A Virgo, a LIGO és a KAGRA gravitációshullám-detektorok egy újabb hiányzó láncszemmel egészítették ki az extrém kozmikus jelenségekről alkotott ismereteinket: először figyeltek meg közvetlenül egy fekete lyukból és egy neutroncsillagból alkotott vegyes kettős rendszert. Ez az objektum egy teljesen újfajta rendszert képvisel, mivel mostanáig csak két fekete lyukból vagy két neutroncsillagból álló kettős rendszerek által sugárzott gravitációs hullámokat észleltek. 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 LIGOVirgo együttműködésben a Wigner FK szakemberei is részt vesznek.

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 állnak („neutron star–black hole”, NSBH). Ezt az eredményt az tette lehetővé, hogy 2020 januárjában észlelték a két rendszer gravitációshullám-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. A mostani jelentős eredmény a The Astrophysical Journal Letters című folyóiratban jelent meg 2021. június 29-én.

2020. január 5-én az Egyesült Államokban, a Louisiana állambeli Livingstonban található Advanced LIGO detektor, valamint az olaszországi Advanced Virgo detektor egy gravitációs hullámot figyelt meg, melyet az NSBH-pár az összeolvadást megelőzően, a zsugorodó pályáján megtett néhány utolsó keringés során sugárzott ki. Mindössze tíz nappal később ugyanezek a műszerek egy másik hasonló kettős rendszer keringéséből és összeolvadásából származó második gravitációshullám-jelet is észleltek. Ez a két, az észlelésük dátuma alapján elnevezett GW200105 és GW200115 jelzésű esemény fémjelzi a neutroncsillagok és fekete lyukak kevert rendszere által sugárzott gravitációs hullámok első megfigyelését.

A tavaly januárban észlelt gravitációshullám-jelek értékes információkat hordoznak a kettős rendszerek fizikai jellemzőiről, például a két NSBH-pár tömegéről és a Földtől mért távolságáról, valamint azokról a fizikai mechanizmusokról, amelyek ezeket a kettős rendszereket létrehozták és a komponensek összeolvadásához vezettek. A jel elemzése megmutatta, hogy a GW200105-eseményt létrehozó fekete lyuk és neutroncsillag tömege körülbelül 8,9-szerese, illetve 1,9-szerese Napunk tömegének (M), továbbá rámutatott arra, hogy egyesülésük 900 millió éve, vagyis 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 fekete lyuk tömege nagyjából 5,7 M, a neutroncsillagé pedig 1,5 M 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 olasz Nemzeti Nukleáris Fizika Intézet (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN) kutatója és a Virgo adatelemzési koordinátora. – „Így azt várjuk, hogy ez a következő megfigyelési időszakokban rutinszerűvé válhat.”

Dr. Barta Dániel, a Wigner FK tudományos munkatársa és a Virgo együttműködés tagja elmondta: – „Az olyan kompakt kettős rendszerek, amelyeknek legalább az 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 megfigyelhető makroszkopikus fizikai jellemzőiből, mint például a tömegük és a sugaruk, következtethetünk a mikrofizikai tulajdonságaikra. A rövid idejű pericentrikus áthaladás során, mikor a neutroncsillag megközelíti a fekete lyukat, az árapályerők deformálják a csillagot és úgynevezett r-módusú rezgéseket gerjesztenek, amelyek viszont saját, tipikusan hosszú időtartamú gravitációshullám-jeleket bocsátanak ki, és csatolódnak a kompakt kettős objektum 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 Wigner FK-ban működő, Dr. Vasúth Mátyás által vezetett Gravitációfizikai Kutatócsoport 2010-től a Virgo együttműködés tagja. Az Eötvös Gravity Research Group (EGRG), mely 2007 óta vesz részt a LIGO tudományos együttműködésben (LSC), az Eötvös Loránd Tudományegyetemen működik Dr. Frei Zsolt vezetésével. Szintén az LSC 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 részt a kutatásokban.

A kettős feketelyukneutroncsillag-rendszerek kialakulásáról (lásd: Infographics)

A jelenlegi asztrofizikai modellek az NSBH-párok kialakulásához két fő elméleti forgatókönyvet vesznek figyelembe. Az egyik az úgynevezett „izolált kettős fejlődés”, mely szerint két csillag, amelyek egymás körül keringenek, életük végén, a szupernóva-robbanások után még mindig egy fekete lyuk és egy neutroncsillag kötött rendszerét alkotják. A másik lehetőség az, hogy a neutroncsillag és a fekete lyuk különálló csillagokból képződik egymással nem összefüggő szupernóva-robbanások során, és csak utána találkoznak. Ezt az úgynevezett „dinamikus kölcsönhatást” különböző fizikai mechanizmusok indíthatják el sűrű csillagkörnyezetben, például gömbhalmazokban, fiatal csillaghalmazokban vagy akár az aktív galaxismagok akkréciós korongjában.

Ezen különböző elméleti forgatókönyvek alapján előrejelzéseket lehet megfogalmazni például a fekete lyuk és a neutroncsillagok irányáról (úgynevezett „spinek”) a pályamozgáshoz viszonyítva, vagy általában véve arról, hogy hány NSBH-pár jön létre egy meghatározott időtartamon belül az univerzumban (az „összeolvadási rátának” nevezett mennyiség). A közelmúltban bejelentett észleléseknek köszönhetően ezeket az előrejelzéseket először összehasonlíthatjuk a két megfigyelt NSBH-pár adataival, és elkezdhetjük vizsgálni a különböző asztrofizikai modelleket.

Például ha figyelembe vesszük, hogy a LIGO és a Virgo a megfigyelési időszakok alatt csak ezt a két NSBH-eseményt észlelték, kiderül, hogy a Földtől egymilliárd fényév távolságon belül évente 5–15 ilyen esemény következik be. Ez az arány összhangban van mind az izolált kettőscsillagok fejlődésével, mind a fiatal csillaghalmazokban vagy az aktív galaxismagokban tapasztalható dinamikus kölcsönhatással, azonban ez a becsült ráta, valamint a GW200105 és a GW200115 megfigyelt spinértékei nem teszik lehetővé egyetlen meghatározott képződési forgatókönyv kiválasztását.

A vegyes neutroncsillag–feketelyuk-rendszer detektálásának további bizonyítéka lehetett volna az elektromágneses sugárzásnak a gravitációs hullámokkal együtt történő észlelése. Valójában ha a két kompakt objektum tömege nagyjából hasonló, akkor a neutroncsillag, miközben a fekete lyukat megközelíti, olyan hatalmas árapályerőknek van kitéve, hogy szétszakad. Ebben az esetben a gravitációs sugárzás mellett az elektromágneses sugárzás látványos fellángolásai is megfigyelhetők, amit a fekete lyuk körüli csillaganyag felbomlása okoz. Ez hasonló ahhoz a mechanizmushoz, amely a galaxisok középpontjában lévő szupernagy tömegű fekete lyukak körüli akkréciós korong kialakulásához vezet. Ez valószínűleg nem fordult elő sem a GW200105, sem a GW200115 esetében, mert mindkét esetben túl nagy volt a fekete lyuk tömege, ezért amikor a két objektum szeparációja kellőképpen lecsökkent, a fekete lyuk úgymond „egy falással lenyelte” a kísérőjét.

Először 1974-ben figyeltek meg kettős neutroncsillag-rendszereket a Tejútban, az úgynevezett rádiópulzárok által kibocsátott rádióhullámok pulzációjának megfigyelésével. – „A csillagászok évtizedeket töltöttek a fekete lyukak körül keringő rádiópulzárok keresésével, de a Tejútrendszerben eddig nem találtak ilyet” – mondja a francia Nemzeti Tudományos Kutatóközpont (Centre national de la recherche scientifique, CNRS) kutatója és a Virgo együttműködés tagja, Astrid Lamberts, aki Nizzában, az ARTEMIS és a Lagrange laboratóriumokban dolgozik. – „A feketelyuk–neutroncsillag-pár valóban a »hiányzó láncszem« volt a csillagászok számára. Ezzel az új felfedezéssel végre megérthetjük, hogy hány ilyen rendszer létezik, milyen gyakran egyesülnek, és eddig miért nem láttunk ilyenekre példát a Tejútrendszerben.”

Két korábbi, a GW190814 és a GW190426 jelzésű gravitációshullám-jelet is NSBH-jelöltnek tekintettek, de nem elegendően magas megbízhatósági szint mellett.

– „Sok munkát és jelentős számítási erőforrást szenteltek a paraméterbecslés céljára. A gravitációshullám-detektorok által rögzített adatok elemzésének egyik fő problémája a hasznos információk kihámozása az adatokból, hiszen ezek mindig keverednek a zajjal” – fűzte hozzá Giancarlo Cella, az INFN kutatója és a Virgo adatelemzési koordinátora. – „A források tulajdonságaira vonatkozó legjobb becsléseket kell kapnunk, ugyanakkor meg szeretnénk tudni, hogy mekkora a valószínűsége annak, hogy az azonosított jel csak véletlenszerű ingadozás volt.”

Egy új kozmikus tájkép megrajzolása

– „Az a tény, hogy felfedeztünk háromféle kettős rendszert, segít azoknak az elméleteknek a kidolgozásában, amelyek következetesen magyarázzák mindegyikük tulajdonságait” – tette hozzá Astrid Lamberts (CNRS). – „Valójában ez a felfedezés lehetővé teszi számunkra az univerzum legszélsőségesebb jelenségeire vonatkozó ismereteink elmélyítését, és segít jobban megérteni, hogy milyen mechanizmusok keltik őket.”

A mostani bejelentés a Virgo és a LIGO által eddig elvégzett tucatnyi észlelés mellett lehetővé teszi a kutatók számára az univerzum legintenzívebb és legritkább jelenségeinek közeli megfigyelését, és példátlan képet rajzol azokról a zsúfolt és kaotikus régiókról, amelyek ezen események lehetséges környezetei. Ezenkívül azok a részletes információk, amelyeket a kutatók a fekete lyukak és a csillagütközések fizikájáról kezdtek gyűjteni, lehetőséget adnak arra, hogy extrém körülmények között teszteljék a fizika alaptörvényeit, amelyeket nyilvánvalóan soha nem fognak tudni reprodukálni a Földön.

– „A ma bejelentett felfedezés a harmadik LIGO-Virgo megfigyelési időszak egy újabb gyöngyszeme” – mondta Giovanni Losurdo, a Virgo szóvivője és az INFN kutatója. – „A LIGO és a Virgo folyamatosan olyan katasztrofális ütközéseket észlelnek, amelyekre még soha nem volt példa ezelőtt, ezáltal egy teljesen új kozmikus tájat világítanak meg. Jelenleg a detektorok fejlesztése folyik azzal a céllal, hogy sokkal messzebbre nézzünk a kozmosz mélyébe, új drágaköveket, mélyebb megértést keressünk az univerzumban, amelyben élünk.”