SG.hu
Távcsővel is igazolták a gravitációs hullámok új észlelését
Két neutroncsillag-összeolvadása hullámokat vert a téridőben, és az ütközést optikailag, távcsővekkel is megfigyelték.
Először sikerült kutatóknak közvetlenül észlelniük neutroncsillag-összeolvadásból származó gravitációs hullámokat az amerikai lézer interferométeres gravitációshullám-vizsgáló obszervatórium (LIGO) és olaszországi párja, a VIRGO detektoraival, az ütközést kísérő fényjelenséget is megtudták figyelni mintegy 70 földi és űrtávcsővel. Az augusztus 17-én magyar idő szerint 14 óra 41 perckor észlelt kozmikus jelenség viszonylag közel, a Földtől nagyjából 130 millió fényévnyire következett be. A két, mintegy 1,1 és 1,6 naptömegű neutroncsillag nagyjából 300 kilométerre megközelítette egymást, majd egyre gyorsulva, spirális pályán összeütközött, miközben mintegy 100 másodpercen keresztül gravitációs hullámjeleket keltettek.
A neutroncsillagok kisméretű, nagyjából 20 kilométer átmérőjű, rendkívül sűrű égitestek, amelyek a szupernóva-robbanást követően maradnak vissza. A négy naptömegnél nagyobb csillagokból életciklusuk végén a szupernóva-robbanást követően vagy neutroncsillag marad vissza vagy feketelyuk keletkezik. A neutroncsillag leginkább egy atommagra hasonlít, csakis neutronok találhatóak benne nagy sűrűséggel. Átmérője nagyobb, míg a tömege kisebb egy feketelyukhoz képest, így az alacsonyabb gravitációs erő miatt a fotonok meg tudnak szökni belőle. Vagyis a neutroncsillag világít és hagyományos távcsövekkel is megfigyelhető. Az eddigi három, feketelyukak összeolvadásából származó gravitációs hullámjel befogása után most komoly tudományos előrelépést jelent a neutroncsillagpáros összeolvadásának észlelése.
Száz másodpercig tartott az észlelés, ezalatt a két, a Napunknál mintegy 1,1 - 1,6-szor nagyobb objektum háromezerszer kerülte meg egymást
A mostani az első alkalom, amikor a tudósok egy kozmikus jelenséget a gravitációs hullámjelek mellett elektromágneses sugárzás formájában is képesek voltak megfigyelni. A gravitációs hullámok után két másodperccel ért el a Földre az ütközés nyomán felszabadult gammasugárzás, amelynek rövid és gyenge jelét a Fermi és az Integral űrtávcsövek észlelték. Mindez a többcsatornás csillagászat korszakának kezdetét jelölheti, amikor egyazon eseményről két fizikailag teljesen különböző méréssel is információhoz juthatnak a tudósok.
A gammakitörés jeleinek két másodperces késése a gravitációs hullámokhoz képest Albert Einstein egy újabb jóslatát is igazolja, mivel bizonyítékot jelent arra, hogy a gravitációs hullámok valóban fénysebességgel terjednek. A neutroncsillag-összeolvadást kísérő fényjelenségek részletes vizsgálatához szükség volt a forrásgalaxis pontos meghatározására. A két LIGO detektor adatai alapján a neutroncsillagok helyzetét 190 négyzetfoknyi területre sikerült behatárolni, az Olaszországban működő Virgo detektor adataival a gravitációs hullám forrásának helyzetét tovább lehetett pontosítani az eredeti terület 14,7 százalékára. Egy ekkora szögtartományon belül nagyjából 130 millió fényév távolságra azonban több galaxis is lehetett volna a jelek forrása.
A helyszín gyors azonosításában a Frei Zsolt Széchenyi-díjas asztrofizikus és kutatócsoportja - Bécsy Bence, Dálya Gergely, Frei Zsolt és Raffai Péter - által összeállított, mintegy 2,5 millió galaxist tartalmazó katalógus, a Glade is segített a tudósokat. Az Eötvös Loránd Tudományegyetemen (ELTE) működő magyar kutatócsoport volt az első, amely a gravitációshullám-forráshoz azonosított égterület és becsült forrástávolság alapján közzétette a lehetséges forrásgalaxisok listáját. A jelenséget követően 34 csoport kezdte el keresni a neutroncsillag-összeolvadás elektromágneses jeleit, többen az ELTE galaxiskatalógusát használták iránymutatásul. Közéjük tarozott az elsőként sikerrel járó a Chilében lévő Las Campanas Obszervatórium is, amely egy egyméteres Swope teleszkópjával lelt rá a keresett fényjelenségre. Eredményeik szerint a GW170817 jelű gravitációs hullámjel után közvetlenül észlelt gammakitörés a Hydra vagy más néven Északi Vízikígyó csillagképben elhelyezkedő NGC 4993 jelű galaxisból származik.
A videóban kék régió mutatja a forrásjel valószínű helyzetét, és ugyanekkor, ugyanitt, az NGC 4993 galaxisban figyeltek meg két neutroncsillag összeolvadását. 12 napon át figyelték távcsővekkel az elhalványodást, az utófényt.
A gravitációs hullámjelek észlelése után mintegy 70 földi obszervatórium és űrtávcső - köztük az amerikai Gemini obszervatórium, az európai VLT teleszkóp és a Hubble űrteleszkóp - fordult rá a jelenségre, így az ütközést követő napokban és hetekben más elektromágneses jeleket - köztük röntgen-, ultraibolya-, optikai-, infravörös- és rádióhullámokat - is sikerült észlelni. A későbbi mérésekből a csillagászok különféle nehéz elemek, például arany és platina jelenlétét mutatták ki, ami azért fontos, mert bizonyossá vált, hogy legalább részben ilyen ütközések hozhatták létre és szórhatták szét az űrben a vasnál nehezebb kémiai elemeket.
A legerősebb gravitációs hullámjel a feketelyukak összeolvadásából adódik, a neutroncsillagok összeolvadását kisebb tömegük miatt nehezebb érzékelni az interferométeres lézerdetektorokkal. Ezért korábban úgy vélték, hogy az első ilyen észlelésre még éveket kell várni. Az augusztusi, viszonylag gyenge jel azonban egy közeli, mintegy 150 millió fényévre fekvő galaxisból származik, ezért a LIGO már most képes volt érzékelni.
A neutroncsillag összeolvadást kísérő fényjelenségeket azonban csak akkor lehet megfigyelni, ha sikerül azonosítani a galaxist, ahonnan a gravitációs hullám érkezett. Ebben áll a magyar kutatócsoport galaxiskatalógusának a jelentősége. Ha ugyanis a csillagászok tudják, hogy az égbolt egy adott területén milyen galaxisok találhatóak, hogy melyek azok, ahol valószínűsíthető egy neutroncsillag-összeolvadás, sokkal gyorsabban képesek felkutatni a forrásgalaxist és megfigyelni az esetleges fényjelenséget. Ebben az esetben több távcsővel, köztük a Hubble űrteleszkóppal is azonosították a gravitációs hullámjel optikai megfelelőjét, és ehhez felhasználták a magyar kutatók galaxiskatalógusát is.
A LIGO több-milliárd fényév átmérőjű tartományban érzékeny, ami mintegy ötmillió galaxist ölel fel. A magyar katalógus ennek mintegy feléről, 2,5 millió galaxisról szolgál adatokkal, szemben a LIGO régebbi, mindösszesen 50 ezer galaxist tartalmazó térképével, amelyben elsősorban közelebbi galaxisok szerepelnek. A most észlelt jel viszont annyira közelről érkezett, hogy a származási hely még a korábbi galaxiskatalógusban is benne volt, így volt, aki ezt használva azonosította a neutroncsillag-összeolvadást kísérő felvillanást, más kutatócsoportok az újabb magyar galaxistérképet alkalmazták.
Érdekesség, hogy LIGO-val együttműködő európai hullámdetektor, a Virgo alig észlelte az augusztus 17-i jelet. Ennek az az oka, hogy a jel abból az egyetlen irányból érkezett, amelyre a Virgo nem érzékeny, a hullámdetektor két karja között félúton, 45 fokos szögből. Ilyenkor a két kar egyformán rövidül vagy hosszabbodik meg a gravitációs hullám hatására, vagyis az interferométerben nem alakul ki jelentős hosszkülönbség, így nem vagy alig észlelhető a jel.
A tudósok a legújabb gravitációshullám-észlelést használták arra is, hogy ellenőrizzék a világegyetem tágulásának ütemét leíró Hubble-állandó értékét, amelynek meghatározására mindeddig csak elektromágneses megfigyelések adtak módot. Az új módszerrel kapott érték az eredmények szerint összhangban volt a korábbi számításokkal. "A ritka esemény átformálhatja az univerzum működésével kapcsolatos gondolkodásunkat" - mondta France A. Córdova, az amerikai hullámdetektort üzemeltető National Science Foundation igazgatója. "A háttérszámítások szerint "egy ilyen erősségű neutroncsillag-összeolvadás kevesebb mint egyszer fordul elő 80 ezer évente" - hangsúlyozta Laura Cadonati, a Georgia Műszaki Egyetem fizikaprofesszorát is, a LODO szóvivője. A tudós szerint "az észlelésre az egyik leginkább tanulmányozott asztrofizikai jelenségként fog emlékezni a történelem".
Először sikerült kutatóknak közvetlenül észlelniük neutroncsillag-összeolvadásból származó gravitációs hullámokat az amerikai lézer interferométeres gravitációshullám-vizsgáló obszervatórium (LIGO) és olaszországi párja, a VIRGO detektoraival, az ütközést kísérő fényjelenséget is megtudták figyelni mintegy 70 földi és űrtávcsővel. Az augusztus 17-én magyar idő szerint 14 óra 41 perckor észlelt kozmikus jelenség viszonylag közel, a Földtől nagyjából 130 millió fényévnyire következett be. A két, mintegy 1,1 és 1,6 naptömegű neutroncsillag nagyjából 300 kilométerre megközelítette egymást, majd egyre gyorsulva, spirális pályán összeütközött, miközben mintegy 100 másodpercen keresztül gravitációs hullámjeleket keltettek.
A neutroncsillagok kisméretű, nagyjából 20 kilométer átmérőjű, rendkívül sűrű égitestek, amelyek a szupernóva-robbanást követően maradnak vissza. A négy naptömegnél nagyobb csillagokból életciklusuk végén a szupernóva-robbanást követően vagy neutroncsillag marad vissza vagy feketelyuk keletkezik. A neutroncsillag leginkább egy atommagra hasonlít, csakis neutronok találhatóak benne nagy sűrűséggel. Átmérője nagyobb, míg a tömege kisebb egy feketelyukhoz képest, így az alacsonyabb gravitációs erő miatt a fotonok meg tudnak szökni belőle. Vagyis a neutroncsillag világít és hagyományos távcsövekkel is megfigyelhető. Az eddigi három, feketelyukak összeolvadásából származó gravitációs hullámjel befogása után most komoly tudományos előrelépést jelent a neutroncsillagpáros összeolvadásának észlelése.
Száz másodpercig tartott az észlelés, ezalatt a két, a Napunknál mintegy 1,1 - 1,6-szor nagyobb objektum háromezerszer kerülte meg egymást
A mostani az első alkalom, amikor a tudósok egy kozmikus jelenséget a gravitációs hullámjelek mellett elektromágneses sugárzás formájában is képesek voltak megfigyelni. A gravitációs hullámok után két másodperccel ért el a Földre az ütközés nyomán felszabadult gammasugárzás, amelynek rövid és gyenge jelét a Fermi és az Integral űrtávcsövek észlelték. Mindez a többcsatornás csillagászat korszakának kezdetét jelölheti, amikor egyazon eseményről két fizikailag teljesen különböző méréssel is információhoz juthatnak a tudósok.
A gammakitörés jeleinek két másodperces késése a gravitációs hullámokhoz képest Albert Einstein egy újabb jóslatát is igazolja, mivel bizonyítékot jelent arra, hogy a gravitációs hullámok valóban fénysebességgel terjednek. A neutroncsillag-összeolvadást kísérő fényjelenségek részletes vizsgálatához szükség volt a forrásgalaxis pontos meghatározására. A két LIGO detektor adatai alapján a neutroncsillagok helyzetét 190 négyzetfoknyi területre sikerült behatárolni, az Olaszországban működő Virgo detektor adataival a gravitációs hullám forrásának helyzetét tovább lehetett pontosítani az eredeti terület 14,7 százalékára. Egy ekkora szögtartományon belül nagyjából 130 millió fényév távolságra azonban több galaxis is lehetett volna a jelek forrása.
A helyszín gyors azonosításában a Frei Zsolt Széchenyi-díjas asztrofizikus és kutatócsoportja - Bécsy Bence, Dálya Gergely, Frei Zsolt és Raffai Péter - által összeállított, mintegy 2,5 millió galaxist tartalmazó katalógus, a Glade is segített a tudósokat. Az Eötvös Loránd Tudományegyetemen (ELTE) működő magyar kutatócsoport volt az első, amely a gravitációshullám-forráshoz azonosított égterület és becsült forrástávolság alapján közzétette a lehetséges forrásgalaxisok listáját. A jelenséget követően 34 csoport kezdte el keresni a neutroncsillag-összeolvadás elektromágneses jeleit, többen az ELTE galaxiskatalógusát használták iránymutatásul. Közéjük tarozott az elsőként sikerrel járó a Chilében lévő Las Campanas Obszervatórium is, amely egy egyméteres Swope teleszkópjával lelt rá a keresett fényjelenségre. Eredményeik szerint a GW170817 jelű gravitációs hullámjel után közvetlenül észlelt gammakitörés a Hydra vagy más néven Északi Vízikígyó csillagképben elhelyezkedő NGC 4993 jelű galaxisból származik.
A videóban kék régió mutatja a forrásjel valószínű helyzetét, és ugyanekkor, ugyanitt, az NGC 4993 galaxisban figyeltek meg két neutroncsillag összeolvadását. 12 napon át figyelték távcsővekkel az elhalványodást, az utófényt.
| A katalógus fizikai jellemzőik alapján rangsorolja a galaxisokat. A most észlelt neutroncsillag-összeolvadás esetén, mivel a LIGO nem tudja pontosan meghatározni a gravitációs hullámok forrásának irányát, az ELTE által adott adathalmaz első csoportjában 15 olyan galaxis szerepelt, ahol a tudósok szerint - többek között a magas csillagkeletkezési ráta alapján - a legvalószínűbb a gravitációs hullámok keletkezése. Ezt követte egy 83 galaxist tartalmazó "második legvalószínűbb kör", amelyben ténylegesen szerepelt az a galaxis is, ahonnan augusztus 17-én neutroncsillag-összeolvadásból származó gravitációs hullámokat észleltek a LIGO detektorai. |
A legerősebb gravitációs hullámjel a feketelyukak összeolvadásából adódik, a neutroncsillagok összeolvadását kisebb tömegük miatt nehezebb érzékelni az interferométeres lézerdetektorokkal. Ezért korábban úgy vélték, hogy az első ilyen észlelésre még éveket kell várni. Az augusztusi, viszonylag gyenge jel azonban egy közeli, mintegy 150 millió fényévre fekvő galaxisból származik, ezért a LIGO már most képes volt érzékelni.
A neutroncsillag összeolvadást kísérő fényjelenségeket azonban csak akkor lehet megfigyelni, ha sikerül azonosítani a galaxist, ahonnan a gravitációs hullám érkezett. Ebben áll a magyar kutatócsoport galaxiskatalógusának a jelentősége. Ha ugyanis a csillagászok tudják, hogy az égbolt egy adott területén milyen galaxisok találhatóak, hogy melyek azok, ahol valószínűsíthető egy neutroncsillag-összeolvadás, sokkal gyorsabban képesek felkutatni a forrásgalaxist és megfigyelni az esetleges fényjelenséget. Ebben az esetben több távcsővel, köztük a Hubble űrteleszkóppal is azonosították a gravitációs hullámjel optikai megfelelőjét, és ehhez felhasználták a magyar kutatók galaxiskatalógusát is.
A LIGO több-milliárd fényév átmérőjű tartományban érzékeny, ami mintegy ötmillió galaxist ölel fel. A magyar katalógus ennek mintegy feléről, 2,5 millió galaxisról szolgál adatokkal, szemben a LIGO régebbi, mindösszesen 50 ezer galaxist tartalmazó térképével, amelyben elsősorban közelebbi galaxisok szerepelnek. A most észlelt jel viszont annyira közelről érkezett, hogy a származási hely még a korábbi galaxiskatalógusban is benne volt, így volt, aki ezt használva azonosította a neutroncsillag-összeolvadást kísérő felvillanást, más kutatócsoportok az újabb magyar galaxistérképet alkalmazták.
Érdekesség, hogy LIGO-val együttműködő európai hullámdetektor, a Virgo alig észlelte az augusztus 17-i jelet. Ennek az az oka, hogy a jel abból az egyetlen irányból érkezett, amelyre a Virgo nem érzékeny, a hullámdetektor két karja között félúton, 45 fokos szögből. Ilyenkor a két kar egyformán rövidül vagy hosszabbodik meg a gravitációs hullám hatására, vagyis az interferométerben nem alakul ki jelentős hosszkülönbség, így nem vagy alig észlelhető a jel.
A tudósok a legújabb gravitációshullám-észlelést használták arra is, hogy ellenőrizzék a világegyetem tágulásának ütemét leíró Hubble-állandó értékét, amelynek meghatározására mindeddig csak elektromágneses megfigyelések adtak módot. Az új módszerrel kapott érték az eredmények szerint összhangban volt a korábbi számításokkal. "A ritka esemény átformálhatja az univerzum működésével kapcsolatos gondolkodásunkat" - mondta France A. Córdova, az amerikai hullámdetektort üzemeltető National Science Foundation igazgatója. "A háttérszámítások szerint "egy ilyen erősségű neutroncsillag-összeolvadás kevesebb mint egyszer fordul elő 80 ezer évente" - hangsúlyozta Laura Cadonati, a Georgia Műszaki Egyetem fizikaprofesszorát is, a LODO szóvivője. A tudós szerint "az észlelésre az egyik leginkább tanulmányozott asztrofizikai jelenségként fog emlékezni a történelem".