Magyar kutatók a szimuláció világában – az RR Lyrae csillagok tömegén keresztül értjük meg a Világegyetem felépítését.
A csillagászat előrelépéséhez elengedhetetlen a technológiai fejlődése is, hiszen a csillagok életútját és pulzációját leíró szimulációk rendkívül számításigényesek a hatalmas méret- és időskálák miatt. Napjainkra azonban lehetővé vált olyan kulcsfontosságú szoftverek megjelenése, mint a MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics, Paxton és mtsai., 2011) csillagfejlődési, valamint a GYRE (Townsend és Teitler, 2013) pulzációs kód. Ezekről adott áttekintést Kertész Balázs Zoltán az MCSE hírportáljának.
A csillagok életútjának vizsgálatának napjainkban legelterjedtebb módja a MESA használata. Ez a program a fizika és asztrofizika törvényeit alkalmazva lépésről lépésre kiszámolja és szimulálja, hogyan változik a csillagok belső szerkezete és anyagösszetétele a kialakulásuktól kezdve. A szoftver legnagyobb előnye és alkalmazásának lényege a rendkívüli testreszabhatóságában rejlik, mivel a rendszer szinte minden fizikai paramétere szabadon módosítható. Ez a szabadság teszi lehetővé a kutatók számára, hogy egyedi modelleket építhessenek fel, és a legkülönfélébb csillagászati problémákat vagy akár teljesen új fizikai elméleteket is részletesen megvizsgálhassanak a gyakorlatban.
A csillagok belső szerkezetének megértéséhez nem elegendő csupán a fejlődésüket szimulálni, hanem a bennük fellépő rezgéseket, vagyis a pulzációkat is elemezni szükséges. Erre a feladatra tökéletes kiegészítő (és önálló) eszköz a GYRE nevű szoftver, amely alapvetően kompatibilis a MESA-val. Amíg a MESA felépíti a virtuális csillagmodellt, addig a GYRE egy speciális matematikai módszerrel kiszámítja, hogy az adott csillag milyen frekvenciákon képes rezegni. A program különlegessége abban rejlik, hogy a hagyományos és lassabb módszerek helyett apró darabokra bontja a problémát, így sokkal gyorsabban és stabilabban képes megoldani a bonyolult egyenleteket. Ez a páratlan gyorsaság és a MESA programmal való teljes kompatibilitás teszi lehetővé a kutatók számára, hogy rendkívül hatékonyan térképezzék fel a csillagok belső tulajdonságait a rezgéseik alapján.
Az RR Lyrae típusú változócsillagok tipikus fénygörbéje (a csillag fényessége a pulzációs fázis függvényében). Forrás: OGLE
A HUN-REN CSFK SPEX és a SeismoLab kutatócsoportjai többek között arra használják a fentebb bemutatott kódokat, hogy az RR Lyrae típusú változócsillagok régóta vitatott tömegét pontosan meghatározzák. Ezen csillagok kulcsfontosságú standard gyertyák az idősebb csillagrendszerek távolságmérésében. Mivel sem dinamikai, sem spektroszkópiai módszer nem alkalmazható rájuk, a két szoftver együttes alkalmazásával számolt csillagszeizmológia egy teljesen új és független alternatívát kínál a probléma megoldására.
A folyamat lényege, hogy a MESA létrehozza a csillag részletes belső szerkezeti modelljét, a GYRE pedig nagy pontossággal kiszámítja az ebben fellépő rezgéseket és sajátfrekvenciákat. Az elmúlt évtizedekben az ilyen változóknál megfigyelt speciális pulzációk rendkívül érzékenyek a belső fizikai paraméterekre. Éppen ezért a szimulált elméleti eredmények és a valós mérési adatok összevetésével kiküszöbölhetők a korábbi modellek bizonytalanságai, és a keresett érték végre precízen meghatározható.
Egy tipikus anyagátadási, úgynevezett akkréciós folyamat illusztrációja. A képen egy fehér törpe kebelezi be a kísérőcsillagának anyagát. Ez kiváló példája azon asztrofizikai jelenségeknek, amelyeket a MESA segítségével már számtalanszor, rendkívül részletesen modelleztek. Forrás: APOD
A MESA és a GYRE szoftverek felhasználási módjai rendkívül sokoldalúak. A programok segítségével modellezik például az egymás körül keringő és anyagot cserélő kettőscsillagokat, illetve szimulálják az óriáscsillagok élete végén bekövetkező magösszeomlást és a fekete lyukak születését. Emellett vizsgálják velük, hogy mi történik, ha egy csillag bekebelezi a saját bolygóját, kiszámítják az egymásra ható gravitáció által keltett árapályhullámokat, a csillagok rezgéseiből számolják a belső rétegek forgási sebességét, valamint rendkívül pontosan meghatározzák például a távoli exobolygók központi csillagainak paramétereit.
A MESA a jelenlegi számítástechnikai kapacitások mellett még csak egydimenziós kód, ennek ellenére az elmúlt 15 évben folyamatosan lefoglalta a kutatókat, rengeteg új ismeretet eredményezve. Remélhetőleg a jövőben további dimenziók modellezése is elérhetővé válik, ezzel tovább gazdagítva a csillagászati eszközök tárházát és a lejátszódó folyamatokba való mélyebb betekintést.
A fentiekben bemutatott kutatásokat a HUN-REN CSFK finanszírozza. Az RR Lyrae csillagok vizsgálata emellet pedig a 2025. évi EKÖP-25-1 ösztöndíj támogatásával is zajlik.
