Fekete lyukká összeomló neutroncsillagokat találtak a Compton-űrtávcső adatai alapján

7216

Erőteljes robbanások, úgynevezett rövid gammakitörések (GRB-k) archív adatainak átvizsgálása közben a csillagászok olyan sugárzásmintázatokat találtak, amelyek egy szupernehéz neutroncsillag rövid életére utalnak, mielőtt fekete lyukká omlott volna össze. A szalmaláng-életű hatalmas égitestet valószínűleg két neutroncsillag ütközése teremtette.

„700 olyan rövid GRB adataiban kerestük ezeket a jeleket, amelyeket a NASA Neil Gehrels Swift Obszervatóriuma, a Fermi-űrtávcső és a Compton-űrtávcső észlelt.” – magyarázta Cecilia Chirenti (University of Maryland), aki az Amerikai Csillagászati Társaság találkozóján számolt be az eredményekről. „A gammasugárzási mintákat végül két kitörésben találtuk meg, amelyeket a Compton figyelt meg az 1990-es évek elején.”

Szimuláció két, egymás körül keringő neutroncsillag összeütközéséről. Az egymás felé közeledő égitestek keltette gravitációs hullámok frekvenciájának folyamatos emelkedését egy hallható hang és egy vizuális frekvenciaskála (balra) segítségével követhetjük. Amikor a 42. másodpercben egyesülnek, a gravitációs hullámok hirtelen több ezer hertzes frekvenciára ugranak, és két frekvencia váltja egymást (kváziperiodikus oszcillációk, QPO-k). (Forrás: NASA’s Goddard Space Flight Center and STAG Research Centre/Peter Hammond)

A felfedezést ismertető tanulmány 2023 januárjában jelent meg a Nature című tudományos lapban.

Neutroncsillag akkor alakulhat ki, amikor egy nagy tömegű csillag magja kifogy a tüzelőanyagból és összeomlik. A neutroncsillagoknak általában nagyobb a tömegük, mint a Napnak, de csak akkorák, mint egy város méretű gömb. Ha elérnek egy bizonyos tömeget, fekete lyukká kell összeomlaniuk.

Mind a Compton adatai, mind pedig a számítógépes szimulációk kimutatták, hogy szupernagy tömegű neutroncsillagokról van szó. Tömegük 20%-al nagyobb lehet, mint az eddig felfedezett, pontosan meghatározott tömegű, legnagyobb neutroncsillagé, a J0740+6620-é (2,1 naptömeg). A szupernagy tömegű neutroncsillagok ráadásul kétszer akkorák, mint átlagos társaik.

A szupernagy tömegű neutroncsillagok közel 78 ezer fordulatot tesznek meg percenként – ez majdnem kétszerese a leggyorsabb ismert pulzár, a J1748–2446ad fordulatszámának. A gyors forgás rövid időre megakadályozza, hogy ezek az égitestek összeomoljanak, így néhány tizedmásodpercig létezhetnek, mielőtt egy szempillantásnál is gyorsabban fekete lyukká válnak.

„Tudjuk, hogy a rövid GRB-ket az egymás körül keringő neutroncsillagok egymásba csapódása kelti, és azt is tudjuk, hogy végül fekete lyukká omlanak össze, de az események pontos menete nem ismert.” – mondta Cole Miller (UMCP), a szakcikk társszerzője. „Egy ponton a születőben lévő fekete lyuk gyorsan mozgó részecskékből álló sugarat lő ki, amely intenzív gammasugárzást bocsát ki, az elektromágneses sugárzás legnagyobb energiájú formáját. Ennek kialakulásáról szeretnénk többet megtudni.”

A rövid GRB-k általában legfeljebb két másodpercig ragyognak, mégis akkora energiát engednek szabadon, mint galaxisunk összes csillaga egy év alatt. Több mint egymilliárd fényév távolságból is észlelhetőek. Az összeolvadó neutroncsillagok gravitációs hullámokat is keltenek: olyan fodrozódásokat a téridőben, amelyeket egyre több földfelszíni obszervatóriummal észlelhetünk.

Az összeolvadások számítógépes szimulációi megmutatják, hogy a neutroncsillagok egyesülésekor a gravitációs hullámok frekvenciája hirtelen megugrik – akár 1000 hertzre is. Ezek a jelek túl gyorsak és gyengék ahhoz, hogy a jelenlegi gravitációshullám-obszervatóriumok érzékeljék őket. Chirenti kutatócsoportja szerint hasonló jelek jelenhetnek meg a rövid GRB-k gammasugárzásában is.

Ezeket a jeleket a csillagászok kváziperiodikus oszcillációknak (QPO-knak) nevezik. Egy hangvilla folyamatos csengésével ellentétben több közeli frekvenciából állnak, amelyek időben váltakoznak és el is tűnhetnek. Mind a gammasugárzás, mind a gravitációs hullám kváziperiodikus oszcillációi az egyesülő neutroncsillagok örvénylő anyagának forgatagában keletkeznek.

Az animáción neutroncsillag (kék gömb) forog egy színes gázkorong központjában, amelynek egy része a mágneses teret (kék vonalak) követi, és anyaga az égitest felületére áramlik (kék-fehér ívek). A röntgensugárzásban látható kváziperiodikus oszcillációk egyik értelmezése szerint ezekben a rendszerekben forró pont (fehér ovális) alakul ki a korong belső szélénél, amely kitágul és összehúzódik, ahogy változnak a tulajdonságai. A szabálytalan pályának köszönhetően a forró pontok emissziója egy adott frekvenciatartományon belül változik. (Forrás: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Míg a Swift és a Fermi gammakitöréseiben nem találtak kváziperiodikus oszcillációt, a Compton BATSE műszerének adatai két rövid GRB-t is rögzítettek 1991. július 11. és 1993. november 1. között. A BATSE műszer nagyobb megfigyelési területe előnyt jelentett a halvány minták felfedezése szempontjából – a jellegzetes villogás szupernagy tömegű neutroncsillagok jelenlétéről árulkodott. A kutatók szerint a jelek véletlenszerű megjelenésének esélye egy a hárommillióhoz.

„Ezek az eredmények azért nagyon fontosak, mert előkészítik a terepet a gravitációshullám-obszervatóriumok számára a hipernagy tömegű neutroncsillagok vizsgálatára.” – mondta Chryssa Kouveliotou (George Washington University), aki nem vett részt a kutatásban.

A 2030-as évekre a gravitációshullám-detektorok a kilohertzes frekvenciákra is érzékenyek lesznek, így betekintést engednek majd a szupernagy neutroncsillagok rövid életébe. Addig is az érzékeny gammasugár-obszervatóriumok és a számítógépes szimulációk állnak rendelkezésünkre, ha meg akarjuk vizsgálni őket.

Forrás: NASA

Hozzászólás

hozzászólás