A gravitációs hullámokkal foglalkozó csillagászok olyan fodrozódásokat azonosítottak a téridőben, amelyek egy neutroncsillag és az egyik legkisebb ismert fekete lyuk összeolvadásából származnak.

Amikor egy nagy tömegű csillag szupernóvává válik, a megmaradó mag neutroncsillaggá, vagy ha elég nagy hozzá, fekete lyukká válik. A neutroncsillagok legfeljebb körülbelül 2,5 naptömegűek, a fekete lyukak ennél nehezebbek.

Az 1990-es évek végén a megfigyelők észrevették, hogy a legnehezebb neutroncsillagok és a legkönnyebb fekete lyukak tömege között, amelyek általában legalább 5 naptömegűek, határozott rés tátong. A felfedezést követő elméleti eredmények szerint a csillagokból csak nehezen jöhet létre néhány naptömegű fekete lyuk.

A csillagászoknak már sikerült olyan égitesteket találniuk, amelyek ebbe a feltételezett tömeghézagba esnek, mégpedig a társcsillagokra gyakorolt hatásuknak vagy a gravitációshullám-eseményeknek köszönhetően. Továbbra is vitatott, hogy mekkora a tömeghézag, de ennek eldöntésében talán segítségünkre lehetnek a gravitációshullám-detektorok.

A LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) együttműködés kutatói most egy újabb égitestet találtak, amelynek tömege ebbe a résbe esik.

2023. május 29-én, öt nappal azután, hogy az együttműködés negyedik megfigyelési programja elindult, a LIGO obszervatórium Livingston-detektora gravitációs hullámokat érzékelt. Sajnos a hálózat három másik műszere akkor épp nem működött, illetve nem volt elég érzékeny, hogy fogja a jelet. A kutatók három független algoritmussal elemezték az adatokat, és így sikerült a GW230529 jelű eseményt észlelniük.

Az adatok elemzése során megállapították, hogy az eseményt két égitest spirálvonalú közeledése és összeolvadása idézte elő: az egyik kisebb, 1,2 és 2 naptömeg közötti, a másik nagyobb, 2,5 és 4,5 naptömeg közötti volt. A kisebbik a tömege alapján majdnem teljesen biztosan egy neutroncsillag lehetett. Ahogy a kutatók az Astrophysical Journal Letters című lapban augusztus 1-én megjelent cikkükben írják, a nagyobb égitest egy fekete lyuk lehetett, bár nem tudták egyértelműek kizárni, hogy egy nagy tömegű neutroncsillaggal van dolgunk.

Az együttműködés már korábban is talált égitesteket a tömeghézagban, de azokban az esetekben az összeütköző objektumok közül a kisebbikről volt szó. Ez az első olyan összeolvadás, amelyben az elsődleges égitest esik a tömeghézagba.

Csupán egy maroknyi gravitációshullám-eseményben érintettek olyan égitestek, amelyek a 3–5 naptömegű tartományba esnek. Az ábrán a világoskék körök jelzik azokat a forrásokat, amelyek neutroncsillagok, fekete körök a fekete lyukakat, a kérdőjelet tartalmazó fekete körök pedig azokat a forrásokat, amelyek valószínűleg fekete lyukak, de lehetnek neutroncsillagok is. A GW230529 nagyobb tagja a tömeghézagba esik. Az ábrán a rádióhullámhosszon talált objektumokat nem jelölték. (S. Galaudage / Observatoire de la Côte d’Azur)

A GW230529 azt bizonyítja, hogy a tömeghézag nem üres, de önmagában még nem ad választ az összes kérdésünkre. Elképzelhetőek olyan helyzetek, amelyekben ilyen kis tömegű fekete lyukak jönnek létre. A szupernóva-robbanás után fennmaradt felesleges anyag visszahullhat a csillag magjára, így az nem tud neutroncsillaggá válni, ehelyett fekete lyukká omlik össze. Azt azonban nem tudjuk, hogy mi hozta létre a GW230529 (valószínűsíthető) fekete lyukát.

Pillanatkép egy numerikus szimulációból a GW230529 esemény összeolvadás előtti állapotáról. Az egymásba spirálozás során kibocsátott gravitációs hullámfrontokat kék vonalak ábrázolják. (I. Markin (Potsdam University), T. Dietrich (Potsdam University and Max Planck Institute for Gravitational Physics), H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics)])

Amikor egy kis tömegű fekete lyuk és egy neutroncsillag összeolvad, a fekete lyuk képes széttépni a neutroncsillagot, mielőtt befalná, ahelyett, hogy egészben lenyelné, ahogy azt a nagyobb fekete lyukak teszik. Ez a folyamat hatalmas, izzó anyagörvényt hozhat létre, amelyet a professzionális távcsövekkel érzékelhetünk.

Ez történhetett a GW230529 esetében is, de olyan sok bizonytalanság áll fenn a kettős rendszerrel kapcsolatban, hogy nem mondhatjuk meg biztosan. Mivel csak egyetlen műszerrel észlelték a jelenséget, a csillagászok nem tudták meghatározni a pontos helyzetét a további vizsgálatokhoz.

A GW230529 egyike annak a 81 eseménynek, amit a negyedik megfigyelési program során észleltek. A program második fázisa 2024 áprilisában indult, és 2025 februárjáig tart. A kutatók szerint addigra a felfedezések száma meghaladja a 200-at. Ezek adódnak hozzá ahhoz a körülbelül 100 forráshoz, amelyeket az LVK együttműködés és más, független adatelemzések során fedeztek fel.  

Az eredményekről beszámoló tanulmány az Astrophysical Journal Letters című lapban jelent meg.

Forrás: Sky & Telescope