Hová tűnt a neutroncsillag az SN 1987A szupernóva közepéből?

Csillagvizsgáló Svábhegyi

A szupernóvák, azaz a felrobbanó csillagok az Univerzum legnagyobb energiafelszabadulással járó, egyszersmind legfényesebb objektumai. Mégis, a távoli galaxisokban felrobbanó szupernóvák többnyire mindössze halvány fénypöttyként bukkannak fel az óriástávcsövek felvételein. Az egyetlen modernkori kivételt egy 34 évvel ezelőtti robbanás jelentette, amely mind a mai napig a tudományos érdeklődés középpontjában áll.

A szupernóváknak két fő- és számos altípusa ismert, ám akár egy fehér törpecsillag (Ia-típus), akár egy nagy tömegű óriáscsillag (II-es típus) robbanásáról beszélünk, bizonyos jellemzőik igen hasonlóak. A robbanást követően rövid idő alatt óriási energia, tipikusan 10^44 J szabadul fel – ez hozzátevőlegesen megegyezik a Nap egész élete során (azaz 10 milliárd év alatt) kisugárzott energiával! A szupernóva fényessége rövid idő alatt sok nagyságrendet emelkedik, majd miután 2-3 héttel a robbanást követően eléri maximumát, lassabb ütemű halványodás veszi kezdetét. Mindeközben a szupernóva gázfelhője a robbanás pillanatától kezdve közel gömbszimmetrikusan tágul, egészen addig, míg több tízezer év múlva a felhígult gázbuborék teljesen el nem keveredik a csillagközi tér ritkás gázanyagával.

A statisztikai becslések alapján 30-40 évente robban fel egy újabb csillag saját galaxisunkban, a Tejútrendszerben. Ennek ellenére az utolsó galaktikus szupernóváról Johannes Kepler számolt be, még 1604-ben! Természetesen nem csak a német származású csillagász vehette szemügyre akkortájt a Kígyótartó csillagképben felbukkanó szupernóvát (vagy ahogy a kor tudománya nevezte: nova stellát, új csillagot), az ugyanis a beszámolók szerint hetekig a Jupiter fényességével vetekedett. Kepler szupernóvája óta azonban nem volt része az emberiségnek hasonló élményben. A várt szupernóvagyakoriságból fakadó látszólagos ellentmondásra azonban van magyarázat: a Tejútrendszer viszonylag kis tartományát tudjuk csak megfigyelés alatt tartani, mert a csillagközi tér gáz- és porfelhők eltakarják a megfigyelhető csillagterületek jelentős részét. Vagyis igen valószínű, hogy a szupernóvák az elmúlt évszázadok során is rendre robbantak szerte a galaxisban, ám egyszerűen nem láthattuk meg őket.

A Kepler által leírt szupernóva négyszáz éve táguló gázbuborékja infravörös,- optikai-, ultraibolya- és röntgenfelvételek hamisszínes kompozitján. FORRÁS: NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair

A Tejút korongjából kitekintve a csillagászok már hosszú ideje képesek megfigyelni más galaxisokban történt csillagrobbanásokat, ám ezek a nagy távolságokból kifolyólag meglehetősen halványak. Az elmúlt négyszáz évben mindössze egyetlen szupernóva akadt, amely szabad szemmel is megpillantható volt: a galaxisunkon kívül, de épp az egyik legközelebbi kísérőgalaxisunkban, a 160 ezer fényévre lévő Nagy Magellán-felhőben felbukkanó SN 1987A.

Ahogy neve is mutatja, a szupernóvát 34 évvel ezelőtt (az ‘A’ betű az adott éven belüli sorszámként funkcionál), egészen pontosan február 24-én fedezték fel a chilei Las Campanas Observatory 25 cm-es asztrográfjának felvételén. Ezen az éjszakán az SN 1987A szabad szemmel és kisebb távcsövekkel még láthatatlan volt. Nem úgy a kutató obszervatóriumokkal, amelyek a szenzációs hír hallatán világszerte kezdték el követni a gyorsan fényesedő vendégcsillagot. Igaz, nem akárhol, a Nagy Magellán-felhő ugyanis csak a déli égboltról látható. A Föld északi féltekéje tehát – így sajnos Magyarország is – kimaradt az utóbbi négyszáz év legközelebbi szupernóvájának látványából.

A Tejútrendszer két kísérőgalaxisa: a Nagy és Kis Magellán-felhők kékes foltjai a Las Campanas Observatory fényei felett. FORRÁS: Ryan Traimor / Sloan Digital Sky Survey

A robbanás nem csak az elektromágneses spektrumon szolgált különlegességgel: néhány órával az optikai felfedezést megelőzően a világ számos pontján lévő neutrínó-detektorok közel egyszerre jeleztek tömeges észlelést. A neutrínók még a szupernóva fénye előtt érték el a Földet, ám pusztán azért, mert előnnyel indultak: ezek a részecskék szállítják el a csillag összeomlásából származó energia javát, még azelőtt, hogy az első fotonok kibukkannának az újonnan született szupernóva felszínén. A neutrínók jellemzője, hogy minden tárgyon akadálytalanul áthaladnak, így csak különleges neutrínó detektorokkal sikerült néhány becsapódását érzékelni. Az óriási részecskezáporból mindössze 25 darabot sikerült tetten érni, ám már ez is óriási mennyiségnek számított – nem mellesleg az SN 1987A lett a Nap után a második asztrofizikai objektum, amelyhez neutrínó-detektálást tudtak kapcsolni.

Az SN 1987A teljes valója is csak az elektromágneses sugárzás széles tartományán végzett megfigyelések révén tárulhat csak fel. A gyűrűszerű struktúrát a szupernóva progenitorának csillagszele hozta létre, amelyet utolért a robbanás sokkja. FORRÁS: Röntgen: NASA/CXC/SAO/PSU/D. Burrows et al.; Optikai: NASA/STScI; Milliméteres-tartomány: NRAO/AUI/NSF

Az SN 1987A-ról gyorsan kiderült a színképe alapján, hogy ún. II-es típusú szupernóváról van szó, azaz egy nagy tömegű csillag hattyúdalát sikerült megörökíteni. A Nagy Magellán-felhő csillagainak korábbi felmérései alapján pontosan sikerült beazonosítani a szupernóva szülőobjektumát is. Eszerint egy közel húsz naptömegű kék óriáscsillag élte fel a fúziós üzemanyagkészletét, és jutott el arra a pontra, amikor a vasból álló magja már nem termelt energiát (lásd az a-val jelölt panelt az alábbi ábrán). A fúzióból származó energia sugárnyomásának hiányában nem volt erőhatás, ami ellen tudott volna tartani a gravitációs összehúzódásnak, így a csillag magja összeomlott (b). A csillag magjában lévő részecskék egymásnak préselődtek, a protonok és elektronok egyesülése révén pedig a másodperc törtrésze alatt kialakult egy neutroncsillag: egy kb. a Nap tömegével bíró, közel 15 km sugarú objektum.

Ehhez azonban csak a csillag legbelső rétegeiben voltak megfelelőek a fizikai körülmények, a gravitáció hajtotta magon kívüli rétegek “mit sem sejtve” zuhantak rá a frissen kialakult neutroncsillag felszínére (c). Ennek elképesztő sűrűsége azonban nem csak megálljt parancsol a további gravitációs összehúzódásnak és a rázuhanó gázburoknak, de utóbbi vissza is pattant róla (d). A még befelé tartó rétegekkel történő ütközés egy erős lökéshullámot indított, amely kifelé egyre növekvő sebességgel terjedt (e), és szétrepítette a forró gázrétegeket (f).

A nagy tömegű csillagokból születű ún. kollapszár szupernóvák vázlatos kialakulása. Forrás: R. J. Hall / Wikipedia)

Az SN 1987A gázfelhője azóta is rendületlenül tágul, ahogy az jól megfigyelhető a röntgentől egészen a rádiótartományig készített felvételeken – ugyanakkor a robbanás során a csillag magjából keletkezett neutroncsillagot nem találták. Nem mintha törvényszerű lenne egy neutroncsillag felfedezése. A kizárólag neutronokból álló objektum ugyan elképesztően forró, nagyon kicsi felülete miatt a hőmérsékleti sugárzása azonban nem detektálható, túl halvány ahhoz, hogy megpillantsuk. Társcsillag hiányában pedig a gravitációs hatása sem mutatható ki. Az úgynevezett pulzárok esetében nyomra vezethet még a neutroncsillag erős mágneses tere által létrehozott, a gyors forgása miatt periodikusan felvillanó röntgen-, vagy rádiósugárzás is. Pulzár létezésére azonban sem a röntgen-, sem pedig a rádiótartományon nem találtak bizonyítékot az SN 1987A környékén. Mivel sosem figyelhettünk meg pulzárt rögtön a szupernóva robbanást követően, lehetséges magyarázatként az is felmerült, hogy a keletkezett neutroncsillagnak még nem volt ideje arra, hogy egy klasszikus pulzár jegyeit mutathassa.

Egy közelmúltban publikált kutatás eredménye éppen ezt a forgatókönyvet valószínűsíti. A Chandra és az egykori NuStar röntgen űrtávcsövek mérései során ugyanis a vártnál erősebb nagyenergiájú sugárzást sikerült kimutatni a szupernóvamaradvány közepéből. Ezt a többletet a pulzárról származó részecskék okozhatják, amelyek beleütköznek a környező anyagfelhőbe, és egy ún. pulzár-szél ködöt hoznak létre (pulsar wind nebula, PWN). Vagyis, az elmélet szerint az SN 1987A robbanása során keletkezett neutroncsillag pontosan ott van és úgy viselkedik, ahogy arra számíthattunk, ám a pulzárokra jellemző röntgen-fotonok fennakadnak a szupernóva belsejében lévő sűrű gázfelhőben. Mindez pedig már több puszta ötletnél, főként, hogy a röntgen mérések mellett a tavalyi év folyamán az ALMA rádióteleszkóp-együttessel is PWN nyomára bukkantak – igaz, a rádiótartományon más forrás is magyarázhatja a megfigyeléseket, így az ALMA eredményei még nem bizonyító erejűek.

A ki keres az talál: az SN 1987A (balra a Chandra röntgen-űrtávcső felvételén) mélyén ott rejtőzhet a sokat keresett neutroncsillag (jobbra, illusztrációként), amely már kezdi egy pulzár jeleit mutatni. FORRÁS: Chandra (röntgen): NASA/CXC/Univ. di Palermo/E. Greco; Illusztráció: INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo/Salvatore Orlando

Mint ahogy a mostani röntgen mérések is csak erősen valószínűsítik a hiányzó neutroncsillag jelenlétét, a teljes bizonyossághoz (ahogy az a csillagászatban már csak szokás) további megfigyelésekre lesz szükség. Ráadásul erre még egy kicsit várni is kell. A becslések szerint a pulzárt rejtő gázfelhő néhány év múlva már szétoszlik annyira, hogy többé ne tudja elnyelni a kisebb energiájú röntgensugárzást. A teljes röntgenspektrum pedig már egyértelmű bizonyítékot szolgáltathat a neutroncsillag jelenlétére; egyszersmind a pulzárok fejlődésének legkorábbi szakaszába nyerhetnénk bepillantást.

A Hubble-űrtávcső 1994 és 2016 között készült felvételein jól nyomon követhető, amint a szupernóva külső gázgyűrűje egyre fényesedik, míg a belső gázfelhő fokozatosan eloszlik – ha a feltételezések helyesek, utóbbi mélyén közvetlenül is megfigyelhetővé válik majd a pulzár. FORRÁS: NASA, ESA, és R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and Gordon and Betty Moore Foundation), és P. Challis (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

Az SN 1987A tehát nem csak robbanása idején, hanem bő három évtizeddel később is izgalmas tudományos felfedeznivalókat rejt, és abban is biztosak lehetünk, hogy ez a következő évtizedekben folytatódni fog. A vágyott pulzár közvetlen megfigyelése mellett a szupernóva-maradvány korai fejlődésének vizsgálata is biztosítja, hogy az SN 1987A jelentősége nem fog elhomályosulni – hacsak nem bukkan fel egy még közelebbi, Vénusz fényességével vetekedő galaktikus szupernóva. Már igazán ideje volna…

Szerző: Barna Barnabás, Tudományos munkatárs / bemutató csillagász
SZTE TTIK Fizikai Intézet / Szegedi Csillagvizsgáló

📸 A borítókép forrása: NASA’s Goddard Space Flight Center