A Virgo, a LIGO és a KAGRA gravitációshullám-detektorok egy újabb hiányzó láncszemmel egészítették ki az extrém kozmikus jelenségekről alkotott ismereteinket: először figyeltek meg közvetlenül egy fekete lyukból és egy neutroncsillagból alkotott kettős rendszert. Ez egy teljesen újfajta rendszert képvisel, mivel mind ez idáig csak kettős fekete lyukakból vagy kettős neutroncsillagokból álló rendszerek által sugárzott gravitációs hullámokat észleltek. Ez a felfedezés azokba az összetett mechanizmusokba enged betekintést, amelyek ezeket az extrém és ritka asztrofizikai eseményeket előidézhették, és a korábbi Virgo- és LIGO- észlelésekkel együtt, egy még fel nem térképezett kozmikus tájat nyitnak meg előttünk.
A Virgo, a LIGO és a KAGRA tudományos együttműködések 2021. június 29-én bejelentették, hogy elsőként sikerült olyan kettős rendszereket megfigyelniük, amelyek egy fekete lyukból és egy neutroncsillagból („neutron star–black hole”, NSBH) állnak. Ezt az eredményt az tette lehetővé, hogy 2020. januárjában észlelték a két rendszer gravitációhullám-jelét, amelyekben egy fekete lyuk és egy körülötte keringő neutroncsillag olvadt össze egyetlen kompakt objektummá. Ezeknek a vegyes rendszereknek a létezését a csillagászok már több évtizeddel ezelőtt megjósolták, de idáig soha nem figyelték meg kellő bizonyossággal, sem elektromágneses, sem gravitációs jelek révén. A mostani, jelentős eredmény a The Astrophysical Journal Letters című folyóiratban jelent meg 2021. június 29-én.
2020. január 5-én az Egyesült Államokban, a Louisiana állambeli Livingstonban található Advanced LIGO detektor, valamint az olaszországi Advanced Virgo detektor egy gravitációs hullámot figyelt meg, amelyet az NSBH-pár zsugorodó pályáján megtett néhány utolsó, az összeolvadást megelőző keringés során sugárzott ki. Mindössze 10 nappal később egy másik hasonló kettős rendszer keringéséből és összeolvadásából származó második gravitációshullám-jelet is megfigyeltek, ezúttal az Advanced LIGO és Virgo detektorai is. Ez a két, GW200105 és GW200115 jelzésű (észlelésük dátuma alapján) esemény képviseli a neutroncsillagok és fekete lyukak kevert rendszere által sugárzott gravitációs hullámok első megfigyelését.
A januárban észlelt gravitációshullám-jelek értékes információkat hordoznak a rendszerek fizikai jellemzőiről, például a két NSBH-pár tömegéről és távolságáról, valamint azokról a fizikai mechanizmusokról, amelyek a kettőst létrehozták és a komponensek összeolvadásához vezettek. A jel elemzése megmutatta, hogy a GW200105-eseményt létrehozó fekete lyuk és neutroncsillag tömege körülbelül 8,9-szerese és 1,9-szerese Napunk (M☉) tömegének. Továbbá rámutatott, hogy egyesülésük 900 millió évvel ezelőtt történt, több 100 millió évvel azelőtt, hogy az első dinoszauruszok megjelentek a Földön. A Virgo és a LIGO tudósai úgy becsülik, hogy a GW200115-eseményt létrehozó kompakt objektumok tömege nagyjából 5,7 M☉ (fekete lyuk) és 1,5 M☉ (neutroncsillag) volt, és hogy majdnem egymilliárd évvel ezelőtt egyesültek.
„Bizonyítékokat nyertünk arra, hogy műszereink érzékenysége már meghaladja az ilyen rendszerek felderítéséhez szükséges küszöböt” – jelentette ki Giancarlo Cella, az INFN kutatója és a Virgo adatelemzési koordinátora. – „Így azt várjuk, hogy ez a következő megfigyelési időszakokban rutinszerűvé válhat.”
Dr. Barta Dániel, a Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos munkatársa és a Virgo együttműködés tagja a következőképpen kommentálta a bejelentést: „Az olyan kompakt kettős rendszerek, amelyek legalább egyik komponense neutron csillag, nem csak a relativisztikus asztrofizikai objektumokra vonatkozó ismereteinket bővítik, hanem kivételes lehetőséget nyújtanak az extrém nagy sűrűségű maganyag és a gravitáció kapcsolatának tanulmányozására is. A kompakt csillagok olyan megfigyelhető makroszkopikus fizikai jellemzőiből, mint a tömegük és sugaruk, következtethetünk a mikrofizikai tulajdonságaikra. A rövid idejű pericentrikus áthaladás során, mikor a neutroncsillag megközelíti a fekete lyukat, az árapályerők deformálják a csillagot és ún. r-módusú rezgéseket gerjesztenek, amelyek viszont saját, tipikusan hosszú időtartamú gravitációshullám-jeleket bocsájtanak ki és csatolódnak a kompakt kettős jeléhez. Ily módon a frekvenciájuk segítségével jellemezett rezgések a csillagok szerkezetéről is információkat kódolnak a gravitációshullám-jelbe.”
A LIGO–Virgo együttműködés munkájában három magyar kutatócsoport is részt vesz, és a fentihez kapcsolódó kutatási témákon dolgoznak. A Dr. Vasúth Mátyás vezette, a Wigner Fizikai Kutatóközpontban működő Gravitációfizikai Kutatócsoportja 2010-től a Virgo együttműködés tagja. Az Eötvös Gravity Research Group (EGRG) az Eötvös Loránd Tudományegyetemen működik Dr. Frei Zsolt vezetésével, ami 2007 óta az LSC tagja. Szintén a LIGO együttműködés tagja a Szegedi Tudományegyetem gravitációs hullámok kutatásával foglalkozó, Dr. Gergely Árpád László vezette kutatócsoportja, mely 2009-től az ELTE csoport külső tagjaként, 2014-től pedig önállóan végzi kutatómunkáját. Az együttműködésnek a három magyarországi kutatócsoporton kívül is vannak magyar résztvevői, Dr. Bartos Imre, a Floridai Egyetem, Dr. Márka Szabolcs és Dr. Márka Zsuzsa pedig a Columbia Egyetem kutatóiként vesznek résznek a kutatásokban.
Forrás: www.ego-gw.it, Wigner Garvitációfizikai Kutatócsoport
Kép: Carl Knox, OzGrav - Swinburne University
