Gigantikus szupernóvák és az univerzum tágulásának rejtélye

Egy fehér törpe és vörös óriás alkotta kettős rendszerben, a fehér törpe anyagot szív el óriás kísérőjétől. Ebből a folyamatból alakulhatnak ki az Ia típusú szupernóvák

A csillagászok egyik kiemelten fontos kutatási területe az Ia típusú szupernóvák vizsgálata és alaposabb megértése. Ez a szupernóvatípus rendkívül különleges, hiszen a segítségükkel sikerült meghatározni az univerzum tágulási sebességét, amely alapján a rájöttek, hogy a tágulás mértéke gyorsuló tendenciát követ. Az elmúlt időszakban pedig két független kutatócsoport is izgalmas, új felfedezést tett e szupernóvák működésével kapcsolatban, és ez jelentős befolyással lehet az univerzum tágulására vonatkozó ismereteinkre is.

Az egyedi Ia típusú szupernóvák

Az Ia típusba sorolható szupernóva a kettős (vagy többes) rendszerekben található fehér törpék végső pusztulását jelentő állomás. Különlegességük, hogy a csillagászok extragalaktikus távolságjelzőként használják őket, mivel a jelenleg elfogadott elméletek szerint a robbanásukból származó abszolút, maximális fényesség mindig egy szűk tartományon belül mozog, és nagyon hasonló időbeli fényességváltozást mutat.

Egy fehér törpe és vörös óriás alkotta kettős rendszerben, a fehér törpe anyagot szív el óriás kísérőjétől. Ebből a folyamatból alakulhatnak ki az Ia típusú szupernóvák Forrás: NASA/Justyn R. Maund

Ez annak köszönhető, hogy a fehér törpe robbanása minden esetben egy adott tömeghatár elérése után következik be,

amelyet anyagbegyűjtés előz meg.

Amikor pedig a fehér törpe eléri a kritikus tömeget (ez a Chandrasekhar-határ, amely a Nap tömegének kb. 1,44-szerese) összeroppan a saját gravitációja alatt.

Subrahmanyan Chandrasekhar, indiai származású, Nobel-díjas amerikai asztrofizikus, a róla elnevezett tömeghatár felfedezője Forrás: University of Chicago

Az összeroppanás következtében felhevül a csillag anyaga és eléri azt a hőmérsékletet, ahol beindulhat a szén és az oxigén fúziója.

Az ebből származó hatalmas energia pedig egy gigantikus termonukleáris robbanás keretében szétszakítja a fehér törpét

(mint egy elképesztő erejű kozmikus hidrogénbomba), miközben olyan erős fényt bocsáthat ki, amely még egy galaxisét is felülmúlhatja.

Az úgynevezett fősorozatbeli csillagok életútját ábrázoló Herztzsprung-Russel-diagram. A vízszintes tengelyen a csillagok színképosztálya, a függőlegesen pedig az abszolút fényességük van megadva. A legforróbbak az O, a leghűvösebb, és legöregebb csillagok pedig a T színképosztályba tartoznak, a Nap jelenleg a G színképosztályba tartozik Forrás: Wikimedia Commons

Mivel az összeomlás mindig az adott tömeghatáron következik be, ezért a robbanásban termelt energia mennyisége elméletileg közel állandó a különböző távolságban található szupernóvák esetében, így a valós (kibocsátott) fényességüket is ismerjük.

Megmérve a látható fényességüket, megbecsülhetjük a távolságukat.

De a fényüket felhasználva számos kozmológiai szempontból fontos paraméter értéktartománya határozható meg, mint például az univerzum tágulási sebessége.

Az NGC 4526 jelű spirálgalaxisban felrobbant szupernóva (a kép bal alsó szélén) az Ia típusba tartozik Forrás: NASA/ESA

Ehhez a hozzánk képest különböző távolságban található Ia típusú szupernóvák spektrumában látható vöröseltolódás mértékét kell megvizsgálni. (Jól ismert, hogy egy tőlünk távolodó fényforrás spektrális felbontásában a színképvonalak a vörös tartomány felé tolódnak el.)

Hogyan lehet szupernóva egy fehér törpéből?

A napunkhoz hasonló tömegű kisebb csillagokban az életük végén, amikorra elhasználták a legfontosabb üzemanyagukat, a hidrogént, beindul a hélium fúziója,

amelyből további, nehezebb elemek épülnek fel, egészen a szénig bezárólag.

Azonban ezeknek a csillagoknak a magjában soha nem lesz elég magas a hőmérséklet a szén fúziójához, és a még nehezebb elemek felépítéséhez, így ezen a ponton a csillagok „üzemanyaga” végleg kimerül.

A téli égbolt legfényesebb csillaga a Nagy Kutya csillagképben (Canis Maior) található Sirius A kettős rendszert alkot a balra lent látható B jelű fehér törpével Forrás: NASA/ESA/H. Bond/M. Barstow

A csillag a halála előtt azonban néhány évszázad vagy évezred leforgása alatt még leveti külső burkait, miközben a mag maradványa, egy fehér törpe marad vissza az égitestből. A fehér törpe fokozatosan lehűl, miközben a benne még zajló magreakciók szinte a teljes anyagát szénné és oxigénné alakítják át.

Mérete közel a Földével egyezik meg, fénye azonban egy csillagéval vetekszik.

Idővel aztán a magreakciók teljesen leállnak, és egy sötét objektum alakul ki, ez a fekete törpe állapot.

A Csiga-köd apró központi csillaga egy tipikus fehér törpe Forrás: NASA/NOAO/ESA

A megfigyelések és elméleti megfontolások alapján

a Tejútrendszeren belül ezt az állapotot még egyetlen fehér törpének sem volt ideje elérni.

Ezt a fejlődési folyamatot azonban jelentősen átírhatja a szoros, kettős rendszerekben található fehér törpék élete.

A Cassiopea csillagképben található szupernóva maradvány Forrás: NASA

A két alapvető elképzelés szerint egy fehér törpe-kettős, vagy egy fehér törpe és egy másik kísérő csillag kettőse (vagy akár hármasa) esetében a fehér törpék egyesülése, vagy a fehér törpe anyagelszívása a kísérő csillagtól lehetővé teszi, hogy a fehér törpe elérje a korábban említett Chandrasekhar-határt, és beindulhasson a magjában a szén és az oxigén fúziója.

A Tejútrendszer központjában számos vörös óriás található Forrás: Stefan Gillessen/Reinhard Genzer

Az ebből származó elképesztő energia az ilyen típusú fehér törpék szupernóva-robbanásához vezet.

A Tejútrendszer legfiatalabb szupernóva maradványa: a G1.9+0.3

A NASA Chandra röntgencsillagászati űrtávcsöve, valamint az Új-Mexikóban található ún. Very Large Array rádiócsillagászati-rendszer segítségével a kutatók alaposan megvizsgálták a G1.09+0.3 jelzésű szupernóva maradványt,

amely jó eséllyel a legfiatalabb lehet a Tejútrendszeren belül.

A szupernóva által szétvetett anyagfelhő megfigyeléséből arra következtettek a kutatók, hogy nagyjából 110 évvel ezelőtt következhetett be a robbanás, amely kozmikus léptékben valóban csupán „tegnap” történt.

A G1.9+0.3 szupernóva a Chandra röntgenteleszkóp felvételén Forrás: NASA/Chandra X-Ray Observatory Center

Ami pedig ennél is fontosabb, hogy az objektum éppen abba az Ia kategóriába sorolható, amelyet az univerzum tágulási mértékének meghatározására használtunk. Az elméleti modellek alapján arra számíthatunk, hogy ha fehér törpék egyesülése váltotta ki a G1.9+0.3 szupernóva robbanását, akkor a kitörés maradványánál időben növekvő, röntgen- és rádiótartományban jelentkező elektromágneses sugárzást kell mérnünk.

A Chandra röntgenteleszkóp Forrás: NASA

A Chandra és a Very Large Array megfigyelései éppen ezt látszanak alátámasztani a G1.9+0.3 esetében. Mindez arra utal, hogy

e szupernóva robbanása fehér törpék egyesüléséből származhat.

Az 1054-ben a Bika (Taurus) csillagképben fellobbant szupernóva - amely a nappali égbolton is látható volt - maradványa, a Rák-köd Forrás: NASA/ESA/J. Hester/A. Loll

Ez pedig megerősíti, hogy az Ia szupernóvák robbanásának okai között a fehér törpék egyesülésével is számolnunk kell. Azonban a kérdés továbbra is nyitva áll: vajon csak fehér törpék egyesülése keletkeztethet ilyen típusú szupernóvát, vagy ez a kísérő csillagtól történő anyagelszívás eredménye is lehet?

Egy anyagelszívó kettős rendszer által keltett röntgensugárzást szemléltető ábra, amely a Chandra felvételei alapján készült Forrás: NASA/CXC/ CXC/M.Weiss/Chandra X-Ray Observatory Center

A kérdés nagyon fontos, hiszen ha mindkét folyamat előfordul kiváltó eseményként az univerzumban, akkor felmerül a kérdés, hogy a két különböző módon kiváltott szupernóva-robbanás megfelelően hasonlónak tekinthető-e ahhoz, hogy extragalaktikus távolságjelzőként használhassuk őket?

A kérdés megválaszolásában fontos lépést tett egy kutatócsoport,

amely a 2012cg Ia típusú szupernóva-robbanást figyelte meg a robbanást követő legelső, kritikus időszakban.

A 2012cg szupernóva felfedezés értékű megfigyelése

A Texasi Egyetem csillagászainak sikerült alaposabban megfigyelni a 2012cg jelű Ia típusú szupernóva robbanását, és nyomon követni a folyamatból származó fény változását a robbanást követő időszakban. A megfigyelések egyértelműen alátámasztják,

hogy ennél a szupernóvánál a kiváltó okot az a kísérő csillag jelentette,

amelytől a felrobbanó fehér törpe anyagot szívott magába. Feltéve, hogy a fehér törpének egy nagyobb csillag a társa, a robbanásból származó energiát részben a kísérő csillag veszi fel, amely a többletenergiát kék és ultraibolya fény formájában fogja kisugározni.

A 2012 cg. szupernóvát az 50 millió fényév távolságra fekvő NGC 4424 spirálgalaxisban fedezték fel. A felvétel a Fred Lawrence Wipple Obszervatórium 1,2 méter átmérőjű teleszkópjával készült Forrás:Peter Challis/Harvard-Smithsonian CfA

Éppen ezt a többletfényt sikerült detektálni a 2012cg esetében, ami jól egyezett az elméleti várakozásokkal.

Az elméleti modellek segítségével a kísérő csillag tömegét is sikerült megbecsülni, amelyre minimum hat naptömeg adódott. E jelentős felfedezéshez szükség volt a szupernóva-robbanás kezdeti szakaszának megfigyelésére, hiszen a robbanás és a kísérő csillag kölcsönhatása a folyamat legelején, szinte azonnal jelentkezik.

Az SN 2006 bp. szupernóváról (balról jobbra haladva) a látható fény, valamint UV és röntgen tartományban készített felvételek Forrás: NASA

Eddig csak nagyon kevés Ia szupernóvát sikerült ilyen korai stádiumában tanulmányozni,

és egyiktől sem detektáltak ehhez hasonló fénytöbbletet. Több feltevés is elképzelhető, hogy miért nem észleltek hasonló jelenséget a többi esetben. Az egyik legkézenfekvőbb hipotézis szerint a korábbi megfigyeléseknél a többlet nem érte el az érzékenységi határt. A megfigyeléseket nehezíti, hogy ez a többlet, amely a kísérő csillag létére utal, csak nagyon rövid ideig észlelhető, mert mindössze néhány nap leforgása alatt lecseng. Ezért jó nagy adag szerencse is szükséges ahhoz, hogy a robbanás után nagyon hamar felfedezzük a szupernóvát.

A Vadászebek csillagképben (Canes Venatici) található M 51 spirálgalaxisban felrobbant SN 2005cs szupernóváról készített felvétel Forrás: David Mülheims

Noha a 2012cg eredményei egyértelműek, az elméleti modellek megalapozásához és a felfedezés megerősítéséhez még számos hasonló megfigyelésre lesz szükség. A felfedezés számunkra különösen jelentős, mert van magyar vonatkozása, hiszen a Szegedi Tudományegyetem Asztrofizikai Kutatócsoportja is részt vett a kutatómunkában.

Egyre gyorsulva táguló univerzumban élünk?

Az újabb megfigyelések fényében még intenzívebb kutatások szükségesek az Ia típusú szupernóvák robbanását kiváltó mechanizmus megértéséhez, hiszen a fehér törpék egyesülése, vagy a kísérő csillagról történő anyagelszívás egymástól alapvetően eltérő folyamatok.

Egy Naphoz hasonló csillag életútját bemutató méretarányos folyamatábra,a csillag keletkezésétől a vörös óriás állapotig Forrás: ESO/M. Komesser

Ha az Ia szupernóvák robbanásának létrejöttében mindkét mechanizmus előfordul, akkor elképzelhető, hogy az egyes szupernóvák termonukleáris robbanása között sokkal lényegesebb eltérések lehetnek, mint azt korábban feltételeztük.

A G1.9+0.3 esetében úgy tűnik, hogy fehér törpék összeolvadása lehetett a kiváltó ok,

míg a 2012cg esetében a kísérő csillagtól történt anyagelszívás okozhatta a fehér törpe szupernóvává alakulását.

A Galaxis, a Tejútrendszer síkja oldalnézetben Forrás: ESO

Mindezek fényében úgy tűnik, hogy az Ia szupernóva-robbanás kiváltó eseményeként mindkét folyamat megvalósul az univerzumban. Ez pedig óvatosságra int, hiszen elképzelhető, hogy a jelenlegi szupernóva-osztályt két különböző típusra kell szétbontani. Ha bebizonyosodik, hogy jelentős különbség van a kétféle Ia szupernóva robbanás között, akkor az univerzum tágulására vonatkozó eredményeket újra kell majd számolnunk, és talán át is kell értelmeznünk.

A Tejútrendszer kísérőjében, a Nagy Magellán-felhő szabálytalan galaxisban 1987-ben felvillant szupernóva Forrás: NASA

Annak ellenére, hogy a jelenleg elfogadott elmélet és az Ia szupernóvák megfigyelése alapján úgy véljük, egyre gyorsabban táguló univerzumban élünk, azonban ez a kérdés még egyáltalán nincs megbízhatóan lezárva.

A Galaxis síkja, a tejút a földről nézve. Az Univerzum gyorsuló tágulásával kapcsolatos kérdések még egyáltalán nincsenek lezárva Forrás: Digital Sky LLC.

Az újabb és újabb eredmények fényében egyre pontosabbá tehetjük a tágulás mértékéről alkotott képünket, ez pedig olyan további fontos felfedezések alapja lehet, mint amilyen például a sötét energia mibenlétének meghatározása.

(A szerző asztrofizikus, az MTA kutatója)