Neutroncsillag és fekete lyuk ütközéséből származó gravitációs hullámok

A gravitációs hullámok a téridő szövetének kicsiny hullámzásai, amelyeket gyorsan mozgó, hatalmas tömegek hoznak létre. A gravitációs hullámok első észlelése óta eltelt öt évben a kutatók több mint 50 gravitációshullám-jelet azonosítottak összeolvadó fekete lyukakból és egymással ütköző neutroncsillagokból.

Dr. Frei Zsolt, a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program  Asztro- és Részecskefizikai Tématerület vezetőjének és Raffai Péter, az ELTE Gravitációshullám- és Kozmológiai Kutatócsoport vezetőjének koordinálásával az ELTE fizikusai is tagjai annak a nemzetközi együttműködésnek, amely keretében most két izgalmas esemény gravitációs hullámait észlelték: mindkettő egy fekete lyuk és egy neutroncsillag kettőse keltett. A hullámokat a National Science Foundation LIGO gravitációshullám-obszervatóriumai észlelték az Egyesült Államokban és a Virgo detektor Olaszországban. Az első, 2020. január 5-én észlelt jel esetén a fekete lyuk tömege a Napunk tömegének körülbelül 9-szerese, vagyis 9 naptömeg volt, amely egy 1,9 naptömegű neutroncsillagot nyelt el. A második eseményt, amelyben egy 6 naptömegű fekete lyukat és egy 1,5 naptömegű neutroncsillagot észleltek, mindössze 10 nappal később, 2020. január 15-én detektálták. Az eredményeket 2021. június 29-én tették közzé a The Astrophysical Journal Letters szaklapban.

Kettős neutroncsillag-rendszereket először 1974-ben figyeltek meg a Tejútrendszerben a rádióhullámokat kibocsátó neutroncsillagok, az úgynevezett pulzárok jeleinek észlelésével. A csillagászok évtizedek óta keresik a fekete lyukak körül keringő pulzárokat, de eddig még a Tejútrendszerben sem sikerült találni. A távoli galaxisokból érkező új felfedezésekkel megérthetjük, hogy hány ilyen rendszer létezik, milyen gyakran egyesülnek, és miért nem láttunk még példát rá a mi galaxisunkban.

A két esemény közül az elsőt, a GW200105-öt a LIGO Livingston és a Virgo detektorok észlelték. A LIGO hanfordi detektora az észlelés idején átmeneti leállás alatt volt. A livingstoni LIGO detektor erős jelet fogott, a Virgonál viszont kicsi volt a jel-zaj arány. A gravitációs hullám tulajdonságai alapján a kutatócsoport arra következtetett, hogy

a jelet egy 9 naptömegű fekete lyuk és egy 1,9 naptömegű kompakt csillag összeolvadása bocsátotta ki. Ez az egyesülés tőlünk mintegy 900 millió fényévre történt.

Annak ellenére, hogy a jel csak egy detektornál volt nagyon erős, biztosak lehetünk benne, hogy a jel valós, és nem csupán valamilyen zaj eredménye. Minden szigorú ellenőrzésen átment, és nagyon eltér minden ismert zajtól, amit a harmadik megfigyelési időszak során láthattunk. Mivel csak egy detektor fogott erős jelet, az összeolvadás helye az égen továbbra is bizonytalan, nagyjából a telihold méretének 34.000-szeresének megfelelő területre esik.

Bár a gravitációs hullámok önmagukban nem fedik fel a kisebb komponens szerkezetét, a maximális tömegére lehet következtetni. Ezen információ birtokában és az ilyen kettős rendszerben várható neutroncsillagok tömegének elméleti előrejelzésével arra a következtetésre juthatunk, hogy a neutroncsillag a legvalószínűbb magyarázat.

A második, GW200115 elnevezésű jelet mind a LIGO detektorok, mind a Virgo detektor észlelte. A GW200115 egy

6 naptömegű fekete lyuk és egy 1,5 naptömegű neutroncsillag összeolvadásából származik, amely a Földtől nagyjából 1 milliárd fényévnyire következett be.

A három műszer információi alapján az LVK kutatói jobban meg tudták határozni az ég azon részét, ahol ez az esemény történt, azonban ez az égterület még így is közel 3000-szer akkora, mint a telihold.

Az LVK kutatói nem sokkal az észlelést követően riasztották a csillagász partnereiket, akik az események kísérőfényeit próbálták megtalálni. Ez a keresés eredménytelenül zárult, ami nem meglepő, mivel ezeknek az összeolvadásoknak a nagyon nagy távolsága azt jelenti, hogy a belőlük érkező fény nagyon halvány lenne, és még a legnagyobb távcsövekkel is nehéz lenne észlelni. Nagy tüzijátékra egyébként sem lehetett számítani, mivel a fekete lyukak nagy valószínűséggel elég nagyok voltak ahhoz, hogy egészben lenyeljék a neutroncsillagokat.

A két biztos neutroncsillag-feketelyuk gravitációshullám-észlelés alapján a kutatók most úgy becsülik, hogy

a Föld egymilliárd fényéves környezetén belül havonta átlagosan egy ilyen összeolvadás történhet.

Mindazonáltal nem minden ilyen esemény észlelhető a jelenlegi detektorokkal.

A LIGO, a Virgo és a KAGRA kutatócsoportjai folyamatosan fejlesztik a detektoraikat, hogy felkészüljenek a következő, 2022 nyarán kezdődő megfigyelési időszakra. A jobb érzékenységnek köszönhetően remélhetőleg már naponta egyszer észlelni tudjuk majd a különböző összeolvadásokból származó hullámokat. Ezek segítségével jobban megismerhetjük majd a fekete lyukak és a szupersűrű anyag alkotta neutroncsillagok tulajdonságait.
 

Azok számára, akik jobban belemerülnének ezen LIGO-Virgo felfedezések eredményeibe, a csoport egy, a tudományos közönségnek szánt webináriumot szervez. Ez már a LIGO-Virgo-KAGRA webinárium-sorozatának 8. része lesz. Az egyórás Zoom-meeting magyar idő szerint 2021. július 1-jén 16:00-kor lesz. Regisztráció ezen az oldalon.

További információ a kutatásról: ligo.elte.hu
Borítókép: „Örvénylő Szivárvány” – az összeolvadó neutroncsillagok és fekete lyukak által inspirált művészi rajz. Forrás: OzGrav–Swniburne University / Carl Knox