Élet és tudomány

Gamma-kitörések kutatása tegnap, ma és holnap - Fényűzés felsőfokon

Megjelent az Élet és tudomány 2008. novemberi számában

Írta: Karcsai Balázs

Jól ismert tény, hogy nagyjából napi rendszerességgel igen rövid ideig tartó, de annál energikusabb gammasugárzás-impulzusok érik el bolygónkat. Többségük igen messziről, több milliárd fényév távolságából jut el hozzánk, így az őket létrehozó folyamatban sokkal több energia sugárzódik ki, mint bármiylen más jelenség következtében, amit az ősrobbanás óta az Univerzumban ismerünk. Vajon mi áll e különös felvillanások hátterében, amelyekre több űreszköz és földi teleszkóp is vadászik a nap huszonnégy órájában.

Aki rendszeresen figyelemmel kíséri a csillagászat híreit, az elmúlt hónapokban a szokottnál is többször találkozhatott a gamma-kitörés kifejezéssel (angolul Gamma-ray Burst, rövidítve GRB). Ezzel a gyűjtőnévvel illetik azokat a „semmiből megjelenő”, erős gamma-sugárzást produkáló jelenségeket, amelyeket erre alkalmas űreszközeink időről időre megfigyelnek. Időtartamuk nagyon rövid, általában egy-két tizedmásodperctől néhány percig észlelhetők. Sokáig csak a fény legnagyobb frekvenciájú tartományában volt lehetőség tanulmányozásukra, a technikai fejlődésnek köszönhetően azonban napjainkra már utóéletükről is egyre többet tudunk. Valószínűleg szintén a kifinomultabb módszereknek köszönhető, hogy az idén két fontosabb rekord is megdőlt.

A GRB sztori

Több mint négy évtized telt el azóta, hogy először észlelhettük ezeket az igen rövid ideig tartó, de annál intenzívebb gammasugár-felvillanásokat. A történet a hidegháború legkeményebb éveiben kezdődött. 1963-ban a nagyhatalmak aláírták az űrbeli és légköri atomkísérleteket megtiltó részleges atomcsendegyezményt. Ennek betartásának ellenőrzésére bocsátotta fel az Egyesült Államok négy évvel később a gamma-detektorokkal felszerelt Vela műholdcsaládot, amelynek feladata az volt, hogy leleplezze a szovjetek esetleges ilyen irányú atomtevékenységét. A műholdak már működésük első napjaiban több eseményt is regisztráltak, de a sugárzás jellemzőiből azonnal nyilvánvaló volt, hogy nem emberi tevékenység okozta őket.
De akkor micsoda? A kutatás megkezdésére egészen 1973-ig kellett várni, ugyanis a jelenséggel kapcsolatos megfigyeléseket nemzetvédelmi okokból csak ekkor publikálták. Ettől kezdve azonban egyre több kutatóműholdon jelentek meg a gamma-sugárzást detektáló műszerek, így a kitörések irányáról és lefolyásáról is jobb információkkal rendelkeztek a tudósok. Ahhoz azonban még az sem volt elég, hogy a keletkezésükről alkotott elméletek közül el tudják dönteni, melyik a helyes. Egyesek szerint a kitörések a Földhöz egészen közel, a Naprendszerben jöttek létre, míg mások a galaxisunkban található erősen mágneses neutroncsillagokat tartották kulcsszereplőnek. Némelyek azt állították, hogy a kitörések forrásai a távoli galaxisokban keresendők, és ennek megfelelően ezek igen nagy energiafelszabadulással járó folyamatok. Sőt az a feltevés is támogatókra talált, miszerint a felvillanások megfigyelésével idegen civilizációk pusztító kozmikus háborújának lehetünk tanúi.
1991-ben az amerikaiak felbocsátották a Compton-űrtávcsövet, amely már speciálisan a gamma-sugárzás megfigyelésére készült, és fedélzetén külön nyolc detektorból álló berendezés vadászott a kitörésekre. A rendkívül érzékeny Compton már működésének első három hónapjában több gamma-kitörés irányát és spektrumát határozta meg, mint amenynyit annak előtte ismertek. Csaknem egy évtizedes küldetése során több mint 2700 felvillanást észlelt, neki köszöhetjük a mindmáig legnagyobb, összefüggő GRB-adatbázist. Egyértelművé vált, hogy a kitörések eloszlása az égbolton egyenletes (izotróp), amely rögtön megcáfolta azt a vélekedést, hogy forrásaik a Tejútrendszer magjában vagy tányérjában helyezkednek el, ugyanis ebben az esetben ezekből az irányokból több ilyen jelenséget kellett volna tapasztalni. Mivel a kitörések távolságát még mindig nem sikerült meghatározni, két lehetőség maradt: a felvillanások vagy a Naprendszeren belül, vagy messzi galaxisokban keletkeznek. Az azonban bizonyossá vált, hogy a GRB-k lefolyásuk szerint legalább két, jól elkülönülő csoportra oszthatók. Az első osztályba a két másodpercnél rövidebb, a gamma-tartományban átlagosan három tizedmásodpercig sugárzó kitörések tartoznak, míg a második osztály képviselői ennél jóval hoszszabb ideig, akár percekig is eltartanak. Előbbiek esetében a nagyenergiájú fotonok kisebbekhez viszonyított számaránya jóval nagyobb, mint az utóbbiaknál. Kézenfekvőnek tűnt, hogy az egyes kitöréstípusok különböző folyamatok eredményeképpen jönnek létre.
A felvillanások hátterében álló lehetséges fizikai jelenségek leírására ekkorra már több elmélet is létezett, azonban mindegyik azt jósolta, hogy a gammasugárzást alacsonyabb hullámhosszakon kibocsátott, fokozatosan lecsengő utófénylésnek kell követnie. A kitörések irányának pontatlan és lassú meghatározása miatt azonban ennek megfigyelésére sokáig nem kerülhetett sor. 1997-ben aztán a holland–olasz együttműködésben épült BeppoSAX műhold röntgensugárzást észlelt egy nem sokkal azelőtt felfénylett gamma-kitörés helyén. Később a látható hullámhosszakon is megfigyelték a jelenséget, és a színképvonalak vöröseltolódásából megállapították, hogy a kitörések egytől egyig távoli galaxisokból származnak.

Hihetetlen energiák

Az utóbbi években az amerikai Swift és HETE-2 műholdak már statisztikai szempontból is jelentős számú gammakitörés esetében figyeltek meg utófényt, és mértek vöröseltolódást. A kitörések átlagos távolsága 8 milliárd fényév, ami azt jelenti, óriási mennyiségű energiának kell kisugárzódnia abban a folyamatban, ami a felvillanást létrehozza. Amennyiben a forrás gömbszimmetrikusan sugároz, úgy néhány tizedmásodperc alatt annyi energiának kellene felszabadulnia, mintha a Nap teljes tömege szétsugározna az E=mc2 összefüggés alapján. Jelenlegi ismereteink szerint ekkora energiakiáramlás legfeljebb csak a fekete lyukak környékén lehetséges.
A hosszabb ideig tartó, de lágyabb, azaz az energia nagy részét inkább kisebb energiájú fotonokban kisugárzó kitöréstípust az úgynevezett hipernóva (más néven kollapszár) -jelenséggel magyarázzák. Ha egy legalább negyven naptömegű csillag elégeti nukleáris fűtőanyagát, végül fekete lyukká esik össze. Amenynyiben a csillag tengely körüli forgása gyors, a bezuhanó anyag egy úgynevezett akkréciós korongba sűrűsödik. Ekkor a csillaganyag jelentős része az egyenlítő síkjában, spirális pályán száguld a középpont felé, ami a hatalmas gravitációs erő következtében egyfajta generátorként működik. Vagyis energiává alakítja az akkréciós korong anyagának egy részét, két igen vékony, forgástengely irányú nyalábban (jet) kisugározva azt. Ebben a folyamatban a gamma-sugárzás akkor jön létre, amikor a később kiáramló anyagcsomók utolérik a már korábban, de kisebb sebességgel kidobottakat, és nekiütköznek azoknak.
Ezt az elképzelést támasztja alá, hogy a pontosabb megfigyelések szerint az ilyen kitörések mindig a galaxisoknak azon aktív vidékeiről származnak, ahol éppen csillagkeletkezés folyik. Itt jönnek létre ugyanis azok a nagy tömegű, éppen ezért igen rövid életű csillagok, amelyek halálakor megfigyelhető a jelenség. A hosszú kitörések még az ilyen kritériumnak megfelelő galaxisok között is válogatnak, sűrűbben fordulnak elő a kicsi, irreguláris galaxisokban, mint a nagy spirálokban. Ennek valószínű magyarázata, hogy a fiatal csillagvárosokban jóval kevesebb a fém (ez a csillagászatban a héliumnál nehezebb elemeket jelenti). A nagy fémtartalmú csillag ugyanis nagyobb csillagszelet produkál, így könynyen megeshet, hogy még a végső összeomlás előtt olyan sok anyagot veszít, hogy nem tud létrejönni a központi fekete lyuk, csak egy neutroncsillag. Egy másik bizonyíték, hogy több ilyen kitörés helyén egyúttal szupernóva-robbanást is megfigyeltek, ennek közepén marad végül a fekete lyuk. Az pedig, hogy a gamma-sugárzás csupán két szűk nyalábban indul útjára, jelentősen, akár három nagyságrenddel is csökkenti a kitöréshez szükséges energia mennyiségét. Ez persze azt is jelenti, hogy csak akkor vesszük észre a jelenséget, ha valamelyik jet éppen felénk mutat.
A rövid, de keményebb kitörések keletkezését neutroncsillag (vagy neutroncsillag és fekete lyuk) -kettősök összeolvadásával próbálják magyarázni. A neutroncsillag nagy – de az előbb említetteknél jóval kisebb – tömegű csillagok halálakor keletkezik, anyaga sűrűbb, mint bármi másé az univerzumban. A két, egymás körül keringő neutroncsillag az általános relativitáselmélet szerint gravitációs hullámokat sugároz ki, amelynek következtében energiát veszít, és spirális pályán egyre közelebb kerül egymáshoz. Az ütközéskor fekete lyuk keletkezik, körülötte egy hatalmas, relativisztikus sebességgel táguló tűzgolyóval, amely a környező gázcsomóknak ütközve gamma- és röntgensugárzást bocsát ki. A mérések alapján az ilyen típusú gamma-kitörések általában nem jönnek olyan messziről, mint a hosszúak, nem tartozik hozzájuk szupernóva-robbanás, és keletkezési helyük is jóval változatosabb.

Új felfedezések ígérete

A Compton-űrtávcső küldetésének befejeztével, nagyfelbontású gamma-detektorokkal felszerelt űreszközök híján az utóbbi egy évtized leginkább az utófények megfigyeléséről szólt. Idén júniusban azonban föld körüli pályára állt a nemzetközi együttműködésben épült Fermi-űrtávcső, amelynek segítségével – ahogy arról az Élet és Tudomány 2008/22. számában beszámoltunk – a fény olyan rövid hullámhosszú tartományában és olyan nagy pontossággal térképezhetjük fel az Univerzumot, amelyre mindeddig nem voltunk képesek. Két műszere, a Large Area Telescope (LAT) és a Burst Monitor (GBM) jól kiegészítik egymást, előbbi a nagyobb, utóbbi a kisebb energiákon figyelheti meg a gamma-kitöréseket. Mivel a GBM látótere a teljes égboltot lefedi, kitörés észlelése esetén időben jelezni tudja irányát a LAT-nak és a többi, a földön vagy a világűrben elhelyezett teleszkópnak. A GBM méréseiből katalógust kívánnak létrehozni, amely többek között tartalmazza a kitörések spektrumát, csúcsfényességét és időbeli lezajlását. Az állandó adatrögzítésnek köszönhetően utólag olyan GRB-k nyomai után is lehetőség lesz keresni, amelyeket valós időben nem észleltek a detektorok. A két műszer együttes megfigyelései magyarázattal szolgálhatnak a gammakitörések alacsony- és nagyenergiájú gamma-foton kibocsátása közötti kapcsolatra, amely megfelelő detektorok hiányában a mai napig nem volt tisztázott. Emellett az eddigieknél sokkal részletesebb energiaspektrumot adhatnak, ugyanis a jelenleg rendelkezésre álló adatok nem mutatják meg egyértelműen, milyen módon történik az energia kibocsátása.

Az új megfigyelések tovább pontosítják majd a felvillanásokat létrehozó folyamatok elméletét. Meglepő módon, jelenleg a teoretikusok nagy problémája nem az, hogy miként sugárzódik ki ilyen rövid idő alatt ez a hatalmas energia, hanem hogy miért nem gyorsabb még ennél is a folyamat. Aztán itt van egy lehetséges harmadik kitöréstípus is. A kutatók szerint a felvillanások egy kis hányada származhat az úgynevezett magnetárok (hatalmas mágneses térrel rendelkező neutroncsillagok) óriáskitöréseiből is. Galaxisunkban öt ilyen objektum ismert, négy évvel ezelőtt egyikük akkora kitörést produkált, hogy az öszszes űrbeli gamma-detektort telítésbe vitte, és érzékelhető hatással volt bolygónk ionoszférájára. Egy ehhez hasonló esemény távolabbi galaxisokból is jól látszódna. Amennyiben sikerül jobban megértenünk a gamma-kitörések fizikáját, akár arra is lehetőségünk lesz, hogy segítségükkel pontosabb méréseket végezhessünk az Univerzum szerkezetével, múltjával és jövőjével kapcsolatban.