Látványos szimuláció két neutroncsillag ütközéséről, fekete lyuk születéséről

Háromszor rövidebb egy szempillantás időtartamánál, mégis két hónapig számolták egy szuperszámítógépen. Végre sikerült kimutatni, miként zajlik a robbanás két neutroncsillag összeütközésekor. Kiderült: helyes az elképzelés, mely szerint mágneses erővonalak fókuszálják az anyagkibocsátást két hatalmas nyaláb formájába, gammavillanást hozva létre.

Minden korábbinál pontosabb modell készült két neutroncsillag összeolvadásáról. A jelenség megismerése azért fontos, mert az ilyen kompakt (tömör) égitestek összeolvadása hatalmas robbanást, úgynevezett gammavillanást, azok közül is a rövid villanásokat eredményezi.

A neutroncsillagok nagytömegű csillagok élete végén, szupernóva-robbanás után visszamaradó, néhányszor tíz kilométeres objektumok. A szakemberek már évek óta tudják, hogy amikor két ilyen atommag sűrűségű objektum egymásba olvad, látványos kataklizma jelentkezik. Az esemény pontos lezajlása azonban nem ismert, mivel rendkívül gyorsan zajlik le, és közben extrém viszonyok lépnek fel.

A gammavillanások között a szekemberek két típust különítenek el, a rövid és a hosszú villanásokat. A hosszabb gammavillanásokat szintén extrém, de a fentiektől eltérő folyamat, a hatalmas tömegű csillagok élete végén lezajló összeomlás okozza, amikor centrumukban nem neutroncsillag, hanem fekete lyuk keletkezik. Az ilyen rendkívüli nagy, úgynevezett hipernóva robbanások során az eredetileg forgó és közben összeroskadó csillagból kilövellt anyag a csillag eredeti pólusának irányában távozik legintenzívebb formában - ekkor figyelhető meg úgynevezett hosszú gammavillanás.

Szuperszámítógépes modellezés

Az esemény új szimulációját a potsdami Damiana nevű szuperszámítógépen futtatták majdnem két hónapon keresztül, egy mindössze 35 millimásodperces időtartamot vizsgálva (ez körülbelül háromszor rövidebb egy átlagos emberi szempillantás időtartamánál). A kutatásban résztvevő Chryssa Kouveliotou (NASA's Marshall Space Flight Center) szerint ez az eddigi legjobb szimuláció, amelynek keretében az összeolvadás után a legtovább tudták figyelemmel kísérni az így keletkezett égitest viselkedését, és a kataklizma után létrejövő fekete lyuk kialakulását is megfigyelték. A szimuláció alapján sikerült rekonstruálni, hogy a két összeolvadó neutroncsillag anyagában miként rendeződik el úgy a mágneses tér, hogy a kialakuló erővonalak mentén végül két hatalmas anyagsugár formájában távozzon el az energia jelentős része. Magát a gammavillanást csak az a megfigyelő látja, aki felé az egyik ilyen anyagsugár mutat.

Lent: a szimuláció elején a két 27 kilométeres, 1,5 naptömegű égitest 18 kilométerre van egymástól. Az összeérő neutroncsillagok gravitációs hullámok kibocsátásával gyorsan veszítenek energiát, és mindössze három keringés (kevesebb mint 8 millimásodperc) után egymásba is olvadnak.

A számítógépes szimuláció eredménye két neutroncsillag összeolvadásáról. A piros szín a kisebb anyagsűrűségű térségeket jelöli, míg a fehér és zöld szálak a mágneses erővonalakat mutatják (NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla)

A szimuláció kezdete után 15 millimásodperccel kialakul egy majdnem 3 naptömegű fekete lyuk. Utóbbi körül nagy sebességgel mozog az anyag megmaradt része, amely a neutroncsillagra korábban jellemzőnél ezerszer erősebb mágneses teret kelt. A folyamat során az erővonalak egyre rendezettebbek lesznek, majd kialakul az alakzat, amely két sugárnyalábba fókuszálják a távozó részecskék jelentős részét. A jelenség során a Napnál megfigyelhető mágneses térerőnél 10¹²-szer nagyobb érték jellemző.

Most sikerült első alkalommal kimutatni egy szimuláció révén, hogy a korábban feltételezettnek megfelelően valóban a mágneses tér fókuszálhatja két nagy anyagsugárba a távozó részecskék jelentős részét. A jelenség pontosabb modellezése segít a neutroncsillagoknál és a fekete lyukak kialakulásánál jellemző extrém viszonyok modellezésében és a folyamat pontosabb megértésében.

Jelent-e veszélyt egy ilyen robbanás?

Felmerülhet a kérdés, jelent-e veszélyt egy gammavillanás, ha a kilövellt anyagsugár felénk mutat? Az eddig megfigyelt esetekben nem volt szó ilyesmiről, noha mindegyik anyagsugár felénk mutatott, különben észre sem vehettük volna. Veszélyes akkor lehet a jelenség, ha a közelünkben, néhány száz fényév távolságban történik.

Fantáziarajz egy gammavillanásról (NASA)

Galaxisunkban kevés olyan nagytömegű csillag ismert, amely hipernóvává válhat. Egy érdekes jelölt a WR 104 jelű csillagpáros a Sagittarius csillagképben, tőlünk 8000 fényév távolságban. Ha egyszer hipernóvaként robbannak fel (ami egyelőre nem is biztos, mivel "hagyományos" szupernóva-robbanást is produkálhatnak), akkor is szerencsétlen véletlen szükséges, hogy a kilövellt anyagsugár pont felénk mutasson.

Kettős neutroncsillagból ennél több lehet a Tejútrendszerben, ám ezek esetében is igen kicsi az esély, hogy összeütközésükkor éppen bolygónkra irányuljon az intenzív sugárzás.

Ha egy közeli (néhány száz fényévre bekövetkező) gammavillanás sugárzása elérné a Földet, az lebontaná az ózonpajzs egy részét, és néhány másodpercig vagy percekig intenzív sugárzással bombázná bolygónk egyik felét. A hatás olyan lehetne, mint egy nukleáris robbantás esetében. A sugárzás a légkörben szmogréteget hozna létre, amely pedig gyengítené a felszínt elérő napfényt.