Eltorzult téridő neutroncsillagok közelében

1140

Az Einstein és mások által 1905-re kidolgozott speciális relativitáselmélet a vonatkoztatási rendszerek és mozgások egy újfajta leírását adta, létrehozva a négydimenziós téridő fogalmát. Az elmélet által megjósolt effektusok – például a hosszkontrakció és az idődilatáció – azonban csak a fényét megközelítő sebességek esetében jelentkeznek megfigyelhető, mérhető módon.

Az 1916-ra kidolgozott általános relativitáselmélet szerint
nagy tömegek közelében a téridő speciálisan görbül, ami aztán hatással van a torzulást okozó test közelében mindenre, még az elhaladó fényre is. A fény mindenütt a legrövidebb utat (az ún geodetikust) követi, de míg a háromdimenziós euklidészi térben két pont között ez a pontokat összekötő egyenes, a görbült téridőben már bonyolultabb alakú. (Gondoljunk a gömbi geometriára, ahol két gömbfelszíni pont között a legrövidebb út a két ponton átmenő főkör pontok közé eső íve.) Az elmélet első csillagászati (kísérleti) bizonyítékát Eddington szolgáltatta az 1919-es napfogyatkozás alkalmával, amikor kimutatta, hogy a Hold által eltakart napkorong mellett feltűnő, s így lefényképezhető csillagok egy kicsit más helyen látszanak, mint fél év elteltével, amikor a nagy tömegű Nap az égbolt átellenes oldalán látszik. Az elmúlt majdnem száz esztendő alatt az elmélet általánosan elfogadottá vált, s a görbült téridő-tartományok segítségével ma már "fényképezni" is lehet, gondoljunk csak az ún. gravitációs lencsézés hatására, s az eredményeképpen megfigyelt nagyon távoli kvazárokra, vagy kisebb léptékben a mikrolencse-hatás segítségével felfedezett exobolygókra. Az elmélet egy
másik jóslata, hogy a nagyon erős gravitációs terekben áthaladó fotonok energiát veszítenek, így hullámhosszuk nagyobb lesz, azaz gravitációs vöröseltolódást mutatnak.

Az XMM-Newton és a Suzaku segítségével most három neutroncsillag körül mutatták ki az elméletek által jósolt
effektusokat. A neutroncsillagok a csillagfejlődés speciális végállapotai, a legsűrűbb megfigyelhető objektumok a Világegyetemben, mindössze városnyi méretű térfogatban naptömegnyi elfajult anyagot tartalmaznak. A neutroncsillagokban uralkodó speciális fizikai körülmények miatt ezen objektumok remek laboratóriumként szolgálnak az anyag Földön elő nem állítható viszonyok közötti viselkedésének tanulmányozására. Ehhez azonban nagyon fontos a pontos méret
és tömeg ismerete.

Fantáziarajz a neutroncsillagról és a körülötte található akkréciós korongról (NASA/Dana Berry)

S. Bhattacharyya és T. Strohmayer (NASA Goddard Space Flight Center) a Serpens X-1 jelű röntgenkettőst vizsgálta, amelynek egyik komponense egy neutroncsillag, a másik pedig egy "normál" csillag. A kísérőről anyagátadási korongon keresztül folyamatosan anyag áramlik át a neutroncsillagra, s az erős gravitációs térben felhevülő gázanyag erős röntgensugárzás forrása. A kutatók közvetlenül a neutroncsillag felszíne felett a fénysebesség 40 százalékával örvénylő vasatomok egyik
színképvonalát tanulmányozták az XMM-Newton űrteleszkóppal.

Vasvonalakat már korábbi röntgenvizsgálatok is jeleztek, de ezen mérések érzékenysége nem volt elegendő a vonalprofilok részletes tanulmányozásához. Az XMM-Newton nagy "tükrének" köszönhetően azonban Bhattacharyya és Strohmayer most azt találta, hogy a vas tanulmányozott vonala aszimmetrikus módon szélesedett ki. Ennek oka az áramló gáz rendkívül nagy sebessége, ami a relativisztikus Doppler-effektusnak köszönhetően – ami annyiban tér el a nemrelativisztikus megfelelőjétől, hogy tartalmazza az idődilatációt – aszimmetrikussá teszi a vonal profilját. Az általános elmélet által megjósolt hullámhosszváltozás pedig abban jelentkezik, hogy az észlelt vasvonal jelentős vöröseltolódást mutatott a laboratóriumi hullámhosszához képest. Az aszimmetrikus vonalprofilok sok fekete lyuk esetében is észlelhetők, de ez az első alkalom, hogy egy neutroncsillagnál sikerült őket megfigyelni.

A japán Suzaku űrteleszkóp munkacsoportja E. Cackett és J. Miller (University of Michigan) vezetésével három, neutroncsillagot tartalmazó kettőst észlelt, melyek egyike szintén a Serpens X-1 volt, s vizsgálataik függetlenül megerősítették a fenti XMM-Newton eredményt. Mivel a megfigyelések közvetlenül a neutroncsillag felszíne felett áramló gázt mutatják, így a mérések elemzéséből felső határ adható a központi objektumok méretére. Az új eredmények szerint ez 29-33 km, összhangban más elméleteket felhasználó mérésekkel.

Mindezek az adatok azért fontosak, mert az elméleti fizikusok ezek ismeretében pontosítani tudják a neutroncsillagokat alkotó egzotikus anyag viselkedését leíró állapotegyenletet, ami alapján számításokat lehet végezni a szupersűrű objektumok belsejében uralkodó viszonyokról. A relativisztikus vasvonalak észlelése pedig a kompakt égitestek körül felépülő anyagbefogási korong szerkezetéről árul el nagyon fontos információkat, amelyek a neutroncsillagok felszínén lejátszódó nagyenergiájú folyamatokba enged betekintést.  

A fenti kutatásokat részletesen taglaló szakcikkek közül az egyik
az Astrophysical Journal c. folyóiratban már meg is jelent, a másik pedig megjelenés előtt áll.

Forrás: ESA XMM-Newton PR, 2007.08.27.

Hozzászólás

hozzászólás