A Lokális csoport
Tejútrendszerünk egy kisebb galaxistársulás, a Lokális csoport része.
A Galaxis nagy tömege miatt számos törpegalaxis kering körülöttünk: a
Tejútrendszer a környezetével a Lokális csoporton belül saját
alrendszert alkot. A mai napig húsz kísérőgalaxist ismerünk, melyek
közül a legkorábban felfedezett kettő a két Magellán-felhő, a két
legutóbbi pedig 2007-es felfedezés. Figyelemreméltó, hogy ezek majdnem
mindegyikét égboltfelmérésekkel találták meg. A már említett
Magellán-felhőkön kívül a Sculptor és a Fornax törpegalaxisok a
kivételek: ezeket Harlow Shapley 1938-ban egy dél-afrikai expedíció
során fedezte föl.
1950-ben és 1954-ben a Palomar Obszervatóriumban
fedezték föl a Leo I, Leo II, Draco és Ursa Minor törpegalaxisokat,
melyek abszolút fényessége -9 és -12 magnitúdó közötti. A második
Palomar-felmérés segítségével találták meg a Carina törpegalaxist
1977-ben. Az UK Schmidt-távcsővel végzett égboltfelmérés az 1990-es
évek elején két kísérőgalaxis felfedezéséhez vezetett. A Sextans
törpegalaxist tőlünk 320 ezer fényévre 1990-ben találták meg, ez már
az előzőeknél halványabb, -8 magnitúdó abszolút fényességű. 1994-ben
került sor aztán a harmadik legfényesebb kísérőgalaxis, a Sagittarius
törpe felfedezésére. Vörös törpe csillagok radiálissebesség-mérését
végezték az Angol–Ausztrál távcsővel, amikor nyilvánvalóvá vált, hogy
a Tejút korongjába fúródó alakzatban a csillagok jellegzetesen együtt
mozognak. A területet a csillagközi fényelnyelés és a Tejút korongja
miatt nehéz tanulmányozni; pedig kár, hiszen egy -15 magnitúdó
abszolút fényességű galaxist láthatnánk arrafelé, a Galaxis
korongjának túlsó peremén.
Egy évtized szünet után, 2003-ban kapott új
lendületet a kísérőgalaxisok felfedezése. Ekkor a 2MASS adataiban
találtak egy jellegzetes csillagpopulációt, amely egy kisebb, a Canis
Major területén található csomóból és az ebből kinyúló nagyon hosszú
csápokból áll. Itt egy, a korong körül keringő galaxisroncs
szétszóródásának lehetünk szemtanúi; az árapálysávok valójában több
rotációra lemaradva is követhetőek a Canis Major irreguláris
törpegalaxis mögött. 2005-ben újabb galaxist fedeztek föl: a tőlünk
360 ezer fényévre keringő, mindössze -6,8 magnitúdó abszolút
fényességű Ursa Major törpegalaxist. Ez a felfedezés egyben az SDSS
első törpegalaxisát jelenti, amelyet két újabb galaxis követett: az
egyik esetben a legtávolabbi, a másikban viszont a legközelebbi
kísérőgalaxisról van szó. A Canes Venatici törpe tőlünk 720 ezer
fényévre kering, abszolút fényessége -7,9 magnitúdó. A legközelebbi
galaxis, a Bootes törpe mindössze -5,8 magnitúdóval, azaz egy szerény
gömbhalmaz fényteljesítményével ragyog, tőlünk nem egészen 200 ezer
fényévre. 2007-ben az SDSS II a Lokális csoporthoz tartozó újabb öt
galaxis felfedezését jelentette be, és a program végére több tucat
további fölfedezést várnak.
A távoli Univerzum és kozmológiai vizsgálatok
Galaxisok típusai, tulajdonságai: A galaxisokat gyakran osztályozzák a
Hubble-féle rendszer szerint (E0–E7 elliptikus, Sa, Sb, Sc spirális),
amelynek számos, további morfológiai szempontokat (átmeneti formák,
küllő, különböző gyűrűk stb.) figyelembe vevő kiterjesztése is
létezik. Kozmológiai távolságok esetén azonban a legtöbb objektum
csillagszerű vagy igen kis szögátmérőjű, ebből következően a
Hubble-osztályok földi megfigyelések alapján kozmológiai távolságban
nem értelmezhetők. A spektrális energiaeloszlás alapján alkotott
fotometriai osztályozás a galaxisok SDSS-színindexein alapul. A
galaxis spektroszkópiai típusát egy törtszám jellemzi, ez lényegében
azt méri, hogy mennyire kék vagy vörös az adott galaxis. A meglepő
tulajdonsága ennek az osztályozásnak a bimodalitás, vagyis az, hogy a
galaxisok nagy többsége két fő fotometriai típus egyikébe teljes
biztonsággal besorolható: így beszélhetünk kék és vörös galaxisokról.
A két osztály morfológiai paramétere (központi koncentrációja) szintén
különböző. Ez az osztályozás részben megfeleltethető a
Hubble-típusoknak: a kék galaxisok nagy része spirális, a vörös
galaxisok nagy része elliptikus ugyan, de bizonyítható, hogy a
megfelelés nem tökéletes: vannak kék elliptikus és vörös spirális
galaxisok is, mintegy 10% arányban. Az átmeneti vagy bizonytalan
besorolású objektumok csoportja nem nagy, illetve az átfedés mértéke
fotometriai hibákkal magyarázható. Tekintetbe véve a Hubble-osztályok
keveredését a fotometriai csoportokban, jogosan vetődik föl a kérdés,
hogy miért nem figyelünk meg átmeneti fotometriai típusú objektumokat
– erre ma még nem tudjuk a pontos választ.
A kék és a vörös galaxisok egy galaxishalmazon
belül másként is rendeződnek, a kék galaxisok jobban csomósodnak. Ez
nem meglepő, tekintetbe véve, hogy a vörös galaxisok közé számos
kisebb elliptikus, szferoidális és egyéb törpegalaxis tartozik,
amelyek a galaxishalmazok halójában és a halmazok közti mezőben is
gyakran fordulnak elő.
Csillagkeletkezés, barionos és sötét anyag
extragalaxisokban: A galaxisok építőelemeinek mennyiségét jól tudjuk
becsülni égboltfelmérési technikákkal. Egy galaxis tömeg/fényesség
aránya modellszámítások alapján jól becsülhető a 400 nm-es fényesség
és a hidrogén Balmer-sorozatából a Hδ vonal erősségének arányával. Az
SDSS-fotometria és a galaxis vöröseltolódása alapján kiszámítható a
galaxis távolsága és abszolút fényessége; ez a már ismert
tömeg/fényesség arányon keresztül a tömeg meghatározásához vezet. A
látható tömeg közvetlenül becsülhető a fényesség alapján. A
csillagközi anyag aránya becsülhető a g-r és r-i fényességek
vörösödéséből; ugyanez lehetséges az emissziós galaxisok esetében a
Hα/Hβ arányból. A GALEX fluxusaival kiegészítve a spektrumokat a nagy
tömegű csillagok és a por hatását még pontosabban figyelembe lehetett
venni. Ha egy jól választott infravörös színindex alapján a
portartalom becsülhető, a galaxis csillagkeletkezési rátáját a
GALEX-SDSS-színindexek segítségével, tisztán fotometriai módszerrel
szintén meg lehet mérni.
E módszerekkel lehetővé vált az egymillió
SDSS-galaxis látható, csillagközi és sötét anyagának vizsgálata. Az
eredmények szerint a nagy tömegű galaxisokban már jórészt lezajlott a
csillagkeletkezés: az egymilliárd naptömegű galaxisok 10%-a még
csillagontó (tömegének 5%-a az elmúlt százmillió évben keletkezett),
ám a százmilliárd naptömegű objektumok között már egy ilyet sem
találunk. Figyelemreméltó, hogy 10% elliptikus galaxis is van a nagy
csillagkeletkezési rátájú csoportban. A galaxis csillagainak
össztömege függ a galaxis nehézelem-tartalmától (a csillagászatban a
héliumnál nagyobb rendszámú elemekre összefoglaló néven fémekként
hivatkoznak): nincsenek kis tömegű, kiemelkedően nagy fémességű
galaxisok. Fontos eredmény, hogy a sötét anyag legalább 40%-a is a
galaxisokban van jelen.
A Hubble-űrtávcső mélyvizsgálati területeit (Deep
Field) a GALEX segítségével is megfigyelték. Ezek további földi
megfigyelésekkel kiegészítve több mint 8000, z≈0,7 vöröseltolódásnak
megfelelő távolságban lévő galaxis fotometriai és morfológiai
vizsgálataira is lehetőséget adtak. Látszik a morfológiai és
fotometriai paraméterek együttes fejlődése: a galaxisok megjelenését
elsősorban a csillagkeletkezés határozza meg. A z≈0,7 távolságú
galaxisok tulajdonságai hasonlóak a környeze-tünkhöz, de a
csillagkeletkezési ráták átlagosan még magasabbak, mint napjainkban.
Megfigyel-hető, hogy a z≈0,7 kor és a mi korunk között még növekszik a
vörös galaxisok darabszáma is.
Csillagontó és aktív galaxisok: A galaxisok két
nagy csoportjában figyelhetünk meg jelentős emissziós vonalakat,
amelyek azonban teljesen eltérő folyamatok miatt alakulnak ki. Az
aktív galaxisok közepén egy sűrű tóruszba ágyazott, nagy tömegű aktív
fekete lyuk helyezkedik el, amely folyamatosan nyeli el az anyagot az
akkréciós korongon keresztül, erre merőlegesen pedig nagy energiájú
plazmasugár tör elő, amely a rádiótartományban látványos. Az aktivitás
emisszióra készteti a rendszer körüli diffúz csillagközi anyagot,
amely az optikai spektrumban is megjelenik. A csillagontó galaxisokban
valamilyen folyamat (például gravitációs kölcsönhatás) heves
csillagkeletkezést indukál, és a fiatal csillagok ultraibolya
sugárzása miatt figyelhetjük meg a csillagközi anyag optikai
emisszióját. A kétféle folyamatot a csillagközi anyagra jellemző
spektrumvonalak intenzitásaránya (például: NII/Hα, OIII/Hβ) alapján
lehet megkülönböztetni. A csillagontó galaxisok a megfigyelések
szerint kékek és kis koncentrációs indexűek. A GALEX képein főleg a
csillagontó galaxisok látszanak, de az aktív galaxisok 10%-a is
megjelenik, a ROSAT viszont leginkább az utóbbiakat látta.
A csillagontó galaxisok 60 mikrométeren 1
magnitúdóval fényesebbek az átlagos galaxisoknál. Ennek három
lehetséges oka van: a csillagontó galaxisokban a por melegebb az
átlagosnál; a por több az átlagosnál; a beeső ultraibolya sugárzás
erősebb az átlagos galaxisra jellemző értéknél. A helyes magyarázatra
a GALEX által detektált ultraibolya sugárzás vezetett: a 60
mikrométeres sugárzás növekedésének elsődleges oka a csillagontó
galaxis nagyobb ultraibolya fluxusa.
Kvazárok: A kvazárok a korai Univerzum fiatal,
aktív galaxismagjai: a centrális fekete lyukba behulló, nagy
mennyiségű anyag sugárzását látjuk. A fényforrás kis méretű, és a
kvazárok messze vannak tőlünk, ezért kiterjedésük ezred ívmásodpercben
mérhető: emiatt a legtöbb égboltfelmérés pontforrásként detektálja
őket. Az energiatermelés nagyon nagy mértékű, a kvazárok abszolút
fényessége általában -25 magnitúdó körüli, ám ismerünk -30 magnitúdó
abszolút fényességű kvazárokat is! A színképben jellegzetes, általában
többször ionizált elemektől (MgII, CIII, CIV, SiIV, OIV, különféle
ionizációs fokú Fe stb.) származó, a gyors mozgások miatt rendkívül
kiszélesedett emissziós vonalak jelennek meg. Ezek az elemek arra
utalnak, hogy ebben az anyagban már a kvazárok korszaka előtt
lezajlott egy csillagkeletkezés (III. populációs csillagok), és e
csillagok robbanása már a korai univerzumot „beszennyezte”
nehézelemekkel. Az SDSS fedezte föl a távoli kvazárok színképében a
Gunn−Peterson-vályút: a z=6 körüli kvazárok színképében a hidrogén
Lyman-alfa vonalától rövidebb hullámhosszakon folyamatosan jelen lévő
jelentős abszorpció figyelhető meg. Ez arra utal, hogy a sugárzás
kezdetben semleges hidrogénben haladt, amely a sugárzás elnyelésével
ionizálódott. A közelebbi kvazárok színképében nem folytonos, hanem
eseti jellegű Lyman-alfa abszorpciós vonalakat láthatunk (Lyman-alfa
erdő), jól mutatva, hogy a korai csillagok sugárzásától a semleges
hidrogén elkezdett ionizálódni, és semleges állapotban csak elszórt
felhőkben maradt meg. Azon túl, hogy így megismerhettük a galaxisok
közötti anyag állapotának fejlődését, az abszorpciós szerkezetek
alapján ismét olyan megfigyelhető jelenséghez jutottunk, amelyből
közvetlenül következtethetünk az anyag, sötét anyag, sötét energia
arányára a Világegyetemben.
A kvazárok színe a részben szinkrotron eredetű
kontinuumsugárzás miatt optikai hullámhosszakon kékes, ezért
spektroszkópia hiányában fotometriailag is jól fölismerhetők. A
behulló anyag mennyiségének időbeli fluktuációja miatt a kvazárok
rövid időskálán (10−500 nap) jelentős fényváltozásokat mutatnak. A
Palomar-égboltfelmérés és az SDSS közös katalógusa azokat a változó
fényességű, csillagszerű forrásokat tartalmazza, amelyek a két
felmérés között legalább 0,5 magnitúdós fényváltozást mutattak; ezek
nagy része félszabályos változócsillag vagy kvazár.
Mikrohullámú háttérsugárzás: A Világegyetem minden
irányából érkezik hozzánk a mikrohullámú háttérsugárzás, amelynek
jelenléte az ősrobbanás legfontosabb bizonyítéka. E sugárzás fotonjai
akkor szabadultak ki, amikor a fiatal, mintegy 300 ezer éves
Világegyetem tágulása és fokozatos hűlése során a plazma
rekombinálódott, az atommagok befogták az elektronokat. Így a sugárzás
számára nem átlátszó plazma átlátszó anyagokká, semleges hidrogénné és
részben héliummá vált. A kozmikus háttérsugárzás majdnem homogén
eloszlású. Tökéletesen homogén anyagból viszont nem alakult volna ki a
mai inhomogén Univerzum: ennek megfelelően a COBE- és WMAP-műholdak
megtalálták az 1/10 000 nagyságrendnyi eltéréseket mutató lokális
csomósodásokat, foltokat, azaz anizotrópiát is. Ezek közül
leggyakoribb a mintegy egy foknyi látszó területű foltok csoportja.
A Világegyetem fejlődése, a távoli galaxishalmazok
és a közeli galaxisok is módosítják a háttérsugárzás szerkezetét. A
legfontosabb zavaró komponens maga a Tejútrendszer: a WMAP adataiból
megállapítható a Tejútrendszer sugárzási teljesítménye a 2,83−3,65 mm
hullámhossztartományon (W sáv; 3×1030 watt), és az Androméda-galaxisé
is (az előző érték 1,8-szerese). E zavaró hatások azonban az
anizotrópiához képest is kicsik, így annak vizsgálatát nem
befolyásolják jelentősen.
Az anizotrópia szerkezetéből ki lehet olvasni, hogy
mekkora mértékű csomósodások vezettek a mai nagy léptékű szerkezet
kialakulásához, és ennek fényében megvizsgálhatjuk a kozmológiai
modelleket. Az eredmények szerint az anyag lassabban csomósodott
annál, mintha csak a gravitáció játszott volna szerepet, amiből
következtethetünk arra, hogy a csomósodás ellen ható valamely folyamat
(a sötét energia) fontos szerepet játszott a struktúra alakulásában,
az Univerzum fejlődésében. Ugyanígy azt is megfigyelhetjük, hogy
mekkora volt a mai Világegyetem egy pontból belátható része (az
eseményhorizont) a lecsatolódás, azaz a háttérsugárzás keletkezésének
idején. A háttérsugárzás közös horizont alá tartozó celláiban az anyag
ugyanis rendezett mintázatba tudott alakulni, itt az anyag mintegy
összehangolódott, ami a foltok jellegzetes, egy fok körüli méretét
okozta. A mikrohullámú háttérsugárzás vizsgálatáért és a csúcsok
értelmezéséért ítélték oda a 2006-os fizikai Nobel-díjat John C.
Mathernek és George F. Smootnak. Láthatjuk-e ennek a szerkezetnek a
nyomát a mai Világegyetem szerkezetében? A kozmológiai modellek
szerint a mai galaxisok eloszlásában nagyon nagy méretű csomókat kell
keresni, annál is jóval nagyobbat, mint egy óriás galaxishalmaz.
A nagy léptékű szerkezet és a háttérsugárzás
összevetése: A nagy léptékű szerkezet vizsgálatára az irány- és
távolságinformációk közvetlen téri ábrázolása az egyik lehetőség. A
2dF és az SDSS alapján az ég különböző szeleteit vizsgálva mindenütt
egy jellegzetes, szivacsos szerkezetet látunk: a galaxisok szálakban
és falakban csoportosulnak, és az ezekből összeálló szövet alkotja ezt
a nagy léptékű szerkezetet. Ennél egyszerűbben is vizsgálhatjuk
azonban a galaxisok eloszlását kétpont-korrelációs függvényekkel: azt
figyeljük meg, hogy egy adott galaxistól adott távolságra milyen
valószínűséggel találunk további galaxisokat. Kiderült, hogy a
galaxisok eloszlása nem véletlenszerű: egy adott galaxistól távolodva
egyre kisebb valószínűséggel találunk egy másikat, míg kb. 300 millió
fényévet meghaladó távolságban ez a valószínűség „beáll” egy konstans
értékre. Ez azonban még nem a korai Univerzum csomósodásaiból származó
szerkezet.
Az SDSS majdnem ötvenezer távoli vörös galaxis
alapján végezte el a fönti vizsgálatot, a kiválasztott galaxisok
átlagos vöröseltolódása 0,32 volt, az elért térfogat 90 milliárd
köbfényév. Eredményeik szerint a galaxisok eloszlásának csomósodása
(kétpont-korrelációs függvénye) 450−550 millió fényév között kis
növekedést mutat (barioncsúcs), ami arra utal, hogy a galaxisok
szerkezetében ilyen méretű „óriáscsomók” is megjelennek − igaz,
ezekben a sűrűsödés a környezetükhöz képest szinte elenyészően
csekély. Ez a szerkezet az akusztikus hullámok rég keresett
maradványa! Látva a háttérsugárzásban az első csúcs szögméretét és
ismerve a most talált barioncsúcs skálahosszát, végül egy „abszolút
méterrudat” kaphatunk, amely a kozmikus háttérsugárzás keletkezéséig
ér. Ennek a méterrúdnak a hossza szintén fontos kozmológiai paraméter,
amit a különböző modelleknek reprodukálniuk kell.
A közeljövőben várható eredmények
A jövőben több nagytávcsöves földi és űrtávcsöves égboltfelmérés
indul. A Pan-STARRS optikai felmérés a Hawaii Egyetem négy darab 1,8
méteres távcsövére épül. A 2007−2010 közöttre tervezett projekt adatai
egyelőre nem nyilvánosak. A Large Synoptic Survey Telescope (LSST) egy
8,4 méteres, egytükrű távcső lesz, amely 15 másodperc expozícióval
24,5 magnitúdóig örökíti meg az eget a következő évtized közepétől. A
kamerafej ember méretű, 3500 megapixeles CCD-elrendezés lesz, a műszer
látómezeje 10 négyzetfok. Ilyen módon az egész eget nagyjából
háromnaponta végigméri majd a műszer! A várakozások szerint az LSST
föl fogja fedezni a Földre veszélyes összes kisbolygót, a főövben lévő
kisbolygókat 500 méter átmérőig, az összes RR Lyrae változócsillagot
250 ezer fényéven belül, a mira típusú változócsillagokat 2,5 millió
fényéven belül; évente fölfedez és kimér 3500 szupernóvát. A program
töredékidejében 10–20 perces expozíciókkal galaxishalmazokról végeznek
megfigyeléseket (öt látómező, 50 négyzetfok), s ezek eredményeképpen
még tízezer szupernóva fölfedezése várható évente, azaz évente egy
nagyságrenddel több, mint a történelem előtti időktől máig összesen!
Az űrcsillagászatban továbbra is helye lesz az
égboltfelméréseknek. Az ESA 2009-ben indított Planck-műholdja a
háttérsugárzást vizsgálja majd a WMAP-nél kétszer jobb felbontással.
Várható, hogy a későbbi Világegyetem hatásait is ezzel a felméréssel
lehet majd először részletesen megvizsgálni. A legegzotikusabb
vállalkozás kétségtelenül az ESA−NASA már működő LIGO−VIRGO
interferométere, és ennek továbbviteleként a LISA-műholdak pályára
bocsátása, aminek célja a gravitációs hullámok fölfedezése és a
gravitációs megfigyelő csillagászat megalapozása lesz. E területnek az
a különleges jelentősége, hogy gravitációs hullámok segítségével
beláthatunk a háttérsugárzás mögé, a Világegyetem korai állapotába. Az
úttörőnek nevezhető LISA már akkor is sikeres lesz, ha egyáltalán
talál gravitációs hullámot. A rendszer három műholdból fog állni,
amelyek egymástól ötmillió kilométerre keringenek, a gravitációs
hullámok a közöttük lévő távolságokat változtatják majd. A műholdak
távolságát lézeres módszerrel kell majd megmérni, hiszen a szokványos
gravitációs hullámok még ilyen nagy kartávolságok mellett is csak
atomi méretű változásokat okoznak.
Összefoglalásul megállapíthatjuk, hogy a
számítástechnika (adatbányászat, képfeldolgozás), a műszertechnika és
az űrtechnika fejlődése egyszerre tette lehetővé az összes hullámhossz
elérését és az egyes adatok összekapcsolását. Az internet és a kutatói
mobilitás szintén napjainkra eső gyors fejlődése lehetővé tette, hogy
ezekbe a kutatásokba nagyon sok kutató kapcsolódhasson a világ bármely
tájáról, és létrejöttek az égboltfelmérések sajátos, nagy szellemi
potenciált felhalmozó, interkontinentális asztrofizikai műhelyei. Az
égboltfelmérési módszer máris sok izgalmas megfigyeléshez és meglepő
válaszokhoz vezetett, de ezek alapján is csak sejteni lehet a benne
rejlő jövőbeni lehetőségeket.
A szerző köszöni az MTA Bolyai János Posztdoktori Ösztöndíj, az OTKA K
76816 és az MTA Lendület Fiatal Kutatói Programja támogatását.
Kulcsszavak: égboltfelmérés, csillagászati megfigyelési technikák,
műholdak, virtuális obszervatórium, Naprendszer, kisbolygók, a
Tejútrendszer szerkezete, Lokális csoport, galaxisok, galaxishalmazok,
a Világegyetem nagy léptékű szerkezete
IRODALOM
Csabai I. (2004): A Világegyetem térképe.
Természet Világa. 135, 7,
Kiss László (2005): Vörös óriás
változócsillagok. In: Holl András – Mizser A. – Taracsák G. (szerk.):
Meteor csillagászati évkönyv 2006. MCSE, Bp., 228−244.
Szabados László (2000): A
mikrováltozó-csillagászat és a mega-változócsillagászat felé. In:
Mizser Attila – Szabados L. – Taracsák G. (szerk.): Meteor
csillagászati évkönyv 2001. MCSE, Budapest, 237–248.
Szabó M. Gyula (2006): Nagy
égboltfelmérések a csillagászatban. Fizikai Szemle. 56, 12, 403−407.
Szabó M. Gyula (2006): Szupernóvák
megfigyelése − hogyan tovább? Meteor. 12, 37−42.
Szabó M. Gyula (2007): Égboltfelmérések
kozmológiája. In: Benkő József – Mizser Attila (szerk.): Meteor
csillagászati évkönyv 2008. Magyar Csillagászati Egyesület, Budapest,
266−285. o.
Szabó M. Gyula (2007): Galaxisunk
felmérése. Meteor. 37, 7–8, 33−37.
|