Fúzió a Világegyetemben: gammasugár-kitörések Understand article

Fordította Adorjánné Farkas Magdolna. Henri Boffin a németországi  Garchingban lévő székhelyű ESO (European Southern Observatory = Európai Déli Obszervatórium) munkatársa a drámai erejű csillag-robbanásokat kísérő rejtélyes gammasugár-kitörések történetét követi…

Minden úgy kezdődött, mint egy James Bond filmben. Az 1960-as években, a hidegháború közepén az USA több olyan műholdat állított Föld körüli pályára, amelyek a gammasugárzást tudták érzékelni. A cél az volt, hogy ellenőrizzék, hogy a Szovjetúnió betartja-e az Atomcsend Egyezményt, amely megtiltott minden kísérleti atomrobbantást az atmoszférában, a víz alatt és a világűrben.

A Föld légkörében  nem észleltek robbanást. Azonban a világűrből érkeztő rejtélyes gammakitöréseket érzékeltek, mintha idegen galaxisok lakói között kegyetlen háború dúlna – a szenzáció-hajhászó sajtó később valóban ezt írta a jelenség magyarázataként.

Mivel az a kevés tudós, aki hozzá tudott  férni a (katonai) adatokhoz, minden részletet le akart ellenőrizni, ezért a tudományos közösségnek csak 1973-ban, vagyis az első észlelés után hat évvel számoltak be ezekről a titokzatos robbanásokról. Sajnos a korabeli gammasugár-detektorokkal nem tudták pontosan megállapítani a sugárzás keletkezési helyét, ezért a szakemberek erről a kérdésről sokáig vitatkoztak.

Elemlámpa vagy világítótorony?

A tudósok nemcsak a sugárzás keletkezésének helyében voltak bizonytalanok, de azt sem tudták megállapítani, hogy milyen messze történtek ezek a robbanások. A közelünkben történtek-e – a Naprendszerben, vagy a Galaktikában – vagy sokkal távolabb? Mivel nem tudták, hogy ezek az események tőlünk milyen távol mentek végbe, ezért lehetetlen volt meghatározni a robbanások erejét: vajon ezek kis ‘szikrák’ egy üstökös felszínén, vagy üstökösök kompakt csillagokba zuhanását kísérő fényjelenségek, vagy olyan hatalmas robbanások, amelyeket el sem tudunk képzelni? A helyzet hasonlít ahhoz, mint amikor éjszaka megpillantunk egy fénysugarat és nem tudjuk eldönteni, hogy az utca túloldalán világító elemlámpát, vagy egy autó fényszóróját, vagy egy távoli világítótorony biztonságot jelentő fényjeleit látjuk-e.

A csillagászok képzelete szabadon szárnyalt. Egyszerre száz elmélet is magyarázta az új jelenséget – ez több volt, mint a megfigyelt események száma! És ahogy az gyakran előfordul, akkor történt valódi áttörés, amikor azt az új technika lehetővé tette. Ez ebben az esetben a gammasugárzás vizsgálatára kifejlesztett tudományos műholdak felbocsátása volt.

A NASA Compton űrtávcsövének (Compton Gamma Ray Observatory) fedélzetén elhelyezett BATSE (Burst And Transient Source of Explorer) műszer feltárta, hogy naponta általában két-három gammasugár-kitörés történik valahol a Világegyetemben. Az is kiderült a mérésekből, hogy a gammasugárzás minden irányból egyformán érkezik. Ebből azt a következtetést lehet levonni, hogy a kitörések nemcsak a Tejútrendszerben történnek, ugyanis ha így lenne, akkor a kitörések ugyanolyan eloszlást rajzolnának ki, mint amilyen a Tejútrendszer alakja: erősen lapított korong, amely a Földről a teljes éjszakai égboltot átszelő, csillagokból álló szalagnak látszik.

Bár ezek a megfigyelések alapvetően fontosak voltak, mégsem zárták le a csillagászok két tábora között még a 80-as években is zajló vitát: az egyik csoport azt vallotta, hogy a gammakitörések ‘helyi események’ következményei – például akkor jönnek létre, amikor a galaxisunkat körülvevő térben egy üstökös belezuhan egy neutroncsillagba. A másik csoport tagjai azonban elvetették ezt a feltételezést és úgy vélték, hogy a gammakitörések a Világegyetemben bárhol történő drámai csillagászati eseményekhez – csillagok halálához és fekete lyukak születéséhez kapcsolhatók.

A vita az olasz-holland BeppoSAX műhold^w2 1996-os felbocsátásáig tartott.  A műholdon röntgenkamerákat és gammasugár-detektorokat egyaránt elhelyeztek, hogy a segítségükkel megmutassák, hogy a gammakitörések nagyon távoli galaxisokban történnek. Az azóta észlelt legtávolabbi kitörés több mint 12,8 milliárd évvel ezelőtt történt, ez azt jelenti, hogy a Világegyetemnek arról az állapotáról kaptunk üzenetet, amikor az még 900 millió évesnél fiatalabb volt^w3.

A Big Bang óta a legnagyobb energiájú esemény

Abból, hogy a gammakitöréseket a Földön lehet észlelni, az következik, hogy azok hatalmas energia-felszabadulással járhatnak. Úgy gondolják, hogy egy gammakitörés néhány másodperce alatt több energia szabadul fel, mint amennyit a Nap egész élettartama alatt (körülbelül 10 000 millió év) szétsugároz. Másképpen megfogalmazva, ezek az események annyira fényesek, hogy egy pillanatra túlragyogják az egész Világegyetemet. Azonban nagyon rövid ideig tartanak: kevesebb, mint egy másodperctől néhány percig.

Az Ősrobbanás óta a gammakitörések járnak a legnagyobb energiafelszabadulással a Világmindenségben. A csillagászok azt is meg tudták határozni, hogy a robbanás hatalmas tartományra gyakorol hatást: körülbelül 5 500 fényévnyi távolságon belül – amely több, mint a Nap és a Galaktika középpontja közötti távolság ötödrésze – minden atom ionizálódik, vagyis elveszíti az elektronjainak egy részét. Ha ebben a tartományban létezik bármilyen élet, az biztosan megsemmisül. Néhány tudós azt állítja, hogy a 450 millió évvel ezelőtt bekövetkezett ordovicium-szilur tömeges fajkihalást, amelynek során a Földön élő összes faj körülbelül 70%-a kihalt, egy közeli gammakitörés okozhatta.

A gammasugár-kitörések olyan kozmikus események, amelyek a galaxisban hatalmas pusztulást okoznak és elképzelhetetlenül nagy energiafelszabadulással járnak. Azt még nem tudjuk, hogy mi váltja ki ezeket az eseményeket. A feketelyukak képződése igen nagy energiájú folyamat, ezért a csillagászok azt kutatják, hogy lehet-e kapcsolat a gammakitörés és egy fekete lyuk képződése között.

Bár a részletek még egyáltalán nem világosak, a tudósok úgy gondolják, hogy a gammakitörésekre a ‘fireball’ (tűzgolyó) modell adja a legjobb magyarázatot. Eszerint a modell szerint egy fekete lyuk keletkezése során felszabaduló energia a fekete lyukat gömb alakban körülvevő részecskék kinetikus energiáját növeli meg – ez a tűzgolyó csaknem fénysebességgel tágul. Kezdetben olyan nagy a robbanó anyag sűrűsége, hogy semmilyen részecske nem tud belőle kilépni, még a tűnékeny  fotonok és a neutrínók sem. Amint a tűzgolyó átmérője eléri a 10-100 milliárd kilométert, a fotonsűrűség annyira lecsökken, hogy a gammasugárzás akadálytalanul kiléphet: a tűzgolyó kinetikus energiájának egy része elektromágneses sugárzássá alakul, amely gammasugár-kitörést eredményez.

Hosszú és rövid

A sok megfigyelés lehetővé tette, hogy kiderüljön, hogy a gammasugár-kitörések két nagy csoportba sorolhatók: hosszúak (két másodpercnél tovább tartanak) és rövidek (néhány milliszekundumtól két másodpercig tartanak). A két típus között nemcsak az időtartamban van eltérés: a rövid kitörések során nagyobb energiájú fotonok keletkeznek, mint a hosszúak során. Az nyilvánvaló, hogy mindkét típusú gammasugár-kitörés fekete lyukakhoz kapcsolódik, azonban a pontos fizikai eredetük eltérő lehet.

Az utóbbi években a nagy nemzetközi erőfeszítéseknek köszönhetően nyilvánvalóvá vált, hogy a hosszú kitörések akkor keletkeznek, amikor a Napnál 30-40-szer nagyobb kezdeti tömegű csillagok (hipernóvák) összeomlanak és belőlük fekete lyuk keletkezik. A kulcsfontosságú bizonyítékot az ESO Nagyon Nagy Távcsöve (Very Large Telescope^w5, VLT) szolgáltatta 2003-ban^w4, amikor a csillagászok több mint egy hónapon keresztül figyelték a gammasugár-kitörést követő egyre halványuló utófénylést. Ebből egy szupernóva robbanásokra jellemző spektrum rajzolódott ki.

Más csillagászati események is utaltak arra, hogy kapcsolat van a hosszú gammasugár-kitörések és a hipernóvák között. Ezek közül az egyiket 2001 december 11-én  rögzítette az ESA (European Space Agency = Európai Űrügynökség) XMM – Newton^w6 (X-ray Multi-Mirror Mission) többtükrös röntgen műholdja, csupán 11 órával azután, hogy észlelték a kitörést. Az objektum ekkor 7 milliószor nagyobb mennyiségű röntgensugárzást bocsátott ki, mint egy átlagos galaxis. Az XMM így fel tudta venni a kitörésnél keletkező sugárzás részletes spektrumát, amelynek alapján a csillagászok azonosítani tudtak néhány elemet, mint például a magnéziumot, a szilíciumot és a nikkelt, amelyek jellemzően a csillagok robbanása során keletkeznek (a nehézfémek keletkezéséről további információkat találhat: Rebusco, Boffin & Pierce-Price, 2007). Így a csillagászok észlelni tudták a szupernóva robbanáskor kilökött anyagot.

Összeolvadó csillagok

Mit tudunk a rövid kitörésekről? A  csillagászok mostanáig nem tudtak észlelni rövid kitörés után bekövetkező  utófénylést. Ezért nem tudták pontosan meghatározni egyetlen ilyen esemény pontos helyét és így azt a környezetet sem, ahol történt, sem a fényességének változását, sem a spektrumot.

Ez a helyzet változott meg 2005 május 5-én, amikor a NASA/ASI/PPARC Swift^w7 műhold egy  40 milliszekundumig tartó gamma-kitörést észlelt és olyan pontosan állapította meg a helyét, hogy ennek alapján a csillagászok arrafelé tudták irányítani az ESO Nagyon Nagy Távcsövét és képet tudtak készíteni. A kitörés, amelyet GRB 050509B-nek neveztek el, egy 2700 millió fényévre lévő fényes elliptikus galaxisban történt, amelyben nem megy végbe csillagkeletkezés.

Ezekre az esetekre nehezen alkalmazható a hipernóva modell, ugyanis az ilyen típusú galaxisokban nem megy végbe szupernóvák magjának összeomlása. Mivel nem keletkeznek bennük csillagok, ezért általában mentesek a rövid életű nagy tömegű csillagoktól, amelyek életük végén hipernóvaként omlanak össze. A fényes, csillagkeletkezéstől mentes elliptikus galaxisokban azonban sok kompakt objektumokból felépülő kettőscsillag (két egymáshoz közeli csillag, amelyek egymás körül keringenek) van. Ez megrősíti azt az elképzelést, amely szerint a rövid gammasugár-kitörés akkor megy végbe, amikor egy kettős rendszer neutroncsillagai egybeolvadnak és ekkor fekete lyuk keletkezik. Azért, hogy ezt az elképzelést igazolják, a csillagászok további három héten keresztül kutattak kitörések után. Bár a leghalványabbakat is tudták volna észlelni, egyet sem találtak.

A csillagászok néhány hónappal később, első alkalommal detektáltak egy rövid gammasugár-kitörést követő optikai  utófénylést. Az  ESO Chillében felállított La Silla obszervatóriuma által készített képeken egy galaxis szélén fedeztek fel egy halványuló forrást. A csillagászok 20 napon keresztül tudták megfigyelni a kitörést, amelyet GRB 050709-nek neveztek, de nem észleltek semmilyen szupernóvára utaló jelet. Ez is alátámasztja azt a hipotézist, amely szerint a rövid gammasugár-kitörés nem hipernóvák eredménye, hanem akkor jön létre, amikor két kompakt csillag összeolvad fekete lyuk képződése közben.

Az összeolvadási modell (ld. a képet) szerint a két egymás körül keringő nagy tömegű csillag körülbelül 100 millió év alatt elégeti az üzemanyagát és igen nagy sűrűségű neutroncsillaggá omlik össze, amelyeknek mindössze 10-20 km az átmérőjük. Az ezt követő 100 millió-néhány milliárd év közötti időszakban a csillagok tovább veszítenek az energiájukból és egyre kisebb sugarú pályákon keringenek. Végül összeütköznek és rövid gammasugár-kitörés jön létre.

Az elmélet szerint az is megtörténhet, hogy az egyik csillagból fekete lyuk keletkezik, amely azután felfalja a neutroncsillag társát.

Negyven évvel a gammasugár-kitörés felfedezése után már tudjuk, hogy ez mindenütt zajlik a Világegyetemben, a legtávolabbi szélétől a szomszédos galaxisokig. Van magyarázatunk a leggyakrabban előforduló kétféle típusú kitörés létrejöttére is. A világ azonban gyakran sokkal bonyolultabb, mint ahogy azt hinni szeretnénk: a megfigyelési technika fejlődésével a csillagászok új típusú gammasugár-kitöréseket fedeznek fel, így a történetnek még egyáltalán nincs vége.

References

• Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fúzió a Világegyetemben: Innen származnak az ékszereid. Science in School 5. www.scienceinschool.org/2007/issue5/fusion/hungarian

Web References

• w1 – ESO, the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere: www.eso.org
• w2 – BeppoSAX: www.asdc.asi.it/bepposax/
• w3 – Star Death Beacon at the Edge of the Universe (ESO press release): www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2005/pr-22-05.html
• w4 – Cosmological Gamma-Ray Bursts and Hypernovae Conclusively Linked (ESO press release): www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2003/pr-16-03.html
• w5 –Többet megtudhat az  ESO’s Very Large Telescope- ról www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/paranal.html
• vagy Pierce-Price D (2006) Running one of the world’s largest telescopes. Science in School 1: 56-60. www.scienceinschool.org/2006/issue1/telescope
• w6 – XMM-Newton: http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=23
• w7 – The NASA Swift homepage: http://swift.sonoma.edu/about_swift/grbs.html

Resources

• Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fúzió az Univerzumban: amikor egy óriáscsillag meghal…. Science in School 6. www.scienceinschool.org/2007/issue6/fusion/hungarian
• GCN, the Gamma-ray bursts Coordinates Network: http://gcn.gsfc.nasa.gov/

Institutions

Review

Ez a nagyon izgalmas cikk egy óriási energiafelszabadulással járó csillagászati jelenséget mutat be és jellemez: a gammasugár-kitörést. A cikket fel lehet használni a Világegyetem keletkezésének misztériumáról szóló beszélgetés indításához, vagy a cikkhez kapcsolódóan beszélhetünk a természettudományos felfedezésekről és a kutatásokhoz használt technológia fejlődéséről. A cikk segítségével felkelthetjük a diákok érdeklődését a csillagászat iránt.

Alessandro Iscra, Olaszország

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF