Először fogtak neutroncsillag és fekete lyuk ütközéséből származó gravitációs hullámokat

2021. június 29. – 14:06

Először fogtak neutroncsillag és fekete lyuk ütközéséből származó gravitációs hullámokat
„Örvénylő Szivárvány” – az összeolvadó neutroncsillagok és fekete lyukak által inspirált művészi rajz – Forrás: OzGrav–Swniburne University / Carl Knox

Másolás

Vágólapra másolva

Két új jelet is észlelt a gravitációs hullámok detektálására létrejött LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) együttműködés. A bejelentés jelentőségét az adja, hogy ezek az első olyan észlelések, amelyek során egy-egy neutroncsillag és fekete lyuk összeütközéséből keletkezett gravitációs hullámot sikerült azonosítani. A segítségükkel közelebb juthatunk annak megértéséhez, hogy miért nem láttunk még soha a galaxisunkban fekete lyuk körül keringő pulzárt.

Gyorstalpaló: miről is van itt szó?

Az utóbbi évek egyik legjelentősebb tudományos projektje a gravitációs hullámok vadászata. Az első hullámot 2016-ban sikerült azonosítani, ez akkor olyan tudományos szenzáció volt, hogy szokatlan módon már a következő évben Nobel-díjat ért, és a kutatók teljesen új eszközt nyertek az univerzum megismeréséhez.

A gravitációs hullámok fodrozódások a téridő szövetén: a téridő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai, amelyeket gyorsan mozgó, hatalmas tömegek hoznak létre. Többféleképpen keletkezhetnek, eddig leginkább két fekete lyuk összeolvadásából származókat sikerült megfigyelni, de észleltek már olyat is, amely neutroncsillagok ütközésekor jött létre – ez utóbbi, a 2017-es felfedezés is tudományos mérföldkőnek számított, mert a segítségével a többcsatornás csillagászat korszakába léptünk. Erről, illetve a gravitációs hullámok működéséről és jelentőségéről itt olvashatnak részletesebben.

Maga a terület persze sok évtizedes múltra tekint vissza – az öt évvel ezelőtti felfedezés Albert Einstein 1916-os elméletét igazolta –, de csak az utóbbi években, több száz tudós és rengeteg pénz segítségével sikerült kellőképpen érzékeny műszereket építeni a hullámjelek észleléséhez: a két amerikai LIGO-, az olaszországi Virgo- és legutóbb a japán KAGRA-detektort. A nemzetközi kollaborációban magyar kutatók is részt vesznek, az ELTE-n és az SZTE-n egy-egy LIGO-tagcsoport működik, a Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai pedig a Virgo-csoport tagjai.

Először fogtak ilyen párost

A most bejelentett két gravitációs hullámot még 2020 januárjában, a projekt harmadik megfigyelési fázisában észlelték, de az adatok feldolgozása és értékelése hosszú idő, az eredményeiket kedden tették közzé az Astrophysical Journal Letters nevű szaklapban – derül ki az ELTE LIGO-tagcsoportjának közleményéből.

A gravitációs hullámok első észlelése óta eltelt öt évben a kutatók már több mint ötven jelet – tavaly ősszel például egy szuszra 39-et – azonosítottak összeolvadó fekete lyukakból és egymással ütköző neutroncsillagokból.

Ez a tíz napon belül detektált két jel az első, amelyek egy-egy neutroncsillag és fekete lyuk összeolvadásából származnak. Mindkettő több mint 900 millió fényév távolságból érkezett, és mindkét neutroncsillagot egészben nyelt el a fekete lyuk párja.

A neutroncsillag elnyeléséről egy illusztrációs videót is közzétettek, hogy könnyebb legyen elképzelni:

Kettős neutroncsillag-rendszereket először 1974-ben figyeltek meg galaxisunkban, a Tejútrendszerben a rádióhullámokat kibocsátó neutroncsillagok, az úgynevezett pulzárok jeleinek észlelésével. A csillagászok évtizedek óta keresik a fekete lyukak körül keringő pulzárokat, de eddig még a Tejútrendszerben sem sikerült ilyet találni. A távoli galaxisokból érkező új felfedezésekkel viszont megérthetjük, hogy hány ilyen rendszer létezik, milyen gyakran egyesülnek, és miért nem láttunk még példát rá a mi galaxisunkban.

Nagyon eltérnek minden ismert zajtól

A két esemény közül az elsőt, a GW200105 jelűt a LIGO Livingston és a Virgo detektorok észlelték 2020. január 5-én. A LIGO hanfordi detektora az észlelés idején átmeneti leállás alatt volt. A livingstoni LIGO-detektor erős jelet fogott, a Virgónál viszont kicsi volt a jel-zaj arány. A gravitációs hullám tulajdonságai alapján a kutatócsoport arra következtetett, hogy a jelet egy 9 naptömegű – azaz a mi Napunk tömegénél körülbelül kilencszer nehezebb – fekete lyuk és egy 1,9 naptömegű, nagy sűrűségű égitest összeolvadása bocsátotta ki. Ez az egyesülés tőlünk 900 millió fényévre történt.

Annak ellenére, hogy a jel csak egy detektornál volt nagyon erős, biztosak lehetünk benne, hogy az valós, és nem csak valamilyen zaj eredménye.

Az észlelés minden szigorú ellenőrzésen átment, és nagyon eltér minden ismert zajtól, amelyet a harmadik megfigyelési időszak során láthattunk – írják a kutatók. Mivel csak egy detektor fogott erős jelet, az összeolvadás helye az égen továbbra is bizonytalan, nagyjából a telihold méretének 34 000-szeresét kitevő területre esik.

Bár a gravitációs hullámok önmagukban nem fedik fel a kisebb komponens szerkezetét, a maximális tömegére lehet következtetni. Ennek az információnak a birtokában, illetve az ilyen kettős rendszerben várható neutroncsillagok tömegének elméleti előrejelzésével arra a következtetésre jutottak a kutatók, hogy a neutroncsillag a legvalószínűbb magyarázat.

A második, GW200115 elnevezésű jelet mind a LIGO-detektorok, mind a Virgo-detektor észlelte 2020. január 15-én. Egy 6 naptömegű fekete lyuk és egy 1,5 naptömegű neutroncsillag összeolvadásából származik, amely a Földtől nagyjából 1 milliárd fényévnyire következett be. A három műszer információi alapján az LVK kutatói jobban meg tudták határozni az ég azon részét, ahol ez az esemény történt, azonban ez az égterület még így is közel 3000-szer akkora, mint a telihold.

Akár napi egy hullámot is elcsíphetnek

Az LVK asztrofizikusai nem sokkal az észlelés után riasztották a csillagász partnereiket, akik az események kísérőfényeit próbálták megtalálni, hogy egy másik módszerrel is sikerüljön azonosítani a hullámokat generáló eseményeket. Ez a keresés azonban ezúttal eredménytelenül zárult, ami nem meglepő, mivel ezeknek az összeolvadásoknak a nagyon nagy távolsága azt jelenti, hogy a belőlük érkező fény nagyon halvány lenne, és még a legnagyobb távcsövekkel is nehéz lenne észlelni. Nagy tűzijátékra egyébként sem lehetett számítani, mivel a fekete lyukak nagy valószínűséggel elég nagyok voltak ahhoz, hogy egészben lenyeljék a neutroncsillagokat.

A két biztos neutroncsillag-feketelyuk gravitációshullám-észlelés alapján a kutatók most úgy becsülik, hogy a Föld egymilliárd fényéves környezetén belül havonta átlagosan egy ilyen összeolvadás történhet – bár nem minden ilyen esemény észlelhető a jelenlegi detektorokkal.

A LIGO, a Virgo és a hozzájuk újonnan csatlakozott KAGRA kutatócsoportjai folyamatosan fejlesztik a detektoraikat, hogy felkészüljenek a következő, 2022 nyarán kezdődő, negyedik megfigyelési időszakra. A jobb érzékenységnek köszönhetően remélhetőleg már naponta egyszer észlelni tudják majd a különböző összeolvadásokból származó hullámokat. Ezek segítségével jobban megismerhetjük majd a fekete lyukak és a szupersűrű anyag alkotta neutroncsillagok tulajdonságait.