Egy sűrű, összeomlott csillag, amely másodpercenként 707-szer fordul meg a tengelye körül, a Tejútrendszer leggyorsabban forgó neutroncsillagai közé tartozik. Felaprította társcsillagát és elfogyasztotta annak szinte összes anyagát, így az eddig ismert legnagyobb tömegű neutroncsillaggá hízott.

A Nap tömegének 2,35-szörösével listavezető tömegű neutroncsillag segítségével megérthetjük az anyag különös kvantumállapotát ezekben a sűrű égitestekben, amelyek – ha ennél is sokkal nehezebbek lesznek – végül teljesen összeomlanak, és fekete lyukként el is tűnnek a szemünk elől.

„Nagyjából tudjuk, hogyan viselkedik az anyag az atommagok sűrűségén, például egy uránatom magjában.” – mondta Alex Filippenko (UC Berkeley). „Egy neutroncsillag olyan, mint egy óriási atommag, de ha másfél naptömegnyi ilyen anyagunk van, vagyis nagyjából 500 ezer földtömegnyi atommag állt össze, akkor nem tudhatjuk biztosan, hogyan fog viselkedni.”

Művészi elképzelés egy fekete özvegy pulzárról. A forgó neutroncsillag rádió- (zöld) és gammasugárzását (lila) ismétlődő jelekként látjuk a Földről. A neutroncsillag vagy pulzár felhevíti társcsillagának (jobbra) felé néző oldalát, így az akár kétszer olyan meleggé válik, mint a Nap felszíne, és lassan elpárolog. (Forrás: NASA Goddard Space Flight Center)

A neutroncsillagok olyan sűrűek (egymilliárd tonna köbcentiméterenként), mondja Roger W. Romani (Stanford University), hogy magjuk a Világegyetem legsűrűbb anyaga – nem számítva a fekete lyukakat, amelyek az eseményhorizontjuk mögé rejtőznek, így lehetetlen őket tanulmányozni. A PSR J0952-0607 jelű pulzár a legsűrűbb égitest, ami a Földről látszik.

A neutroncsillag tömegének meghatározását a hawaii-i 10 méteres Keck I teleszkóp extrém érzékenysége tette lehetővé, amely képes rögzíteni a forrón izzó, gázbolygó méretű társcsillag látható tartományba eső sugárzásának spektrumát. A csillagok nagyjából 3 ezer fényévre vannak a Földtől a Szextáns csillagkép irányában.

A 2017-ben felfedezett PSR J0952-0607 jelű égitest egy úgynevezett „fekete özvegy pulzár”. Nevét arról a pókról kapta, amely párzás után elfogyasztja nála sokkal kisebb hím társát. A csillagászok már több mint egy évtizede vizsgálják a fekete özvegy csillagrendszereket, hogy megtudják, van-e a pulzárok növekedésének felső határa.

A csillagászok megmérték egy halvány csillag (zöld kör) sebességét, amelyet szinte teljesen lecsupaszított egy láthatatlan kísérő, egy milliszekundumos pulzár. Ez az eddig talált legnagyobb tömegű neutroncsillag, és talán a neutroncsillagok tömegének felső határa is egyben. (Forrás: W. M. Keck Observatory, Roger W. Romani, Alex Filippenko)

„Összehasonlítva a többi fekete özveggyel megállapíthatjuk, hogy a neutroncsillagok legalább 2,35 plusz/mínusz 0,17 naptömeget kell, hogy elérjenek.” – mondta Romani. „Ez viszont az atommagokban tapasztalt sűrűség többszörösét jelentheti. Valójában a sűrűanyag-fizika sok népszerű modelljét kizárja ez az eredmény.”

A kutatók szerint, ha a 2,35 naptömeg a neutroncsillagok tömegének majdnem felső határa, akkor a belsejükben egy neutronokból, illetve u-kvarkokból (up, fel) és d-kvarkokból (down, le) álló leves található, de olyan egzotikus anyagok, mint az s-kvarkok (strange, furcsa) vagy kaonok nincsenek bennük.

„A neutroncsillagok tömegének magas felső határa arra utal, hogy a magjukat teljes egészében atommagok és azok u- és d-kvarkjainak keveréke alkotja.” – magyarázta Romani. „Ez sok korábban felvetődött halmazállapotot kizár, főként azokat, amelyek összetétele egzotikus.”

Abban általános az egyetértés, hogy amikor egy 1,4 naptömegnél nagyobb csillag élete végén összeomlik, olyan sűrű, kompakt égitest jön létre, amelynek belsejében a rendkívül nagy nyomás alatt az atomok összezsúfolódva neutron- és kvarktengert alkotnak. Ezek a neutroncsillagok forognak, és mivel túl halványak ahhoz, hogy látható tartományban észlelhessük őket, pulzárként tűnnek fel. Az általuk kibocsátott rádió-, röntgen- vagy épp gammasugarakat a forgásuk következtében olyan felvillanásokként érzékeljük, mint egy világítótorony fényét.

A NASA 2014-ben készült videója a fekete özvegy pulzárokról és a PSR J1311-3430 jelű égitest felfedezéséről. Utóbbi az első volt a maga nemében, amit kizárólag a gammasugárzása alapján fedeztek fel. (Forrás: NASA Goddard Space Flight Center)

Az átlagos pulzárok általában másodpercenként egyszer fordulnak meg. Ez a ráta könnyen magyarázható egy csillag összeomlás előtti forgásával. Vannak azonban olyan pulzárok, amelyek másodpercenként több százszor vagy akár ezerszer villannak fel, amit már nehéz megmagyarázni, hacsak nem azzal, hogy anyag hullott a neutroncsillagra, és az pörgette fel. Ismerünk viszont olyan milliszekundumos pulzárokat is, amelyek mellett nem látunk társcsillagot.

Erre az egyik lehetséges magyarázat az, hogy egykor volt mellettük társ, de addig csupaszították, amit semmivé foszlott.

„Lenyűgöző evolúció!” – mondta Filippenko. „Amikor a társcsillag elkezd vörös óriássá válni, az anyag átáramlik róla a neutroncsillagra, és ettől annak forgása felgyorsul. Ahogy felgyorsul a forgása, hihetetlenül nagy energiára tesz szert, és részecskeszél indul el belőle. Ez a szél eléri a donor csillagot, és elkezdi leszakítani róla az anyagot. Ahogy telik az idő, a donor csillag tömege bolygótömegre csökken, végül teljesen eltűnik. Így alakulhattak ki a magányos milliszekundumos pulzárok. Eleinte nem voltak egyedül – kellett rendelkezniük egy tárcsillaggal –, de idővel elpárologtatták a társukat, így maradtak magukra.”

A PSR J0952-0607 jelű pulzár és halvány társcsillaga alátámasztja ezt az elméletet.

„Ezek a bolygószerű égitestek a normál csillagok maradványai, amelyek hozzájárulva a tömeghez és a perdülethez annyira felpörgetik pulzártársukat, hogy ezredmásodperces forgási periódusa lesz, és közben a tömege is nő.” – mondta Romani.

„Mint egy kozmikus hűtlenség: a fekete özvegy pulzár, amely párjának nagy részét felfalta, most felhevíti és addig párologtatja társát, míg az bolygóméretű lesz, és talán teljesen el is tűnik.” – mondta Filippenko.

A neutroncsillagok tömegének meghatározására az egyik lehetőség, ha találunk egy olyan fekete özvegy pulzárt, amelynek kísérője kicsi, de nem túl kicsi ahhoz, hogy észlelhessük. Ebben a kettős rendszerben a kísérőcsillag – amely ma már csak 20 jupitertömegű –, a neutroncsillag vonzása miatt eltorzult, és kötött a keringése, mint a Holdnak, amelynek mindig csak az egyik felét látjuk. A tárcsillagnak az az oldala, amely a neutroncsillag felé néz, körülbelül 5900 Celsius-fokos, vagyis kissé melegebb, mint a Nap felszíne, és épp annyira fényes, hogy egy nagyobb távcsővel láthassuk.

A kutatók az elmúlt négy évben hat alkalommal állították a Keck I teleszkópot a PSR J0952-0607 jelű égitestre. Minden alkalommal 15 perces felvételeket készítettek a kis felbontású képalkotó spektrométerrel (LRIS), hogy a pulzár körül 6,4 óra alatt befutott pályája meghatározott pontjain elkapják a halvány társcsillagot. A kapott spektrumot összehasonlítva a Nap típusú csillagok spektrumával, képesek voltak megbecsülni a tárcsillag keringési sebességét, és kiszámíthatták a neutroncsillag tömegét.

Ezidáig egytucatnyi fekete özvegy rendszert vizsgáltak meg, amelyek közül csupán hatban volt elég fényes a társcsillag ahhoz, hogy kiszámíthassák a tömeget. A vizsgált neutroncsillagok mindegyikének kisebb volt a tömege, mint a PSR J0952-0607 jelű pulzáré. Remélik, hogy még több fekete özvegy rendszert megvizsgálhatnak, és azok rokonait, a „vöröshátúakat” (redback) is, amelyek a fekete özvegy pók ausztrál fajtájáról kapták a nevüket. Ezekben a rendszerekben a társcsillagok közel egytized naptömegűek. Romani említi még a fekete özvegy másik rokonáról elnevezett tidarreneket is. Ezekben a kettősökben a társcsillag tömege a Nap tömegének egy százada – a Tidarren sisyphoides pókfaj nőstény egyede százszor akkora, mint a hím.

„Tovább kereshetjük a fekete özvegyeket és a hasonló neutroncsillagokat, amelyek még közelebb jutottak a fekete lyuk állapothoz. De ha nem találunk ilyeneket, az megerősíti azt a gyanúnkat, hogy a 2,3 naptömeg az igazi határ, amelyen túl fekete lyukakká válnak.” – mondta Filippenko.

A kutatás eredményeiről szóló szakcikket a The Astrophysical Journal Letters című lap fogadta el publikációra.

Forrás: UC Berkeley