Gravitációs hullám és gammakitörés egyszerre – neutroncsillagok ütközésének észlelése jelentheti a többcsatornás csillagászat kezdetét

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 1,1 és 1,6 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 kicsi, 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 észlelték is a Fermi és az INTEGRAL űrtávcsövek. 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 GW170817 gravitációshullám-jel felfedezésének, valamint az utófény detektálásának menete
Forrás: OzGrav

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 platina 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 a 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%-ára sikerült redukálni azt a területet, ahonnan a gravitációs hullámok elindulhattak.

A videón látható (1) a Fermi űrtávcső által észlelt gamma-kitöréshez meghatározott égterület, (2) a Fermi és az INTEGRAL űrtávcsövek észlelési időiből kiszámolt égterület, (3) a LIGO detektorok által meghatározott égterület, (4) a LIGO és Virgo detektorok adatainak közös elemzésével leszűkített égterület, majd (5) az ezen belül található lehetséges forrásgalaxisok és (6) az utófény forrásgalaxisa, az NGC 4993 nevű galaxis. Forrás: LIGO/Virgo

Egy ekkora szögtartományon belül nagyjából 130 millió fényévre tőlünk több galaxisban is megbújhat a jelek forrása. Hogy pontosan melyikben, annak meghatározásában hatalmas segítséget jelentett az ELTE kutatóinak épp ilyen célokra kifejlesztett galaxiskatalógusa, a GLADE. Nem véletlen tehát, hogy az ELTE LIGO-tagcsoportja (név szerint: Bécsy Bence, Dálya Gergely, Frei Zsolt és Raffai Péter) volt az első, amely a gravitációshullám-forráshoz azonosított égterület és becsült forrástávolság alapján közzétette a lehetséges forrásgalaxisok listáját.

Kezdődhet a többcsatornás csillagászat korszaka?

Az, hogy a neutroncsillagok ütközésekor nemcsak elektromágneses, hanem gravitációs hullámok is keletkeznek, azt jelenti, hogy egyazon eseményről két fizikailag teljesen különböző méréssel is információhoz juthatunk. Erre mindeddig nem volt lehetőség a csillagászatban, hiszen 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 és az INTEGRAL űrtávcsövek 2 másodperccel a gravitációs hullámok érkezése után egy gyenge, rövid gammakitörést észleltek. A gammakitörés forrásaként azonosított égterület ugyan több tízszer akkora volt, mint a gravitációshullám-forráshoz meghatározott égterület, azonban magába foglalta azt.

Összesen 34 olyan csoport kezdett méréseket végezni, mely a LIGO-Virgo észleléseinek elektromágneses „párjait” keresi, többen is az ELTE galaxiskatalógusát használva iránymutatásul. Közéjük tarozott az elsőként sikerrel járó Las Campanas Obszervatórium is, mely 1 méteres Swope teleszkópjával rálelt az elektromágneses jelre. Eredményük azt mutatja, hogy a gammakitörés a tavasszal tőlünk is látható Hydra vagy más néven Északi Vízikígyó csillagképben elhelyezkedő NGC 4993 jelű galaxisból származik.

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.

Frei Zsolt asztrofizikus, az ELTE Fizikai Intézetének igazgatója, a LIGO csoport vezetője az mta.hu-nak elmondta: ez az észlelés nagy szerencse, mert a detektorok jelenlegi érzékenysége mellett csak a hozzánk közeli neutroncsillag-ütközéseket lehet megfigyelni. Ez az esemény a maga 130 millió fényéves távolságával nagyon közelinek számít. Más lesz a helyzet 2-3 év múlva, amikor – a műszerek érzékenységének további fokozásával – valószínűleg ugyanolyan gyakorissággal lehet majd neutroncsillag-ütközéseket észlelni az univerzum távolabbi tartományaiból, mint ahogyan ma az a fekete lyukak esetében tapasztalható, persze azzal a megjegyzéssel, hogy akkor az észlelt feketelyuk-összeütközések rátja is nagyobb lesz a mainál.

Az ábra jobb oldalán látható képet a Swope teleszkóp készítette. A piros nyíl jelöli a GW170817 gravitációshullám-jel elektromágneses párját. Bal oldalon a Hubble-űrteleszkóp ugyanerről az égterületről készített felvétele látható. Forrás: Swope Telescope, Hubble

Hubble a tortán

A LIGO-Virgo Kollaboráció az ELTE galaxiskatalógusából azonosított galaxisokat használta arra is, hogy a gravitációshullám-észlelésből kiszámolják a világegyetem tágulásának ütemét leíró Hubble-állandó értékét. A Hubble-állandó meghatározására mindeddig csak elektromágneses megfigyelések adtak módot, a gravitációs hullámokon alapuló számítás egy teljesen új, független ellenőrzési lehetőséget jelent. Az eredmény: az új módszerrel kapott érték összhangban volt a korábbiakkal.