Kölcsönhatások és porképződés: szupernóvák közép-infravörös “látlelete”

1972

Egy szegedi vezetésű, kis nemzetközi csapat a NASA Spitzer-űrtávcsövének adatait felhasználva végezte el az eddigi legátfogóbb vizsgálatot a csillagrobbanások közép-infravörös jellemzőivel kapcsolatban.

A Napunknál jóval nagyobb tömegű, vagy akár Napunkhoz hasonló, de kettős rendszerekben lévő csillagok életét lezáró szupernóva-robbanások, a kataklizmikus végkifejletet megelőző csillagfejlődési szakaszok, valamint ezen extrém energiájú robbanások hatásainak tanulmányozása napjaink asztrofizikai kutatásainak kiemelt fontosságú területei. Ráadásul ezek is a csillagászati és űrfizikai kutatási témák azon, egyre bővülő listájához tartoznak, amelyeken belül a magyar, illetve Magyarországon dolgozó csillagászok folyamatosan figyelemre méltó eredményeket érnek el. A szupernóvák kutatásának talán legközismertebb vonatkozása a kozmikus távolságmérésben betöltött szerepük, valamint az ezzel kapcsolatos, 2011-es fizikai Nobel-díj. Emellett az utóbbi években egyre nagyobb hangsúllyal vizsgálják a szupernóváknak a kémiai elemek keletkezésében betöltött szerepét, amely többek között saját Naprendszerünk kialakulása és fejlődése szemszögéből is fontos tényező lehet. Részben ehhez kapcsolódóan pedig a csillagrobbanásoknak a szűkebb és tágabb környezetükkel való kölcsönhatására, valamint ennek járulékos hatásaira (így pl. porszemcsék képződésére) is egyre nagyobb figyelem fordítódik.

Szupernóva-robbanások esetében kölcsönhatásokról többféle értelemben is beszélhetünk. Egyrészt a robbanáskor létrejövő, és ezt követően rendkívül nagy sebességgel (kezdetben akár több tízezer km/s!) terjedő lökéshullám-front a közvetlen közelben lévő anyagba ütközhet, másrészt ennek az ún. csillagkörüli (cirkumsztelláris) anyagnak a részecskéit a robbanásból származó, nagy energiájú fotonok is képesek gerjeszteni (vagy akár ionizálni). Asztrofizikai szempontból különösen izgalmas, hogy a csillagkörüli anyag a felrobbant égitestről vagy az esetleges társkomponensről fújódott le korábbi fejlődési szakaszok során, így észlelése és vizsgálata a csillag(ok) késői fejlődési állapotairól és a szupernóva-robbanás körülményeiről is sok részletet elárulhat. A kölcsönhatások következtében a szupernóva-robbanás táguló maradványa meglehetősen komplex szerkezetűvé válik, ami különböző jellegű sugárzási folyamatok létrejöttét eredményezi a rádiótól a röntgentartományig bezárólag (1. ábra). A táguló burokban és a csillagkörüli anyagban — kísérőjelenségként — porszemcse-kondenzáció, illetve korábban keletkezett porszemcsék felfűtődése is lejátszódhat, ami pedig jellemzően az infravörös tartományban eredményez további energiakibocsátást.

1. ábra: Egy nagy tömegű csillag végállapotként bekövetkező, ún. kollapszár szupernóva-robbanás táguló gázburkának és környezetének sematikus (nem méretarányos) ábrája. 1) táguló burok, 2) visszavert lökéshullám, 3) a lökéshullám által “összesöpört” burokanyag, 4) kontakt diszkontinuitás (vagy „hideg, sűrű héj”), 5) lökéshullám által “összesöpört” csillagkörüli anyag, 6) robbanási lökéshullám, 7) robbanás előtti anyagvesztésből származó gázanyag, 8) a lökéshullámok által keltett rádió-, látható UV és röntgensugárzás, 9) robbanás előtti anyagvesztésből származó por.

A fentebb említett, különböző jelenségek időskálája igen változatos: míg bizonyos kölcsönhatások már órákkal/napokkal a robbanást követően lejátszódnak, addig pl. a lökéshullám-front nagyobb távolságban lévő anyaggal való ütközése, vagy a szupernóva-maradvány lehűlését igénylő porkeletkezési folyamatok csak évekkel, vagy akár évtizedekkel/évszázadokkal később következnek be. A szupernóvák késői fejlődésének nyomon követésére alapvetően a közép-infravörös (azaz kb. 3 és 30 mikron hullámhossz közötti) tartomány számít a legideálisabbnak. Egyrészt gyakorlatilag mentes a látható tartományban végzett megfigyeléseket komolyan korlátozó, a látóirányba eső gáz- és porfelhők által okozott csillagközi fényelnyelés és fényszóródás (összefoglaló néven fénygyengülés, extinkció) hatásától. Másrészt egy idő után a folyamatosan hűlő, ledobott csillaglégkör-burok spektrális energiaeloszlásának maximuma a látható tartományból az infravörösbe tolódik át (így, míg a szupernóvák ultraibolya vagy látható fényben általában néhány hónap alatt elhalványulnak, többségük infravörös tartományban még évekig követhető).

Az utóbbi másfél évtizedben a NASA Spitzer-űrtávcsöve számít(ott) az Univerzum közép-infravörös feltérképezése első számú eszközének (az űrobszervatórium 2003-2009 között működött teljes kapacitással; azóta a hűtőfolyadék elfogyása miatt csak a két legrövidebb hullámhosszon tud csak méréseket végezni, és küldetése lassan a végéhez közelít). Detektorai érzékenysége és látómezeje lehetővé teszi, hogy a kutatók a Naprendszer égitestjei és a Galaxisunk objektumai mellett távoli galaxisokat is vizsgáljanak a segítségével, a bennük zajló csillagkeletkezési folyamatoktól kezdve egészen a csillagok pusztulásának nyomon követésééig.

Egy, a Szegedi Tudományegyetem csillagásza, Szalai Tamás vezetésével létrejött csoport (amelyben Zsíros Szanna SZTE-s egyetemi hallgató mellett egy amerikai, egy cseh és egy chilei kutató működött közre) a napokban publikálta az eddigi legátfogóbb elemzést a Spitzer-űrtávcsővel valaha észlelt szupernóvákról. A kutatók fő motivációja az volt, hogy a célzott szupernóva-megfigyelések mellett a Spitzer-űrtávcső IRAC (Infrared Array Camera) nevű detektorának archív felvételei között számos olyan kép szerepel, amelyeken az eredeti célpontok mellett “véletlenül” rajta lehet egy-egy szupernóva is.
A mintegy három évig tartó kutatómunka eredményeképp született tanulmány több mint 1100 szupernóva Spitzer-képeire épül, ami kb. ötször(!) akkora minta, mint ahány szupernóváról eddig összesen (pozitív vagy negatív) infravörös észlelést közöltek a szakirodalomban. A ténylegesen a szupernóva-robbanáshoz köthető, pozitív detektálások számát is sikerült jelentősen megnövelni (az eddigi, kb. 70 objektumról mintegy 120-ra), ami jelentősen hozzájárult a statisztikai jellegű vizsgálatok pontosabbá tételéhez.

2. ábra: Mintegy 120 szupernóva közép-infravörös fejlődését bemutató, összefoglaló ábra. A különböző színek és szimbólumok a szupernóva-robbanások különböző típusait jelzik. Egyes szupernóvák akár a robbanás után 15-20(!) évvel is detektálhatók voltak a Spitzer-űrtávcsővel. Néhány, erősen kölcsönható szupernóva évekkel a robbanást követően (kép jobb felső részén lévő pontok) akár több ezerszer intenzívebben sugározhat infravörösben, mint hasonló korú társaik (Szalai T. és mtsai, 2019).

A tanulmány egyik legfontosabb konklúziója, hogy gyakorlatilag minden kölcsönható szupernóva mutat detektálható mértékű közép-infravörös többletsugárzást is, így a jövőben is érdemes lehet ezeken a hullámhosszakon megfigyeléseket folytatni. Ez különösen fontos hír a NASA — a legfrisebb előrejelzések szerint — 2021 májusában felbocsátandó űrobszervatóriuma, a James Webb Űrtávcső kapcsán, amely látható és infravörös tartományban végez majd minden eddiginél jobb érzékenységű méréseket, amelyek a kozmikus robbanások és hatásaik mélyebb megértéséhez is közelebb vihetnek bennünket.

Az átfogó vizsgálatot bemutató szakcikk a nívós Astrophysical Journal Supplement Series folyóirat legújabb számában került közlésre. A cikkben bemutatott kutatási eredményeket magyar részről a GINOP-2.3.2-15-2016-00033 „Tranziens Asztrofizikai Objektumok” projekt, a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH) OTKA PD112325 jelű pályázata, valamint az Emberi Erőforrások Minisztériuma UNKP-17-2 és UNKP-17-4 kódszámú Új Nemzeti Kiválósági Programjai támogatták.

Kapcsolódó linkek:
Szalai T.: Porgyártó(?) szupernóvák (Fizikai Szemle, 2010/12., 399. o.)
Szalai T. – Zsíros Sz. – Vinkó J.: Kölcsönhatások és porképződés a szupernóvák környezetében (Természet Világa, 2018/8.)

Hozzászólás

hozzászólás