Egy új kutatás szerint a gravitációs hullámokat detektáló eszközök legújabb generációja áttörést érhet el a szupernóva-kutatás terén: ezek a műszerek képesek lesznek detektálni a nagy tömegű csillagok halálakor bekövetkező szupernóva-robbanásokat akár 65 millió fényév távolságban, ami tehát azt jelenti, hogy nem csak a saját galaxisunkban, hanem a Virgo-halmaz galaxisainak messzeségében is. A detektálás tényén túl az is világossá válik majd, hogy az adott nagy tömegű csillag szupernóva-robbanása után neutroncsillag, avagy fekete lyuk marad vissza.

Az első gravitációs hullám-detektor, a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) képes volt megérezni a fekete lyukak, illetve neutroncsillagok összeolvadása által keltett gravitációs hullámokat, az olasz Virgo, illetve a japán KAGRA ( Kamioka Gravitational Wave Detector) működésbe lépése azonban új ablakot nyithat a fekete lyukak, neutroncsillagok, és szupernóvák asztrofizikájának témakörében. A LIGO, a Virgo és a KAGRA (LVK) együttese képes lehet tehát meghallani a galaxisunkban, vagy annak közelében felrobbant szupernóvák csiripelését. Felvetődik azonban egy érdekes kérdés: vajon a szupernóvák hogyan bocsátanak ki gravitációs hullámokat?

Balra: a Cassiopeia A szupernóva-maradvány kb. 330 évvel a robbanás után. Jobbra: példák kozmikus kataklizmák bekövetkezését jelző gravitációshullám-detektálásokra. (Forrás: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, CXC/SAO/JPL-Caltech/Steward/O. Krause et al., és NRAO/AUI/ Ligo Collaboration.)

Einstein relativitáselmélete szerint a gyorsuló objektumok, mint például az egymásba spirálozó neutroncsillagok, vagy fekete lyukak, apró fodrozódásokat hoznak létre a téridő szövetén, amelyeket gravitációs hullámoknak nevezünk. Az összeolvadás következményeként, amelyet a gravitációshullám-detektorok szintén képesek észlelni, egy nagyobb tömegű fekete lyuk keletkezik.

A gyorsuló mozgás mindezek mellett a szupernóva-robbanások során is jelen van: amikor egy nagy tömegű csillag magja összeomlik, az is egy gyorsuló folyamatnak tekinthető, így az elmélet szerint szintén gravitációs hullámok kibocsátásával jár. A nagy tömegű objektumok összeolvadásával ellentétben azonban ilyen gravitációs hullámokat még nem sikerült detektálnunk.

Az LVK együttműködés keretein belül a becslések szerint akár éves gyakorisággal képesek lehetünk szupernóva-robbanások által keltett gravitációs hullámok detektálására. Ez a gyakoriság jócskán meghaladja a Tejútrendszer szupernóva-rátáját, ugyanis galaxisunkban akár több évszázad is eltelhet egy-egy szupernóva-robbanás között.

Fekete lyuk vagy neutroncsillag?

A kezdetben a Napunk tömegének 8-szorosánál nagyobb tömegű csillagok élete magösszeomlásos szupernóva-robbanással ér véget. Ennek során a csillag magja egy adott határtömeget elérve gravitációsan összeomlik, és kialakul belőle egy neutroncsillag mag, amelyről a csillag burkának befelé hulló anyaga visszapattan, és egy kifelé terjedő lökéshullámot indít el. A mag további összehúzódás során átalakulhat fekete lyukká is. Az, hogy végül neutroncsillag, vagy fekete lyuk alakul ki a haldokló csillag magjából, a kezdeti tömeg függvénye: a legnagyobb tömegű csillagok (M > 30 naptömeg) magja fekete lyukká, a kisebb tömegűeké ( 8 < M < 30 naptömeg) pedig neutroncsillaggá omlik össze.

A közelmúltban egy kutatócsoport az Ic típusú szupernóva-robbanások egy alcsoportjával foglalkozott a gravitációs hullámok kontextusában. Az Ic típusú szupernóvák olyan csillagokból keletkeznek, amelyek haláluk előtt csillagszél formájában lefújják magukról külső hidrogén-, illetve héliumburkukat. A vizsgált alcsoport pedig úgynevezett hosszú gamma-kitöréseket (long GRB, long gamma-ray burst) produkál. Ezek a gammatartományban megfigyelhető, villanás-szerű felfényesedések, amelyeket a szupernóva-robbanás maradványaként kialakult, gyorsan forgó fekete lyuk pólusaiból kiáramló, fénylő nyalábok keltenek.

Illusztráció egy csillagról, amelynek élete magösszeomlásos szupernóvaként ér véget. (Forrás: INAF/Maurice HPM van Putten et al., ApJL, 2024.)

A tanulmány szerzői szerint az ilyen szupernóva-robbanások által hagyott, rendkívül gyorsan forgó fekete lyukat egy sűrű anyagtórusz veszi körül, amelyről anyag áramlik a központi objektumra, ezzel perdületet adva át annak. Ez az impulzus-momentum átadás pedig gravitációs hullámok kibocsátásához vezet. Ahogy az anyagtórusz az idő előrehaladtával hűlésnek indul, és eltávolodik a központi objektumtól, annak forgása lassulni kezd. Ha a lassulást negatív irányú gyorsulásnak tekintjük, akkor azt is mondhatjuk, hogy ilyenkor „negatív”/lassuló gravitációs hullámok keletkeznek (azaz a frekvencia csökkenni fog, szemben a kettős kompakt objektumok összeolvadásakor karakterisztikusan növekedő frekvenciával).

Ilyen gravitációs hullámokat kizárólag egy magösszeomlásos szupernóva-robbanás során kialakult fekete lyuk bocsáthat ki, hiszen egy neutroncsillagnak nincs annyi kezdeti energiája, amelynek elvesztését ilyen módon detektálhatnánk jelenlegi műszereinkkel. Ha tehát sikerülne az LVK kollaboráció során lassuló gravitációs hullámot detektálni, biztosak lehetnénk abban, hogy az adott csillag magja fekete lyukká omlott össze.

Illusztráció an SN2022jli nevű szupernóva kialakulásáról, és magjának neutroncsillaggá, avagy fekete lyukká történő összeomlásáról. (Forrás: ESO/L. Calçada.)

A gravitációs hullámok vizsgálatával tehát a csillagászatnak egy új területére merészkednénk, amely eltávolodik az elektromágneses sugárzás detektálásától, és mégis rengeteg új információval szolgál a szupernóva-robbanásokkal, fekete lyukakkal és neutroncsillagokkal kapcsolatban.

A kutatócsoport a nagy presztízsű The Astrophysical Journal Letters című szaklapban tette közzé eredményeit.

A cikk forrása: https://www.space.com/dying-stars-chirps-neutron-star-black-hole