Szimpatika – Mi történik, ha egy csillag és egy feketelyuk találkozik?

Ez egy teljesen újfajta rendszert képvisel, mivel mindezidáig csak kettős fekete lyukakból vagy kettős neutroncsillagokból álló rendszerek által sugárzott gravitációs hullámokat észleltünk. Ez a felfedezés azokba az összetett mechanizmusokba enged betekintést, amelyek ezeket az extrém és ritka asztrofizikai eseményeket előidézhették, és a korábbi Virgo- és LIGO-észlelésekkel együtt, egy még fel nem térképezett kozmikus tájat nyitnak meg előttünk.

A Virgo, a LIGO és a KAGRA tudományos együttműködések 2021. június 29-én bejelentették, hogy elsőként sikerült olyan kettős rendszereket megfigyelniük, amelyek egy fekete lyukból és egy neutroncsillagból (NSBH) állnak. Ezt az eredményt az tette lehetővé, hogy 2020. januárjában észlelték a két rendszer gravitációhullám-jelét, amelyekben egy fekete lyuk és egy körülötte keringő neutroncsillag olvadt össze egyetlen kompakt objektummá. Ezeknek a vegyes rendszereknek a létezését a csillagászok már több évtizeddel ezelőtt megjósolták, de idáig soha nem figyelték meg kellő bizonyossággal, sem elektromágneses, sem gravitációs jelek révén.

2020. január 5-én az Egyesült Államokban, a Louisiana állambeli Livingstonban található Advanced LIGO detektor és az olaszországi Advanced Virgo detektor egy gravitációs hullámot figyelt meg, amelyet az NSBH-pár zsugorodó pályáján megtett néhány utolsó, az összeolvadást megelőző keringés során sugárzott ki. Mindössze 10 nappal később egy másik hasonló kettős rendszer keringéséből és összeolvadásából származó második gravitációshullám-jelet is megfigyeltek, ezúttal az Advanced LIGO és Virgo detektorai is. Ez a két, GW200105 és GW200115 jelzésű (észlelésük dátuma alapján) esemény képviseli a neutroncsillagok és fekete lyukak kevert rendszere által sugárzott gravitációs hullámok első megfigyelését.

A januárban észlelt gravitációshullám-jelek értékes információkat hordoznak a rendszerek fizikai jellemzőiről, például a két NSBH-pár tömegéről és távolságáról, valamint azokról a fizikai mechanizmusokról, amelyek a kettőst létrehozták és a komponensek összeolvadásához vezettek. A jel elemzése megmutatta, hogy a GW200105-eseményt létrehozó fekete lyuk és neutroncsillag tömege körülbelül 8,9-szerese és 1,9-szerese Napunk (M☉) tömegének. Továbbá rámutatott, hogy egyesülésük 900 millió évvel ezelőtt történt, több 100 millió évvel azelőtt, hogy az első dinoszauruszok megjelentek a Földön. A Virgo és a LIGO tudósai úgy becsülik, hogy a GW200115-eseményt létrehozó kompakt objektumok tömege nagyjából 5,7 M☉ (fekete lyuk) és 1,5 M☉ (neutroncsillag) volt, és hogy majdnem egymilliárd évvel ezelőtt egyesültek.

„Bizonyítékokat nyertünk arra, hogy műszereink érzékenysége már meghaladja az ilyen rendszerek felderítéséhez szükséges küszöböt” – jelentette ki Giancarlo Cella, az INFN kutatója és a Virgo adatelemzési koordinátora. – „Így azt várjuk, hogy ez a következő megfigyelési időszakokban rutinszerűvé válhat.”

Dr. Barta Dániel, a Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos munkatársa és a Virgo együttműködés tagja a következőképpen kommentálta a bejelentést: „Az olyan kompakt kettős rendszerek, amelyek legalább egyik komponense neutroncsillag, nemcsak a relativisztikus asztrofizikai objektumokra vonatkozó ismereteinket bővítik, hanem kivételes lehetőséget nyújtanak az extrém nagy sűrűségű maganyag és a gravitáció kapcsolatának tanulmányozására is. A kompakt csillagok olyan megfigyelhető makroszkopikus fizikai jellemzőiből, mint a tömegük és sugaruk, következtethetünk a mikrofizikai tulajdonságaikra. A rövid idejű pericentrikus áthaladás során, mikor a neutroncsillag megközelíti a fekete lyukat, az árapályerők deformálják a csillagot és ún. r-módusú rezgéseket gerjesztenek, amelyek viszont saját, tipikusan hosszú időtartamú gravitációshullám-jeleket bocsájtanak ki és csatolódnak a kompakt kettős jeléhez. Ily módon a frekvenciájuk segítségével jellemzett rezgések a csillagok szerkezetéről is információkat kódolnak a gravitációshullám-jelbe.”

A LIGO–Virgo együttműködés munkájában három magyar kutatócsoport is részt vesz, és a fentihez kapcsolódó kutatási témákon dolgoznak. A Dr. Vasúth Mátyás vezette, a Wigner Fizikai Kutatóközpontban működő Gravitációfizikai Kutatócsoportja 2010-től a Virgo együttműködés tagja. Az Eötvös Gravity Research Group (EGRG) az Eötvös Loránd Tudományegyetemen működik Dr. Frei Zsolt vezetésével, ami 2007 óta az LSC tagja. Szintén a LIGO együttműködés tagja a Szegedi Tudományegyetem gravitációs hullámok kutatásával foglalkozó, Dr. Gergely Árpád László vezette kutatócsoportja, mely 2009-től az ELTE csoport külső tagjaként, 2014-től pedig önállóan végzi kutatómunkáját. Az együttműködésnek a három magyarországi kutatócsoporton kívül is vannak magyar résztvevői, Dr. Bartos Imre, a Floridai Egyetem, Dr. Márka Szabolcs és Dr. Márka Zsuzsa pedig a Columbia Egyetem kutatóiként vesznek résznek a kutatásokban.