2017.10.17. - Az ESO távcsövei a neutroncsillagok összeolvadásának fényét is látták!

Az ESO chilei távcsőflottájának nagy egységei a legújabb gravitációshullám-forráshoz kapcsolódó elektromágneses sugárzást is észlelték. A tudománytörténeti jelentőségű megfigyelések neutroncsillagok összeolvadását jelzik.

A világ minden részén működő távcsövek, köztük az Európai Déli Csillagvizsgáló (European Southern Observatory, ESO) Chilében üzemelő hét nagy teleszkópja gyors reakciójának és a szintén világméretű összefogásnak köszönhetően a csillagászoknak először sikerült észlelni egyazon esemény - két neutroncsillag összeolvadása - által keltett gravitációs és elektromágneses hullámokat is.

Fantáziarajz két neutroncsillag összeolvadásáról.
[ESO/L. Calçada/M. Kornmesser]

2017. augusztus 17-én az Egyesült Államokban működő LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) és az Olaszországban üzemelő Virgo Interferometer obszervatóriumok a Földön áthaladó gravitációs hullámokat észleltek. Az esemény - a sorban az ötödik - a GW170817 jelzést kapta. Kb. két másodperccel később két űrobszervatórium, a NASA Fermi gamma-teleszkópja és az ESA INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory) műholdja pedig egy rövid gamma-villanást érzékelt az égbolt ugyanazon részéről.

Az eddig detektált gravitációs hullámok forrásainak lehetséges pozíciói az éggömbön. A Virgo detektor 2017 augusztusi belépésével a lokalizációs pontosság jelentősen megnövekedett, a GW170814 és a GW170817 "pozíciófoltja" már sokkal kisebb, mint a korábbi, csak a LIGO által észlelt események sávjai, de még így is elég nagy területet fed le.
[LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer/Axel Mellinger]

A LIGO-Virgo páros (pontosabban hármas, mivel a LIGO-nak két obszervatóriuma van az USA-ban) a forrás lehetséges pozíciójaként egy nagy, a telihold méreténél több százszor nagyobb (kb. 35 négyzetfokos), sok milliónyi csillagot tartalmazó területet tudott csak megadni az égbolton. Amint Chilében leszállt az éj, az ottani távcsövek - köztük az ESO 3,5 méteres VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) infravörös teleszkópja és a 8,2 méteres VLT egységek a Paranalon, az olasz REM (Rapid Eye Mount) La Silla-n, a Las Cumbres Observatory 0,4 méteres távcsöve és a Cerro Tololo Inter-American Observatory 4 méteres Blanco teleszkópja a DECam (Dark Energy Camera) műszerrel - elkezdték pásztázni a szóban forgó területet. A forrást elsőként a Las Campanas Observatory 1 méteres Swope teleszkópja detektálta, mégpedig az (Északi) Vízikígyó csillagképben megfigyelhető NGC 4993 katalógusjelű galaxis közvetlen közelében, de majdnem ezzel egy időben a VISTA is érzékelte a forrást az infravörös tartományban. Amikor a Hawaii-szigeteken is besötétedett, a Pan-STARSS és a Subaru teleszkópok is bekapcsolódtak, és elkezdték követni a forrást. "Nagyon ritkán fordul elő, hogy egy kutató tanúja lehet egy új korszak kezdetének. Ez egy ilyen ritka alkalom!" - érzékeltette az esemény jelentőségét Elena Pian (INAF, Olaszország), az eredményekről beszámoló egyik Nature-cikk vezető szerzője.

A GW170817 gravitációshullám-esemény utóhatásainak megfigyelésében mintegy 70 földi és űrobszervatórium vett részt.
[LIGO-Virgo]

A detektálás után az ESO a valaha volt egyik legnagyobb észlelési kampányt indította el, amelynek során a saját távcsövei mellett számos együttműködő partner műszerei is heteken keresztül figyelték a forrást. (Sajnos a galaxis csak az augusztusi estéken volt megfigyelhető, szeptemberre a Nap már nagyon közel került a területhez.) A Paranalon a VLT egységek és a VISTA, La Silla-n a 3,5 méteres NTT (New Technology Telescope) és a 2,2 méteres MPG/ESO teleszkóp, a Chajnantor-fennsíkon pedig az ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) észlelte az eseményt és követte annak utóhatásait széles hullámhossz-tartományban, világszerte pedig közel 70 obszervatórium kapcsolódott be a munkába, és természetesen nem maradhatott ki a Hubble-űrtávcső sem.

A gravitációshullám-adatokon alapuló és a többi megfigyelésből származó becslések szerint is a GW170817 forrásának távolsága megegyezik az NGC 4993 távolságával, ami kb. 130 millió fényév. Így a GW170817 nem csak ez eddig detektált legközelebbi gravitációshullám-esemény, de a legközelebbi gamma-villanás is. Valójában a viszonylagos közelség tette lehetővé, hogy a LIGO és a Virgo észlelhesse az eseményt, mivel a neutroncsillagok összeolvadása gyengébb gravitációs hullámokat kelt, mint a fekete lyukaké, ami az első négy detektált esemény valószínű oka volt.

Az NGC 4993 katalógusjelű galaxisnak az ESO különböző távcső/műszer párosaival készült képei. Az összeolvadó neutroncsillagok okozta ún. kilonóva a galaxis centrumának közelében, balra felfelé, 11 óra irányában látható halvány fénypont.
[VLT/VIMOS, VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM]

A téridő fodrozódásait, a gravitációs hullámokat mozgó tömegek keltik, jelenleg azonban csak a nagyon nagy tömegű objektumok nagyon gyors sebesség-változásai által keltett legintenzívebb gravitációs hullámokat tudjuk érzékelni. Ilyen esemény például a szupernóvaként felrobbant nagy tömegű csillagok összeroskadt magjainak, a rendkívüli sűrűségű kompakt neutroncsillagoknak az összeolvadása. Ha egy kettős rendszerben két neutroncsillag kering egymás körül, azok gravitációs hullámok formájában energiát veszítenek, így egyre közelebb és közelebb kerülnek egymáshoz, míg végül összeolvadnak, a tömegük egy része az Einstein-féle E = mc² formulának megfelelően energiává alakul, és gravitációs hullámok formájában kitörésszerűen kisugárzódik. A rövid gamma-villanások kiváltó okára adott magyarázatok közül egyértelműen a neutroncsillagok összeolvadása a legelfogadottabb. A várakozások szerint az összeolvadás a tipikus nóvakitöréseknél 1000-szer fényesebb kataklizmával jár együtt, ezért az esemény a "kilonóva" nevet kapta.

A Hubble-űrtávcső felvételei a folyamatosan halványuló kilonóváról.
[NASA/ESA/N. Tanvir (U. Leicester), A. Levan (U. Warwick), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)]

A gravitációs hullámok és a GW170817 gamma-sugárzásának majdnem egyidejű észlelése arra utalt, hogy az objektum tényleg a régóta keresett kilonóvák egyik példánya lehetett, az ESO műszerei által szolgáltatott paraméterek pedig figyelemre méltóan közel vannak az elméletileg jósolt értékekhez. A kilonóvák létezését több mint 30 évvel ezelőtt vetették fel, de egészen idáig nem sikerült észlelési bizonyítékokkal is alátámasztani a feltevést.

Az ESO VLT X-shooter műszerével 12 nap alatt rögzített, a közeli ultraibolyától a közeli infravörösig terjedő spektrumok sorozata jól mutatja a kilonóva halványodását és drámai vörösödését.
[ESO/E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO]

A két neutroncsillag összeolvadását követően radioaktív nehéz elemek gyorsan, a fénysebesség ötödével táguló felhője hagyta el a kilonóvát, amelynek színe mindössze néhány nap alatt nagyon kékről nagyon vörösre változott, ebben a tulajdonságban is túlszárnyalva minden eddig látott csillagrobbanást. "Amikor a színkép megjelent a monitorunkon, azonnal tudtam, hogy ez a legkülönösebb tranziens jelenség, amelyet valaha is láttam" - jegyezte meg Stephen Smartt, aki az ESO ePESSTO (extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects) programjának résztvevőjeként az NTT-vel végzett észleléseket vezette. "Soha nem láttam még hozzá foghatót. Az adatok mindenki számára egyértelművé tették, hogy nem egy szupernóva vagy egy előtérbeli változócsillag volt, hanem valami egészen különleges."

Az ePESSTO és a VLT X-shooter műszerének spektrumai a neutroncsillagok összeolvadása következtében kidobódott cézium és tellúr jelenlétét jelzik, amelyeket az összeolvadás során keletkezett egyéb nehéz elemekkel együtt a kilonóva fújt ki az űrbe. Az észlelések egyértelműen alátámasztják azt az elképzelést, hogy a vasnál nehezebb kémiai elemek nagy sűrűségű kompakt objektumokban zajló magreakciók (r-folyamat) eredményeként jönnek létre.

A neutroncsillagok összeolvadását követő kilonóva a vasnál nehezebb kémiai elemek bölcsője. A robbanás fantáziarajzán néhány, a kataklizma közben keletkezett kémiai elem neve látható, zárójelben a periódusos rendszerben elfoglalt helyüket jelző rendszámukkal.
[ESO/L. Calçada/M. Kornmesser]

"Az eddig rögzített adatainkból kiolvasható következtetések bámulatosan közel vannak az elméleti előrejelzésekhez. Nagy diadal ez az elméleti szakembereknek, megerősítése annak, hogy a LIGO—Virgo-események tényleg léteznek, az ESO-tól pedig óriási teljesítmény a kilonóvára vonatkozó páratlan adathalmaz összegyűjtése"- tette hozzá Stefano Covino, a Nature Astronomy-ban megjelent egyik cikk vezető szerzője. "Az ESO legnagyobb erőssége a távcsöveinek és műszereinek széles skálája, amelyekkel rövid idő alatt nagy és összetett csillagászati projektek is végrehajthatók. Immár a többcsatornás csillagászat új korszakát éljük!" - vonta le a következtetést Andrew Levan, az eseménnyel kapcsolatos eredményeket taglaló számos további cikk egyikének vezető szerzője.

Az NGC 4993-ban feltűnt kilonóva észlelése során használt ESO-műszerek és az általuk lefedett hullámhossz-tartományok.
[ESO]

Forrás:

• eso1733 - Science Release