SZEGEDI TUDOMÁNYEGYETEM Természettudományi és Informatikai Kar Fizika Doktori Iskola Ph.D. értekezés tézisei Szupernagy tömegű fekete lyuk kettősökre utaló jelek rádió-hangos aktív galaxismagok jeteiben Szerző: Kun Emma okleveles csillagász Témavezetők: 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 fejlődésének 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 tömegű fekete lyukak formálódtak, és némelyikük kettős rendszer tagja is lehet az ütközési folyamat hosszú időskálája miatt. A fekete lyukba hulló anyag nem nulla impulzusmomentuma miatt akkréciós korong alakulhat ki körülötte. Az akkréciós korong hatékony tömeg-energia konverziója miatt jelentős energia szabadul fel, és a galaxis központi kompakt régiója aktívvá válik ( active galactic nucleus, AGN). Kozmológiai és galaxisfejlődési modellek alapján a kölcsönható galaxisok előfordulási gyakoriságának csúcsát a kozmológiai vöröseltolódás 2 és 3 értékei között várjuk. Mivel ilyen távolságban a szub-parszek szeparációjú kettős AGN-ek térbeli felbontása a jelenlegi legjobb szögfelbontást biztosító csillagászati megfigyelési módszerrel sem lehetséges, azonosításukra közvetett módon, kettős AGN-ek, vagy aktív passzív párok akkréciós korongja és jeteinek észlelései alapján kerülhet sor. Amikor a szupernagy tömegű fekete lyuk kettős egyik tagja rádióhangos (a magányos AGN-ek körülbelül 10%-a ilyen), a rádió-hangosságáért felelős 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 érhető el. A korábbi évtizedekben a periodikus jetszerkezeteket szupernagy tömegű fekete lyuk kettősökkel magyarázták. Hidrodinamikai és magnetohidrodinamikai szimulációk azonban megmutatták, hogy a plazmában megjelenő instabilitások is a jet helikális alakjához vezethetnek. Emiatt önmagában a periodikus jetszerkezet nem perdöntő a fekete lyuk kettősök azonosításában. PhD kutatásom jelentős részében a fenti bizonytalanság tisztázását céloztam meg. Az általam vizsgált jetekben észlelhető periodicitások a bespirálozás fázisában levő fekete lyuk kettősökkel konzisztensek. Ezen rendszerek gravitációs élettartama több ezer, vagy akár több millió év. Felvetődik a kérdés, hogy milyen folyamatokon keresztül tudnánk ennél is szorosabb kettősöket azonosítani. A várhatóan néhány évtizedes időskálán összeolvadó szupernagy tömegű fekete lyuk kettősök a 2030-as években megvalósuló LISA detektorral megfigyelhető, alacsony frekvenciájú gravitációs hullámok potenciális forrásai. Az ilyen rendszerek független azonosítása fontos a gra- 1
vitációs hullámok paraméterbecslése szempontjából. Ebben a fekete lyukak végső összeolvadását kísérő részecskefizikai folyamatok is segíthetnek. Az antarktiszi IceCube Neutrínó Obszervatórium által detektált, kozmikus eredetű neutrínók forrásainak azonosítása intenzíven kutatott területe az asztro-részecskefizikának. A Pierre Auger és IceCube Kollaborációk tudósai felvetették, hogy a nagy energiájú neutrínók valószínű forrásai aktív galaxismagok. Értekezésemben a szupernagy tömegű fekete lyuk kettősök végső összeolvadását követő neutrínó emissziót is vizsgáltam. 2. Kutatási módszerek PhD munkám fontos részeként a relativisztikus jetek kinematikáját vizsgáltam azok több időpontban, VLBI technikával készült rádió interferométeres adatait feldolgozva. A VLBI interferométer hálózatokkal a forrás fényességeloszlásának Fourier transzformáltja válik ismertté, a vizibilitás függvény. Főként a Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments (MOJAVE) csoport rádió interferometriai adatait használtam fel. Ez egy 1994 óta folyamatosan működő 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) nevű interferométerrel történnek, ami egy 10 db, egyenként 25 m átmérőjű rádióteleszkópból álló hálózat. A VLBA nagyon hosszú bázisvonalú interferometriát valósít meg, 1 milliívmásodpercesnél jobb szögfelbontást téve elérhetővé. A fényesebb ( 1 Jy) forrásokról két évtizedet átfogó, homogén és jó mintavételezésű adatok érhetőek el. A MO- JAVE csoport a megfigyelt források kalibrált vizibilitásait pár hónappal a mérések után letölthetővé teszi. A jetek térképezését és a kalibrált vizibilitás adatok modellillesztését a CalTech DIFMAP nevű programcsomagjának segítségével végeztem el, ami széleskörűen használt rádióintenzitás térképek előállítására, 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 fluxussűrűsége és térbeli alakja adott bemenő paraméterek esetén, illetve, hogy a nyalábgerinc hogyan fejlődik az égboltra vetítve, amikor a jetalap keringő mozgást végez. A jetkomponsensek pozíciójának és integrált fluxussűrűségének változása alapján határoztam meg a jet 2
viselkedésével konzisztens szupernagy tömegű fekete lyuk kettős paramétereit. PhD kutatásom részeként az antarktiszi IceCube Neutrínó Obszervatórium által detektált kozmikus eredetű, 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 m- es mélységig hatolnak le, és az elektron, valamint müon neutrínók jéggel való kölcsönhatásaiban keletkező 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 különböző, aktív galaxismagokat tartalmazó katalógusokkal, a nagy energiájú neutrínók eredetét keresve. 3. Tézispontok 1. Bizonyítottam az extragalaktikus jetek némelyikének rádió spektrumában megjelenő alacsony energiás levágás ( low energy cut-off, LEC) és a központi szupernagy tömegű fekete lyuk forgása közötti kapcsolatot. A LEC-kel rendelkező 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 elegendően magas a hőmérséklet a LEC-kel rendelkező 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 rendelkező pozitronpopuláció jelenik meg a jetben. (Kun és mtsai, 2013) 2. Olyan keringő fekete lyukat tartalmazó jet-kinematikai modellt dolgoztam ki, amely alkalmas a relativisztikus AGN jetek VLBI mérésekkel történő tesztelésére. C programozási nyelven kódot írtam, amelynek bemenő paraméterei a helikális jet fél-nyílásszöge, térbeli irányultsága, illetve a fekete lyuk kettős dinamikáját meghatározó paraméterek. A program kimenetei a jet látszó fluxussűrűsége, valamint a térbeli, és az égbolt síkjára projektált alakja. Egy hipotetikus jet nyalábgerincének szimulációja alapján azt találtam, hogy a jetkomponensek integrált fluxussűrűsége és magszeparációja érzékenyen függ a jet inklinációjától, a fekete lyuk kettős teljes tömegétől és tömegarányától. 3
3. Az S5 1928+738 jelű 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 fluxussűrűségének, VLBI maghoz képesti relatív pozíciójának, és félértékszélességének az időbeli változását. A jet viselkedése alapján megerősítettem a jetalapnál sejtett szupernagy tömegű fekete lyuk kettős jelenlétét. A jetet kibocsátó fekete lyuk spinjének precesszióját bizonyítottam tisztán VLBI mérések alapján, elsőként a szakirodalomban. Megadtam a mérésekkel kompatibilis fekete lyuk kettős paramétereit (pályaperiódus T = 4, 78 ± 0, 14 év, kettős szeparáció r = 0, 0128 ± 0, 0003 pc, tömegarány ν [1/5 1/3]), spin-pálya periódusát (T SO = 4852±646 év), és összeolvadásának gravitációs időskáláját (T GR = (1, 44 ± 0, 19) 10 6 év). (Kun és mtsai, 2014) 4. A PG 1302-102 jelű 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 tömegű fekete lyuk kettőst rejt, így rádió hullámhosszakon kerestem ennek a kettősnek 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 kettős tömegarányára alsó (ν 0, 08), spin-pálya precessziós periódusára és gravitációs élettartamára pedig felső határt adtam meg (rendre T SO 1, 41 10 4 év és T GR 7, 2 10 6 év). (Kun és mtsai, 2015) 5. Szupernagy tömegű fekete lyukak végső 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 valószínűsége igen kicsi, 10 4. A PKS 0723-008 irányából érkező nagy energiájú neutrínó emisszióját, a forrás 2 cm-es rádió hullámhosszon mért fluxussűrűségének növekedését és lapos spektrumát egy olyan forgatókönyvvel magyaráztam, amelyben két szupernagy tömegű fekete lyuk végső 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 VL- BI 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 köthető 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., Bogdanović T., Decarli R., Herrero-Illana R., Husemann B., Komossa S., Kun E., Loiseau N., Paragi Z., Perez- Torres 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., Kővári 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., Kővári 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., Kővári 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., Kővári 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., Fűrész 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., Fűrész 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