A legnagyobb tömegű csillagok halálukkor saját súlyuk alatt önmagukba roskadnak, és egy fekete lyuk marad belőlük vissza. Ugyanakkor a kicsivel kevésbé masszív csillagok életük végén szupernóvaként robbannak fel, összeomló magjukból pedig egy neutroncsillagnak nevezett, nagyjából 10 km átmérőjű, sűrű, tömör csillagmaradvány keletkezik. A kétféle végeredmény tömegeloszlása nem folytonos. Az eddig ismert legnehezebb neutroncsillag a Napnál kevesebb mint 2,5-szer nagyobb tömegű, míg a legkisebb ismert fekete lyuk tömege mintegy ötszöröse a Napénak. A két tartomány közötti tömeghézaggal kapcsolatos kérdések évtizedek óta foglalkoztatják az asztrofizikusokat. A legfontosabb kérdések mind közül: valóban létezik ez a tömeghézag, vagy vannak ott is égitestek, csak éppen nem fedeztük még fel őket? És ha vannak ilyen égitestek, azok vajon fekete lyukak, vagy neutroncsillagok?
Most azonban az Amerikai Egyesült Államokbeli LIGO és az európai VIRGO gravitációshullám-obszervatóriumok kutatói bejelentették, hogy nemrég egy 2,6 naptömegű, határozottan a tömeghézagba eső égitest gravitációs jeleit észlelték. „Évtizedek óta várunk a rejtély megoldására” – kezdi a felfedezésről szóló szakcikk egyik társszerzője, Vicky Kalogera, a Northwestern Egyetem professzora. – „Bár nem tudjuk, hogy ez az égitest vajon a legnehezebb ismert neutroncsillag, vagy a legkönnyebb ismert fekete lyuk-e, de mindenképp rekorder.”
„A tudósok másképp fognak ezután beszélni a neutroncsillagokról és fekete lyukakról” – teszi hozzá Patrick Brady, a Wisconsini Egyetem professzora és a LIGO Tudományos Együttműködés szóvivője. – „A tömeghézag talán nem is létezik, csak a megfigyelési lehetőségeink torzítása okozza. Ezt az idő és a további észlelések fogják eldönteni.”
A 2019. augusztus 14-én detektált, GW190814 jelű, 800 millió fényéves távolságban lezajlott eseménynek nem ez az egyetlen különlegessége. A gravitációs hullámokat ezúttal is két nagy tömegű, szorosan egymás körül keringő kompakt égitest keltette a komponensek összeolvadása előtti utolsó pillanatokban. A nagyobbik test egy 23 naptömegű fekete lyuk volt, így magasan ezek voltak a legaszimmetrikusabb kettős rendszerből származó gravitációs hullámok. A nagyobbik égitest kilencszer több anyagot tartalmazott a kísérőjénél. Az összeolvadás után egy 25 naptömegű fekete lyuk maradt vissza, míg az össztömeg egy nem elhanyagolható hányada a kibocsátott gravitációs hullámok energiájává alakulva távozott.
„Az elméleti modelljeink számára nehézséget okoz egy ilyen aszimmetrikus tömegarányú összeolvadó kompakt páros kialakulásának a leírása, amelyben a kisebbik égitest a tömeghézagban található. A mostani megfigyelésünkből következik, hogy az ilyen események jóval gyakoribbak lehetnek, mint vártuk, így ez ez igazán érdekes alacsony tömegű égitest” – fejti ki Kalogera. – „A rejtélyes objektum lehet egy fekete lyukba olvadó neutroncsillag. Ennek az izgalmas eseménysornak az elméleti lehetőségét ismertük, de megfigyelésekkel eddig nem sikerült megerősíteni. Ám a 2,6 naptömeg a legfrissebb számításaink szerint túl nagy egy neutroncsillaghoz. Ez esetben pedig ez a valaha megfigyelt legkisebb tömegű fekete lyuk.”
A LIGO és a VIRGO munkatársai amint észlelték a GW190814 gravitációshullám-eseményt, egyből riasztották az optikai csillagászokat. A jelenség elektromágneses fényét tucatnyi földi és űrtávcsővel keresték, ám nem találtak semmit az égbolt kijelölt részén. Eddig egyedül a 2017 augusztusában észlelt, GW170817 jelű gravitációshullám-esemény optikai jeleit sikerült észlelniük a csillagászoknak. Ez volt a többcsatornás csillagászat születésének történelmi pillanata. Akkor két neutroncsillag szakadt szét, majd egyesült heves ütközéssel. Az ilyen neutroncsillag-összeolvadások során rengeteg forró anyag repül ki a világűrbe, így várható is jelentős elektromágneses sugárzás. Ugyanakkor két fekete lyuk összeolvadását jellemzően nem kíséri fényjelenség.
A 2019. augusztusi esemény utófényének hiányát több dolog is magyarázhatja. Egyrészt ez a rendszer hatszor távolabb van, mint a 2017-es volt, így ha bocsátott is ki fényt az összeolvadás során, azt nehezebb lehetett a Föld távolságából észlelni. Másrészt ha két fekete lyuk vett benne részt, akkor nem is várunk fényjelenséget. Harmadrészt, ha a kisebbik égitest neutroncsillag is volt, óriási tömegtöbblete miatt nagyobbik társa talán „lenyelte egyben”, mielőtt ez még szétszakadhatott volna, hiszen egy 23 naptömegű fekete lyuk átmérője egy nagyságrenddel nagyobb mint egy neutroncsillagé. „Gondoljunk csak a Pacmanre” – hoz példát Kalogera. – „Ha ilyen nagy a tömegaszimmetria, a kis neutroncsillagot egyetlen falatban le tudják nyelni.”
De honnan fogják a csillagászok megtudni, hogy a kisebbik égitest fekete lyuk vagy neutroncsillag volt-e? Ezt a kérdést csak további hasonló események jelenlegi és jövőbeli műszerekkel való megfigyeléseivel lehet majd megválaszolni. Minél több adatpontunk lesz, a tömeghézagnak annál határozottabban ki kell rajzolódnia, vagy el kell tűnnie. „Ez csak az első pillantás abba, ami a kompakt kettősök egy teljesen új családját is jelentheti” – magyarázza Charlie Hoy, a LIGO Tudományos Együttműködés tagja és a Cardiff Egyetem hallgatója. – „Az egész azért nagyon izgalmas, mert ez még csak a kezdet. A detektoraink érzékenységének fokozásával egyre több ilyen jelet fogunk észlelni, így pontosan fel tudjuk majd térképezni világegyetemünk neutroncsillagainak és fekete lyukainak a populációit.”
„A tömeghézag évtizedeken át izgalmas probléma volt, most pedig találtunk egy égitestet pont a hézagban” – zárja gondolatait Pedro Marronetti az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Kutatástámogatási Alapjának (National Science Foundation, NSF) gravitációfizikai programigazgatója. – „Ez nem magyarázható meg anélkül, hogy módosítanánk a rendkívül sűrű anyagra, illetve a csillagfejlődésre vonatkozó tudásunkat. Újabb példája ez a gravitációshullám-csillaagászat megújító hatására, aminek minden új felfedezése rendkívüli új ismeretekkel gazdagít bennünket.”
Forrás: CalTech