Egy 111 éves asztrofizikai rejtély megoldása

12486
Kolláth Zoltán, ELTE Savaria Fizikai Tanszék, Szombathely
Banyuls-sur-mer, Franciaország, 2018. szeptember 4.

A csillagok jelentős része folyamatos lüktetésben van. A ciklikusan kitáguló és összehúzódó csillagok fénye változik, ez viszonylag könnyen megfigyelhető, a rezgések pedig – hasonlóan mint ahogy az ultrahang információt ad az anyaméhben lévő magzatról – sok mindent elárulnak az égitestek belsejéről.

A csillagok rezgéseinek mechanizmusa jól ismert, viszont vannak köztük olyanok, amiknek a viselkedése különösebb a társaiknál és nehezebben értelmezhetők. Szergej Blazskó orosz csillagász 111 éve, 1907-ben publikálta azt a megfigyelést, amely szerint egy csillag lüktetése nem szabályos, hanem a lüktetés erőssége maga is periodikusan változik. Később sorra fedezték fel a hasonlóan viselkedő égitesteket az RR Lyrae csillagok között, a Kepler-űrtávcső jóvoltából pedig nagyon pontos megfigyelések születtek még több ilyen objektumról. Annak ellenére, hogy sokan próbálták megfejteni, mi okozza a felfedezőről elnevezett jelenséget, 111 évig nem sikerült rájönni a helyes megoldásra.

Engem ért a szerencse, hogy a franciaországi Banyuls-sur-merben 2018. szeptember 3-7. között megrendezett „Az oszcilláló csillagok fizikája (PHOST – Physics of oscillating Stars) konferencián több mint száz csillagász előtt  felfedhettem a titkot a Blazskó-effektus mibenlétéről. A konferencia egyik érdekessége, hogy a japán csillagász, Hiromoto Shibahashi életművének tiszteletére szervezték, aki maga is kidolgozott egy elméletet a Blazskó-effektus magyarázatára. A modell a maga idejében jó elképzelésnek tűnt, de nem állta ki az idő és a megfigyelések próbáját.

Cikkünk szerzője, Kolláth Zoltán előadást tart az itt vázolt eredményekről a franciaországi Banyuls-sur-mer-ben megrendezett csillagpulzációs konferencián, 2018 szeptemberében.

Magyarország mindig is élen járt a Blazskó-effektus kutatásában. Az MTA Csillagászati Kutatóintézetének korábbi két igazgatója, Detre László és Szeidl Béla is fontos megfigyelési eredményeket ért el. A titok megfejtésében fontos szerepet játszottak Jurcsik Johanna  (MTA CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet) és munkatársai. A megfigyelések alapján kimutatták, hogy az általuk vizsgált csillagok esetében a csillag belső része óraműszerű precizitással rezeg, csak az égitest légkörének a külső rétegeiben alakul ki a fényváltozás modulációja. Ezek a 2017-ben és 2018-ban publikált eredmények nagyon meglepőek és fontosak – a korábbi elképzelések jelentős részét kizárták. A Blazskó-effektusról az utóbbi években született megfigyelések azt is megmutatták, hogy a folyamat még összetettebb, mint korábban gondolták. Egy másik hazai kutató, Benkő József (szintén MTA CSFK) ugyanebben az évben publikálta azt az eredményt, ami szerint a csillag lüktetésének a változása olyan bonyolult, hogy azt nem okozhatják a csillagokon kívüli hatások, csakis valami a csillag belsejében. Csak azt a mechanizmust fogadhatjuk el ezek után, ami csakis a csillag külső szűk rétegében jelentős – ami fizikai szempontból majdnem lehetetlen kihívás…

Szerencsére az évek folyamán eljutottunk egy olyan folyamathoz, ami teljesíti ezt a feltételt is. Még  1997-ben Robert Buchler kollégámmal (1942–2012, Floridai Egyetem) találtunk olyan lehetséges rezgési állapotokat a csillagok modelljeiben, amelyek különlegesen viselkedtek. Először a programjaink hibáinak gondoltuk, de végül a fizikai realitását sikerült bizonyítani. A megértésben sokat segített, hogy sikerült a csillag szerkezete alapján egy olyan trombitát tervezni, ami hangtani szempontból hasonlít a csillag fizikájára. Ezen a trombitán van egy szűkület, ez az, ami a korábban nem várt csillagbeli hangért felelős. Amikor felismertük ezt a jelenséget, még nem tudtunk olyan csillagról, amiben megfigyelhető ez a rezgés, de megjósoltuk, hogy az szerepet játszhat a tényleges fényváltozásban.

Egy modulációt és periódus-kettőződést is mutató modell-fénygörbe.

A történet 2010-ben folytatódott. Tanítványaimmal, Molnár Lászlóval és Szabó Róberttel (mindketten az MTA CSFK munkatársai) találtunk az RR Lyrae csillagok modelljeiben egy váratlan jelenséget. A változás maximumai felváltva kisebbek és nagyobbak. Maga a jelenség jól ismert a dinamikai rendszerekben, amikor egy szabályos periodikus jel hirtelen alternáló állapotúvá vált. Más csillagoknál is ismert volt a jelenség. De mivel ezek között a csillagok között a valóságban nem láttunk még korábban ilyet, és az akkor vizsgált jelenség szempontjából inkább csak zavaró volt a dolog, a „fiókba zártuk” az eredményt. De nem maradt ott sokáig, mert a Kepler-űrtávcső megfigyeléseiben heteken belül felismertük ugyanezt a folyamatot – éppen a Blazskó-modulációt mutató csillagok között. Ritka a kutatók pályafutása alatt, hogy ilyen véletlenek szülessenek – pont a megfigyelés megjelenése előtt sikerült valamire előre magyarázatot találni. Ez kellő előnyt jelentett számunkra, hogy elsőként helyesen értelmezzük a megfigyelt jelenséget. Ráadásul azt is sikerült kimutatnunk félévnyi számolás után, hogy az 1997-ben felfedezett különleges „csillaghang” felelős ezért a jelenségért. Érdekes módon a csillag normál rezgése pontosan kettőt dobban, miközben a mellette megjelenő különös oszcilláció kilencet. Ez a 9:2 rezonancia a jelenség kulcsa. Rezonanciára hétköznapi példák is vannak: egy híd belenghet, ha a katonák a híd saját ritmusával azonos ütemben menetelnek, de hintázni is ezért tudunk külső segítség nélkül.

Itt kapcsolódunk ismét a Blazskó-effektushoz. Robert Buchlerrel közös munkánkban (sajnos ez volt kollégám utolsó publikációja) kimutattuk, hogy a 9:2 rezonancia,  ami a felváltva megjelenő nagy és kis ciklusokért felelős, magyarázat lehet a Blazskó-effektusra is. Sajnos akkor a csillagok tényleges numerikus (számítógépes) modelljeivel ezt nem sikeredett igazolni, így a bizonyításra várni kellett.

Egy csillag pulzációja modellezhető egy megfelelően kialakított, változó átmérőjű trombitában lévő levegőoszlop rezgéseivel.

Az áttörést 2018 hozta – az idén sikerült olyan számítógépes modellt létrehoznom, ami természetes módon produkálta a Blazskó-effektusnak megfelelő modulációt. Ráadásul a számolás eredménye nagyon szigorú megfigyelési tényeknek is megfelel: a modell rezgései a csillag belsejében óraműszerűen pontosak, csak a legkülső helyeken jelenik meg. Megint csak a két rezgési állapot ritmusának 9:2 arányú kapcsolata a kulcs. Mindez azért lehetséges, mert a jelenségért felelős gyorsabban lüktető különleges rezgési állapot maga is a felszínen koncentrálódik – a hasonlatként bevezetett trombita szűkületének megfelelő határ a csillag legkülső részére esik, és ez az, ami a jelenség fő motorját a csillag légkörének is a legkülső részébe zárja. A 111 éves rejtély megoldásának ez a szépsége – egy viszonylag egyszerű folyamattal – két oszcilláció kötött ritmikájával – sikerült nem várt módon megoldást találni. A puzzle elemei egy lépéssel a helyükre kerültek – az alapvető mechanizmust ismerjük. De maradt munka a továbbiakra is – a modelleket tovább kell tökéletesíteni ahhoz, hogy a megfigyelések apró részleteit is pontosabban megértsük.

Hozzászólás

hozzászólás