SZEGEDI TUDOMÁNYEGYETEM Természettudományi és Informatikai Kar Fizika Doktori Iskola
Ph.D. értekezés tézisei Szupernagy tömegu˝ fekete lyuk kett˝osökre utaló jelek rádió-hangos aktív galaxismagok jeteiben
Szerz˝o: Kun Emma okleveles csillagász
Témavezet˝ok: Prof. Gergely Árpád László, egyetemi tanár, SZTE, Szeged Dr. Gabányi Krisztina Éva, tudományos munkatárs, MTA CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet, Budapest
Szeged 2017
1. Tudományos háttér A galaxisok fejl˝odésének elfogadott modellje szerint azok tömege akkréciós és ütközési fázisok sorozatában növekszik. A folyamat eredményeképpen a masszív galaxisok központjában szupernagy, a Nap tömegénél milliószor, milliárdszor nagyobb tömegu˝ fekete lyukak formálódtak, és némelyikük kett˝os rendszer tagja is lehet az ütközési folyamat hosszú id˝oskálája miatt. A fekete lyukba hulló anyag nem nulla impulzusmomentuma miatt akkréciós korong alakulhat ki körülötte. Az akkréciós korong hatékony tömeg-energia konverziója miatt jelent˝os energia szabadul fel, és a galaxis központi kompakt régiója aktívvá válik („active galactic nucleus”, AGN). Kozmológiai és galaxisfejl˝odési modellek alapján a kölcsönható galaxisok el˝ofordulási gyakoriságának csúcsát a kozmológiai vöröseltolódás 2 és 3 értékei között várjuk. Mivel ilyen távolságban a szub-parszek szeparációjú kett˝os AGN-ek térbeli felbontása a jelenlegi legjobb szögfelbontást biztosító csillagászati megfigyelési módszerrel sem lehetséges, azonosításukra közvetett módon, kett˝os AGN-ek, vagy aktív–passzív párok akkréciós korongja és jeteinek észlelései alapján kerülhet sor. Amikor a szupernagy tömegu˝ fekete lyuk kett˝os egyik tagja rádióhangos (a magányos AGN-ek körülbelül 10%-a ilyen), a rádió-hangosságáért felel˝os relativisztikus jet periodikus szerkezete hordozhat információt a jetet kibocsátó fekete lyuk gravitációs kölcsönhatásáról egy másik fekete lyukkal. Az aktív galaxismag jetek legjobb szögfelbontása a nagyon hosszú bázisvonalú interferometria („very long baseline interferometry”, VLBI) technológiáját megvalósító rádióteleszkóp hálózatokkal érhet˝o el. A korábbi évtizedekben a periodikus jetszerkezeteket szupernagy tömegu˝ fekete lyuk kett˝osökkel magyarázták. Hidrodinamikai és magnetohidrodinamikai szimulációk azonban megmutatták, hogy a plazmában megjelen˝o instabilitások is a jet helikális alakjához vezethetnek. Emiatt önmagában a periodikus jetszerkezet nem perdönt˝o a fekete lyuk kett˝osök azonosításában. PhD kutatásom jelent˝os részében a fenti bizonytalanság tisztázását céloztam meg. Az általam vizsgált jetekben észlelhet˝o periodicitások a bespirálozás fázisában lev˝o fekete lyuk kett˝osökkel konzisztensek. Ezen rendszerek gravitációs élettartama több ezer, vagy akár több millió év. Felvet˝odik a kérdés, hogy milyen folyamatokon keresztül tudnánk ennél is szorosabb kett˝osöket azonosítani. A várhatóan néhány évtizedes id˝oskálán összeolvadó szupernagy tömegu˝ fekete lyuk kett˝osök a 2030-as években megvalósuló LISA detektorral megfigyelhet˝o, alacsony frekvenciájú gravitációs hullámok potenciális forrásai. Az ilyen rendszerek független azonosítása fontos a gra-
1
vitációs hullámok paraméterbecslése szempontjából. Ebben a fekete lyukak végs˝o összeolvadását kísér˝o részecskefizikai folyamatok is segíthetnek. Az antarktiszi IceCube Neutrínó Obszervatórium által detektált, kozmikus eredetu˝ neutrínók forrásainak azonosítása intenzíven kutatott területe az asztro-részecskefizikának. A Pierre Auger és IceCube Kollaborációk tudósai felvetették, hogy a nagy energiájú neutrínók valószínu˝ forrásai aktív galaxismagok. Értekezésemben a szupernagy tömegu˝ fekete lyuk kett˝osök végs˝o összeolvadását követ˝o neutrínó emissziót is vizsgáltam.
2. Kutatási módszerek PhD munkám fontos részeként a relativisztikus jetek kinematikáját vizsgáltam azok több id˝opontban, VLBI technikával készült rádió interferométeres adatait feldolgozva. A VLBI interferométer hálózatokkal a forrás fényességeloszlásának Fourier transzformáltja válik ismertté, a vizibilitás függvény. F˝oként a „Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments” (MOJAVE) csoport rádió interferometriai adatait használtam fel. Ez egy 1994 óta folyamatosan muköd˝ ˝ o mérés, aminek célja minél több, az északi égbolton található aktív galaxismag jet rádió fényességének és polarizációs változásainak megfigyelése. Az észlelések a Very Long Baseline Array (VLBA) nevu˝ interferométerrel történnek, ami egy 10 db, egyenként 25 m átmér˝oju˝ rádióteleszkópból álló hálózat. A VLBA nagyon hosszú bázisvonalú interferometriát valósít meg, 1 milliívmásodpercesnél jobb szögfelbontást téve elérhet˝ové. A fényesebb (& 1 Jy) forrásokról két évtizedet átfogó, homogén és jó mintavételezésu˝ adatok érhet˝oek el. A MOJAVE csoport a megfigyelt források kalibrált vizibilitásait pár hónappal a mérések után letölthet˝ové teszi. A jetek térképezését és a kalibrált vizibilitás adatok modellillesztését a CalTech DIFMAP nevu˝ programcsomagjának segítségével végeztem el, ami szélesköruen ˝ használt rádióintenzitás térképek el˝oállítására, és rádió interferométerek méréseinek tudományos analízisére. A jetek fényességeloszlását két dimenziós, Gauss fényességprofilú komponensekkel modelleztem. A jet szerkezetének változását ezen komponensek paraméterein keresztül fejeztem ki. Kódot írtam C programozási nyelven, ami azt szimulálja, hogy hogyan változik a jet fluxussur ˝ usége ˝ és térbeli alakja adott bemen˝o paraméterek esetén, illetve, hogy a nyalábgerinc hogyan fejl˝odik az égboltra vetítve, amikor a jetalap kering˝o mozgást végez. A jetkomponsensek pozíciójának és integrált fluxussur ˝ uségének ˝ változása alapján határoztam meg a jet
2
viselkedésével konzisztens szupernagy tömegu˝ fekete lyuk kett˝os paramétereit. PhD kutatásom részeként az antarktiszi IceCube Neutrínó Obszervatórium által detektált kozmikus eredetu, ˝ nagy energiájú neutrínókkal is foglalkoztam. Az IceCube az Amundsen–Scott déli-sarki kutatóállomáson található, és az Antarktisz egy köbkilométer térfogatú jegét alkalmazza detektoranyagként. A földfelszín alatti detektorfüzérek körülbelül 2500 mes mélységig hatolnak le, és az elektron, valamint müon neutrínók jéggel való kölcsönhatásaiban keletkez˝o elektronok és müonok Cserenkov-sugárzására érzékenyek. Az IceCube Kollaboráció 55 nagy energiájú neutrínót detektált és tette publikussá ezek paramétereit. A sáv-típusú neutrínók érkezési irányát kereszt-korreláltam különböz˝o, aktív galaxismagokat tartalmazó katalógusokkal, a nagy energiájú neutrínók eredetét keresve.
3. Tézispontok 1. Bizonyítottam az extragalaktikus jetek némelyikének rádió spektrumában megjelen˝o alacsony energiás levágás („low energy cut-off”, LEC) és a központi szupernagy tömegu˝ fekete lyuk forgása közötti kapcsolatot. A LEC-kel rendelkez˝o pozitronpopuláció létrejöttét proton-proton ütközésekben keltett pionok bomlásán keresztül magyaráztam. Kiszámoltam a pionkeltéshez szükséges minimum proton energiát és sebességet, majd sebességük Maxwell-Boltzmann eloszlását feltételezve megadtam, hogy egy advekció dominált akkréciós korongban hol elegend˝oen magas a h˝omérséklet a LEC-kel rendelkez˝o pozitronpopuláció létrejöttéhez. Megmutattam, hogy a pionkeltés a jet indulási zóna közvetlen környezetében valósulhat meg, ahol a protonok ∼ 10%-nak a sebessége haladja meg a pionkeltéshez szükséges minimum értéket. Így LEC-kel rendelkez˝o pozitronpopuláció jelenik meg a jetben. (Kun és mtsai, 2013) 2. Olyan kering˝o fekete lyukat tartalmazó jet-kinematikai modellt dolgoztam ki, amely alkalmas a relativisztikus AGN jetek VLBI mérésekkel történ˝o tesztelésére. C programozási nyelven kódot írtam, amelynek bemen˝o paraméterei a helikális jet fél-nyílásszöge, térbeli irányultsága, illetve a fekete lyuk kett˝os dinamikáját meghatározó paraméterek. A program kimenetei a jet látszó fluxussur ˝ usége, ˝ valamint a térbeli, és az égbolt síkjára projektált alakja. Egy hipotetikus jet nyalábgerincének szimulációja alapján azt találtam, hogy a jetkomponensek integrált fluxussur ˝ usége ˝ és magszeparációja érzékenyen függ a jet inklinációjától, a fekete lyuk kett˝os teljes tömegét˝ol és tömegarányától.
3
3. Az S5 1928+738 jelu˝ kvazár közel 20 évet átfogó, a MOJAVE csoport által kalibrált uv-vizibilitásai alapján térképeztem a forrás VLBI jetét. A jet felületi fényességeloszlását kör alapú, Gauss fényességprofilú komponensekkel modelleztem, illetve megadtam az egyes jetkomponensek integrált fluxussur ˝ uségének, ˝ VLBI maghoz képesti relatív pozíciójának, és félértékszélességének az id˝obeli változását. A jet viselkedése alapján meger˝osítettem a jetalapnál sejtett szupernagy tömegu˝ fekete lyuk kett˝os jelenlétét. A jetet kibocsátó fekete lyuk spinjének precesszióját bizonyítottam tisztán VLBI mérések alapján, els˝oként a szakirodalomban. Megadtam a mérésekkel kompatibilis fekete lyuk kett˝os paramétereit (pályaperiódus T = 4, 78 ± 0, 14 év, kett˝os szeparáció r = 0, 0128 ± 0, 0003 pc, tömegarány ν ∈ [1/5 ÷ 1/3]), spin-pálya periódusát (TSO = 4852±646 év), és összeolvadásának gravitációs id˝oskáláját (TGR = (1, 44 ± 0, 19) × 106 év). (Kun és mtsai, 2014) 4. A PG 1302-102 jelu˝ kvazár jetének 17 évet átfogó, a MOJAVE csoport által kalibrált uv-vizibilitásait felhasználva vizsgáltam a jet parszek skálájú szerkezetét. Periodikus optikai fényváltozása alapján a kvazár szupernagy tömegu˝ fekete lyuk kett˝ost rejt, így rádió hullámhosszakon kerestem ennek a kett˝osnek a jeleit. A VLBA adatok mellett más rádió interferometrikus adatokat is feldolgoztam, a jet kiloparszekskálájú morfológiáját vizsgálandó. Meghatároztam a parszek skálájú rádió jet szerkezeti paramétereit. Ezek, és a newtoni pályaparaméterekre vonatkozó független becslések alapján a kett˝os tömegarányára alsó (ν ≥ 0, 08), spin-pálya precessziós periódusára és gravitációs élettartamára pedig fels˝o határt adtam meg (rendre TSO ≤ 1, 41×104 év és TGR ≤ 7, 2 × 106 év). (Kun és mtsai, 2015) 5. Szupernagy tömegu˝ fekete lyukak végs˝o összeolvadásán keresztül magyaráztam egy, az antarktiszi IceCube Neutrínó Obszervatórium által detektált nagy energiájú neutrínót. Korreláltam a Parkes katalógus lapos spektrumú AGN-einek, és a Kompakt Források Planck Katalógusának detektálásainak koordinátáit ezen neutrínók érkezési irányával. Azt találtam, hogy a PKS 0723-008 blazár az ID5 azonosítójú neutrínó esemény forrás-jelöltje. Megmutattam, hogy a hármas véletlen koordináta-egyezés valószínusége ˝ igen kicsi, 10−4 . A PKS 0723-008 irányából érkez˝o nagy energiájú neutrínó emisszióját, a forrás 2 cm-es rádió hullámhosszon mért fluxussur ˝ uségének ˝ növekedését és lapos spektrumát egy olyan forgatókönyvvel magyaráztam, amelyben két szupernagy tömegu˝ fekete lyuk végs˝o összeolvadását egy energetikus jet létrejötte követ. (Kun és mtsai, 2017)
4
4. Publikációk Az értekezésben felhasznált publikációk listája: 1. Kun E., Wiita P. J., Gergely L. Á., Keresztes Z., Gopal-Krishna, Biermann P. L., „Constraints on supermassive black hole spins from observations of active galaxy jets”, 2013, Astronomische Nachrichten, 334, 1024 2. Kun E., Gabányi K. É., Karouzos M., Britzen S., Gergely L. Á., „A spinning supermassive black hole binary model consistent with VLBI observations of the S5 1928+738 jet”, 2014, MNRAS, 445, 1370 3. Kun E., Frey S., Gabányi K. É., Britzen S., Cseh D., Gergely L. Á., „Constraining the parameters of the putative supermassive binary black hole in PG 1302–102 from its radio structure”, 2015, MNRAS, 454, 1290 4. Kun E., Biermann P. L., Gergely L. Á., „A flat spectrum candidate for a track-type high energy neutrino emission event, the case of blazar PKS 0723-008”, 2017, MNRAS Letters, 466, 34 Az értekezésben nem felhasznált, de annak témájához köthet˝o publikációk listája: 1. Gabányi K. É, Frey S., Xiao T., Paragi Zs., An T., Kun E., Gergely L. Á., „A single radio-emitting nucleus in the dual AGN candidate NGC 5515”, 2014, MNRAS, 443, 1509 2. Roland J., Britzen S., Kun E., Henri G., Lambert S., Zensus A., „Structure of the nucleus of 1928+738”, 2015, A&A, 578, 86 3. De Rosa A., Bianchi S., Bogdanovi´c T., Decarli R., Herrero-Illana R., Husemann B., Komossa S., Kun E., Loiseau N., Paragi Z., PerezTorres M., Piconcelli E., Schawinski K., Vignali C., „Multiple AGN in the crowded field of the compact group SDSS J0959+1259”, 2015, MNRAS, 453, 214 4. Mohan P., An T., Frey S., Mangalam A., Gabányi K. É., Kun E., „Parsecscale jet properties of the quasar PG 1302-102”, 2016, MNRAS, 463, 1812 5. Biermann P. L.,Caramete L. I., Fraschetti F., Gergely L. Á., Harms B. C., Kun E., Lundquist J. P., Meli A., Nath B. B., Seo E.-S., Stanev T., Becker Tjus, J., „The Nature and Origin of Ultra-High Energy Cosmic Ray Particles”, 2016, arXiv:1610.00944 5
A PhD jelölt egyéb publikációi: 1. Kun E., Sódor Á., Jurcsik J., Hurta Zs., Nagy I., K˝ovári Zs., Posztobányi K., Kovács G., Vida K., Belucz B., IBVS, 5859, 2008 2. Jurcsik J., Hurta ZS., Sódor Á., Szeidl B., Nagy I., Posztobányi K., Váradi M., Vida K., Belucz B., Dékány I., Hajdu G., K˝ovári ZS., Kun E., MNRAS, 397, 350, 2009 3. Jurcsik J., Sódor Á., Hajdu G., Szeidl B., Dózsa Á., Posztobányi K., Smitola P., Belucz B., Fehér V., K˝ovári Zs., Kriskovics L., Kun E., Molnár L., Nagy I., Vida K., Görög N., MNRAS, 423, 993, 2012 4. Sódor Á., Jurcsik J., Molnár L., Szeidl B., Hurta Zs., Bakos G. Á., Hartman J., Béky B., Noyes R.W., Sasselov D., Mazeh T., Bartus J., Belucz B., Hajdu G., K˝ovári Zs., Kun E., Nagy I., Posztobányi K., Smitola P., Vida K., ASPC, 462, 228, 2012 5. Sódor Á., Hajdu G, Jurcsik J., Szeidl B., Posztobányi K., Hurta Zs., Belucz B., Kun E., MNRAS, 427, 1517, 2012 6. Hajdu G., Jurcsik J., Sódor Á., Szeidl B., Smitola P., Belucz B., Posztobányi K., Vida K., Kun E., AN, 333, 1074, 2012 7. Jurcsik J., Smitola P., Hajdu G., Pilachowski C., Kolenberg K., Sódor Á., Furész ˝ G., Moór A., Kun E., Saha A., Prakash P., Blum P., Tóth I., 2013, ApJ, 778, 27 8. Jurcsik J., Smitola P., Hajdu G., Sódor Á., Nuspl J., Kolenberg K., Furész ˝ G., Moór A., Kun E., Pál A., Bakos J., Kelemen J., Kovács T., Kriskovics L., Sárneczky K., Szalai T., Szing A., Vida K., 2015, ApJS, 219, 25
6
