvazár – köztük a rádiótartományban is észlelhetők – vöröseltolódását sikerül majd megállapítani optikai színképvonalaik alapján. Könnyen lehet, hogy nagy felbontással majd sokuk a mostanihoz hasonló képet mutat.
Eddig az eredmények. Ráadásképp a kedves olvasó talán nem bánja, ha bepillanthat az eredmények eléréséhez vezető folyamat néhány érdekes részletébe.
Az égbolt tele van ismert, halvány rádióforrásokkal. Ezek egy része (egyes becslések szerint nem is kevés) épp olyan, mint az itt bemutatott igen távoli kvazár. Csakhogy általában nem tudunk semmit a tőlünk mért távolságukról! Ennek oka, hogy nem ismerjük a látható fényben felvett színképvonalaik vöröseltolódását – egyszerűen azért, mert a feladatra alkalmas, és persze más izgalmas feladatokra is használt óriás optikai távcsövekkel képtelenség az egész égboltot felmérni. A csillagászok általában valamilyen „trükkhöz” folyamodnak, hogy a rengeteg objektum közül kiválogassák a leg­ígéretesebb jelölteket. Ezek némelyikéről azután a részletes vizsgálatok valóban bebizonyítják, hogy igen nagy a vöröseltolódásuk.

A versenyfutás

Amikor 2006 végén megjelent a J1427+3312 mint rekordnagyságú z=6,12 vöröseltolódással rendelkező kvazár felfedezését közlő cikk, rögtön beindítottuk a „gépezetet”, hogy mihamarabb megfigyelhessük a legnagyobb felbontást nyújtó VLBI technikával is. Szinte biztosak voltunk benne, hogy – halványsága ellenére – detektálni tudjuk majd, vagyis egy aktív galaxismaghoz illően rádiósugárzása egy szűk térrészből indul hozzánk. A korábbi „rádiós” távolsági csúcstartóval (J0836+0054, z=5,8) kapcsolatban voltak már kedvező tapasztalataink (ÉT 2003/44), s érvelésünk az EVN bírálóbizottságát is meggyőzte.
A VLBI hálózat használatára ugyanis nyílt pályázati felhívások útján van mód. (Az EVN-t alkotó rádióteleszkópok működtetését, s különösen a tagországaiból származó kutatók munkáját az Európai Unió is támogatja.) Évente három alkalommal lehet javaslatokat beadni, s kedvező elbírálás esetén a rádiótávcsövek – ha minden technikai feltétel adott – előbb-utóbb elvégzik a méréseket. A tudományos „hasznosítás” egy évig a javaslattevők kizárólagos joga. Utána az adatok nyilvános, bárki által hozzáférhető archívumba kerülnek.
Mérési programunk története röviden a következő. Javaslatbeadás: 2006. október; elfogadás: 2006. december; a megfigyelések megtervezése: 2007. február; a VLBI megfigyelések elvégzése: 2007. március. Az interferencia utólagos előállítását, az úgynevezett korrelálást követően juthattunk a feldolgozandó adataikhoz, ami 2007 júniusáig megtörtént.
A csillagászok is emberek, mindenféle határidőkkel, kötelezettségekkel. Munkájukhoz például éles versenyben, pályázatok útján kell támogatást szerezniük, majd a teljesítésről beszámolókat írniuk. Eredményeiket konferenciákon, szakmai folyóiratokban kell közzétegyék, miközben többféle témával, adott esetben egyetemi hallgatókkal is foglalkoznak. Mindezt csak azért soroljuk fel, hogy saját magunkat is meggyőzzük: az a bő fél év, amíg nem mélyedtünk bele az új adatok elemzésébe, nem is olyan hosszú idő…
A tudomány általában – ahogy mondani szokás – „nem lóverseny”. Mégis,  előbb-utóbb minden kutatót elérhet az a sors, hogy valaki más megelőzi. Ez annyit tesz, hogy más előbb közli lényegében ugyanazt az eredményt egy tekintélyes, lektorált nemzetközi szakfolyóiratban. Talán nem szükséges hangsúlyozni, hogy ez igen keserű érzés! Nos, majdnem ilyesmi történt velünk is. Időközben ugyanis egy amerikai kutatócsoport – nyilván a miénkhez hasonló javaslattal – meggyőzte az amerikai VLBI hálózat (VLBA) illetékes bírálóit. Ők 2007 júniusában (tehát már a mi EVN megfigyeléseink után) kaptak lehetőséget. Igaz, hogy velünk ellentétben nem két, hanem csak egy frekvencián (1,4 GHz) vették célba a J1428+3312-t, de fennállt a „veszélye”, hogy megelőznek bennünket az eredmények közzétételében. Az események utólagos rekonstruálása alapján valóban kiderült, hogy egymástól függetlenül, szinte fej fej mellett haladtunk. Ők az elkészült cikküket az Astronomical Journal című amerikai szaklaphoz, mi az európai Astronomy & Astrophysics folyóirathoz küldtük be. Végül – sportnyelven szólva – a célfotó döntött mellettünk: a mi munkánkat 19 nappal előbb fogadták el közlésre, mint az amerikaiakét! Ebben közrejátszott a folyóirat szerkesztőjének és a cikk – számunkra egyébként ismeretlen – bírálójának a gyors, igényes munkája is.

Bármilyen izgalmas is, a kutatás lényege mégsem a versenyfutás. Inkább az, hogy hiteles, ellenőrizhető módon minél több darabkát illesszünk össze abból a hatalmas kirakós játékból, ami a körülöttünk levő világ megismeréséhez vezet. (Ebből a szempontból a párhuzamos kutatások megnyugtató hozadéka, hogy eltérő úton, de ugyanarra az eredményre jutottunk!) Az emberiségnek e közös „játékában” a két kutatócsoport immár egyesített erővel – együtt kidolgozott további megfigyelési programmal – folytatja a munkát. Így hamarosan további részleteket deríthetünk ki a legtávolabbi ismert rádiósugárzó kvazárról.