A kutatók először figyeltek meg egy égi jelenséget gravitációshullám-detektorokkal és távcsövekkel is.
2017. augusztus 17-én, magyar idő szerint 14:41:04-kor a LIGO és VIRGO detektorok gravitációshullám-jelet észleltek, amelynek a forrása két neutroncsillag összeütközése volt. A jelek elemzéséből a kutatók megállapították, hogy az ütközés résztvevői körülbelül 1,2 és 1,5 naptömegűek lehettek.
Az észlelés több rekordot is megdöntött, hiszen 130 millió fényéves becsült távolságával ez az eddigi legközelebbi észlelt gravitációshullám-forrás, egyúttal résztvevőinek tömege is jóval (egy nagyságrenddel) kisebb, mint az eddig észlelt összeütközésekben szereplő fekete lyukaké.
Sűrű táncrend nehéz elemekkel
A neutroncsillagokról érdemes tudni, hogy igen kicsiny, nagyjából 20 kilométer átmérőjű, elképesztően sűrű égitestek – ha valamiképp módunk lenne egyetlen teáskanálnyi mintát venni anyagukból, ez körülbelül egymilliárd tonnát nyomna.
A gravitációshullám-detektorok által észlelt jelek akkor keletkeztek, amikor két neutroncsillag nagyjából 300 kilométerre megközelítette egymást, és egyre gyorsulva, spirális pályán összeütköztek. Ez a “tánc” nagyjából 100 másodpercig keltett olyan jeleket, amelyeket a földi gravitációshullám-obszervatóriumok érzékelni tudtak – ellentétben a korábban megfigyelt, jóval nagyobb tömegű fekete lyukak összeolvadásának néhány tizedmásodperces jelével.
A gravitációs hullámok után 2 másodperccel ért el hozzánk az ütközés nyomán felszabadult gammasugárzás, ezt észlelte is a Fermi-űrtávcső. Ez a késés tökéletesen megfelelt a modelleknek (tehát ugyanennyi lehetett a különbség a jelek keletkezésénél is), így Einstein egy újabb jóslata igazolódott be: a gravitációs hullámok valóban fénysebességgel terjednek.
A gravitációs hullámok és a gammasugarak detektálása után is maradt még izgalmas észlelnivaló, ugyanis az ütköző neutroncsillagok környezetében maradó anyag az elektromágneses spektrum számos hullámhosszán sugároz, a röntgentől a rádióhullámokig.
Ezekből a későbbi mérésekből a csillagászok különféle nehéz elemek, így arany és ólom jelenlétét mutatták ki. Így tehát bizonyossá vált, hogy legalábbis részben ilyen ütközések hozhatták létre és szórhatták szét az űrben a vasnál nehezebb kémiai elemeket.
Honnan érkezhetett a jel?
A két LIGO detektor adatai alapján a neutroncsillagok helyzetét 190 négyzetfoknyi területre sikerült behatárolni (ez telihold területének kb. 950-szerese). Azonban az Olaszországban immár működő Virgo detektor adataival a gravitációs hullám forrásának helyzetét tovább lehetett pontosítani. Így 28 négyzetfokra, tehát az eredeti terület 14,7%-ra sikerült redukálni azt a területet, ahonnan a gravitációs hullámok elindulhattak.
A következő szimulációban a forrás meghatározásának a folyamatát láthatjuk. Előbb a két amerikai detektor érzékenységi helyeit látjuk, a sötét foltok a vakfoltjaikat mutatják, majd az európai Virgo érzékenységi területét, itt is látszik a VIRGO vakfoltja is, a sötét terület. Majd a két LIGO detektor forrás leszűkítése egy síkra, majd két kisebb területre, s végül láthatjuk a pontosítást és a bemérést, a VIRGO vakfoltjának a segítségével.
Csapatmunka
A LIGO-VIRGO együttműködésben közel 1500 fő dolgozik szerte a világon. A részfeladatok megoszlanak a kutatócsoportok között, akik a detektorokat, az adatok kiértékeléseit, az adatok ellenőrzését, feldolgozását közösen végzik, és így jöhetett létre az az eredmény, amely új távlatokat nyitott a csillagászatban.
Kezdődhet a többcsatornás csillagászat korszaka?
Azzal, hogy a neutroncsillagok ütközésekor nemcsak elektromágneses, hanem gravitációs hullámok is keletkeznek, azt jelenti, hogy egyazon eseményről két fizikailag teljesen különböző méréssel is információhoz juthatunk. Eddig minden információ, amit a világegyetem távoli területeiről szereztünk, az elektromágneses sugárzás valamilyen formájában jutott el hozzánk.
Ezért örültek különösen a csillagászok annak, hogy a Fermi-űrtávcső 2 másodperccel a gravitációs hullámok érkezése után egy gyenge, rövid gammakitörést észlelt
A gravitációs és az elektromágneses jelek forrásának helye, ideje és jellege lényegében kizárja, hogy két különálló eseményből származnának. Így kimondható, hogy e megfigyeléssel megszületett a többcsatornás csillagászat, amelyben egy forrás észlelése több információhordozó megfigyelésével történik.
Milyen titkokat fednek fel a gravitációs hullámok a neutroncsillagokról?
„Az univerzum így tulajdonképpen egy természetes részecskeütköztető. Így összeért a két tudomány terület, amelyek segítségével a kollégáink próbálják megfejteni a világ titkait.” –nyilatkozta Vasúth Mátyás az MTA WIGNER Fizikai Kutatóközpont tudományos főmunnkatársa.
A neutroncsillagok összeolvadását lényegesen több tényező jellemzi, mint a fekete lyukakét . Míg mindkét esetben , a feketelyukak és a neutroncsillagok összeolvadását is a kezdeti, egymás körüli spirálozás a testek tömege és forgása határozza meg a kisugárzott gravitációs hullámokat, a neutroncsillagok belső szerkezetének jellemzői akkor válnak fontossá, amikor a testek már nagyon közel kerültek egymáshoz.
Az árapályerők hatására ekkora már az egyik neutroncsillag erős gravitációs terében a másik neutroncsillag már deformálódik, alakja el kezd változni. Ez a hatás és változás a gravitációs hullámokkal megfigyelhető, és ennek jellemzőit a gravitációs hullámban a neutroncsillagok összetétele, állapotegyenlete határozza meg.
Így következtethetünk a gravitációs hullámokból a neutron csillagok anyagi összetételére, és a bennük lejátszódó nagy energiás viselkedésekre is, amiket eddig az MTA WIGNER Fizikai Kutatóközpont munkatársai a CERN-ben is kutattak.
„Ezzel új fejezet nyílik a fizikában. Ezzel a sokcsatornás megfigyelési módszerrel (gravitációs hullámok+távcsöves megfigyelés) lehetőség nyílik a neutron csillagok anyagának a vizsgálatára is. Kollégáink már évtizedek óta kutatják a neutroncsillagokat. Az MTA WIGNER Fizikai Kutatóközpont munkatársai eddig a világ legnagyobb részecskefizikai laboratóriumában is, a CERN-ben is vizsgálták az anyag viselkedését nagy energiákon atomok ütközésének segítségével, de most egy nagyobb laboratórium kerül a kezükbe ezzel a felfedezéssel. Az univerzumban kicsit nagyobb ütközések vannak: közel 10 km sugarú neutroncsillagok ütköznek. „- nyilatkozta Vasúth Mátyás, az MTA WIGNER FK tudományos főmunkatársa.
„Bár a részecskegyorsítók ütközéseiben tesztelhetjük a nagy hőmérsékletű (úgynevezett kvark-gluon ) plazmát,amely a Világegyetem születésekor is jelen volt, sajnos ugyanennek az anyagnak az extrém sűrű hideg változatát (fázisát) még nem tudjuk laboratóriumi körülmények között előállítani. Azt feltételezzük, hogy a jelenkori Univerzumban egyedül az úgynevezett kompakt csillagokban találhatjuk ezt meg.”-vette át a szót Barnaföldi Gergely Gábor az MTA Wigner FK Nehézionfizika Kutatócsoportjának vezetője.
„A neutroncsillagokról ezidáig csak elektromágneses hullámok révén kaphattunk információt rádiótávcsövek és röntgenteleszkópok segítségével. A mostani GW170817 felfedezés azért mérföldkő a tudományterületen, mert a gravitációs hullámok által egy új módszerrel is vizsgálhatóvá váltak a neutroncsillagok. Emellett további különlegesség, hogy a gravitációs méréssel párhuzamosan elektromágneses mérésekkel is összekapcsolható volt a jel. Ezen információk összehangolása és kalibrálása óriási előrelépést hozhat a kompakt csillagok belső szerkezetének kutatásában” –folytatta a kutató.
Több információ a neutroncsillagokból
Míg fekete lyukak ütközésekor nem tudjuk milyen a fekete lyuk eseményhorizontján belül az anyag szerkezete, addig a kisebb, 1-2 naptömeggel rendelkező neutroncsillagok esetében igen. Az anyag ezen állapotaira léteznek magfizikai modellek. Ezek mikroszkopikus tulajdonságait meghatározzák a neutroncsillagok megfigyelhető paraméterei. A dologban az a fantasztikus, hogy egy 10 km sugarú és több naptömegű neutroncsillag mérete és tömege alapján következtetni lehet arra, hogy mi történik szubatomi skálákon -- tették hozzá a kutatók.
Háttér:
A kompakt csillagokat az őket felépítő részecskék alapján osztályozzuk, ami szerint lehet neutroncsillag, kvarkcsillag vagy kvark-hibrid csillag. Jelenleg csak ezen égi objektumok vizsgálatával tudjuk ezt az extrém sűrű anyagi állapotot vizsgálni. A neutroncsillagok kutatása nem újkeletű -- mondja Barnaföldi. Az ötlet Walter Baade és Fritz Zwicky 1938-as elméleti cikkében jelent meg először. Ezt támogatta meg az extrém gyorsan forgó pulzárok felfedezése 1967-ben (Joycelin Bell), valamint a később, Russell A. Hulse és Joseph H. Taylor által mefigyel kettős pulzár, később Nobel díjjal jutalmazott mérése (1993).
Az MTA Wigner FK a neutroncsillagok vizsgálatában több oldalról is részt vesz. Egyrészt tagja a gravitációs hullámokat vizsgáló LIGO és VIRGO kollaborációknak, másrészt NewCompStar EU COST és hamaronsa induló PHAROS akciópályázatok tagjaként új térelméleti és gravitációs módszerekkel vizsgálják a neutroncsillag-belső anyagát. E pályázatokban Barnaföldi Gergely Gábor és Vasúth Mátyás képviseli hazánkat együttműködve az ELTE kutatóival: Jakovác Antallal és Forgács-Dajka Emesével. A kutatásokban több fiatal kutató is részt vesz, így Barta Dániel, Karsai Szilvia, Kacskovics Balázs, Pósfay Péter és Somali Ábel László.
