Új fényben az Univerzum legnagyobb robbanásai

Jóllehet a gammakitörések - a Világegyetem eddig ismert legnagyobb energia-felszabadulásai - eredete mindmáig ismeretlen, a tudósok azt állítják, hogy két változatuk létezik: a rövid és hosszú kitörések, amelyek gyökeresen különböznek, és különböző típusú események során keletkeznek.

Közel kétezer gammakitörés elemzésével egy európai és a Pennsylvania Állami Egyetem (USA) kutatóiból álló csoport eddig ismeretlen törvényszerűséget talált a két másodpercnél rövidebb, illetve két másodpercnél hosszabb gammakitöréseket kísérő sugárzásokban.

"Most nagy statisztikai bizonyossággal állíthatjuk, hogy ez a két csoport fizikailag másként viselkedik" - mondja Balázs Lajos, az MTA Konkoly Thege Miklós Csillagászati Kutatóintézetének vezetője, az Astronomy and Astrophysics folyóiratban megjelenő cikk első szerzője.

Igen nagy tömegű csillagok pusztulása (hipernóva-robbanás) lehet felelős a gammakitörések egy részéért

Az új eredmény fontos bizonyítékot szolgáltat arra az egyre szélesebb körben elfogadott feltételezésre, mely szerint a hosszú kitörések olyan csillagok fantasztikus erejű robbanásából származnak, amelyek tömege több mint 30-szorosa a mi Napunkénak. A rövid kitörések ezzel szemben neutroncsillagok és fekete lyukak összeütközésének kozmikus tűzijátékából származhatnak.

"Azt lehet mondani, hogy bármi történik is, mindegyik gammakitörésnél egy vadonatúj fekete lyuk születésének vagyunk a szemtanúi" - mondja Mészáros Péter, a Pennsylvania Állami Egyetem Csillagászati és Asztrofizikai Tanszékének a vezetője.

Az elektromágneses spektrum legrövidebb hullámhosszú, legnagyobb energiájú részét nevezzük gamma tartománynak (a hullámhossz kisebb, mint 10^-10 cm, s bár éles határ nincs, a 100 keV feletti energiájú sugárzást számítjuk ide). 1973-ban kiderült, hogy az égboltot a gamma-tartományban vizsgálva gyakran figyelhetünk meg nagyon rövid és fényes kitöréseket.

A gammakitörések természete a modern csillagászat legnagyobb rejtélyei közé tartozik. Korábban azt gondolták, hogy a kitörések zöme a Tejútrendszer korongjában zajlik. A Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) nevű gamma-műhold 1991-es felbocsátása óta kiderült, hogy a gammakitörések égbolton való eloszlása egyenletes.

A gammakitörésekre jellemző átlagos teljesítmény olyan, mint egy 10⁴⁵ wattos villanykörte. Jóllehet gyakoriak - naponta nagyjából egyet lehet észlelni - a kitörések gyorsan halványulnak és véletlenszerűek, ráadásul soha sem fordulnak elő kétszer ugyanazon a helyen. A kutatóknak igen nehéz dolga van akkor, amikor a kitörések részleteit szeretnék tanulmányozni, ugyanis az események néhány ezredmásodperctől maximum 100 másodpercig tartanak (átlagosan néhányszor 10 másodpercig). A tudósok többsége azon a véleményen van, hogy a kitörések többsége az Univerzum távoli tartományaiban keletkezik, több milliárd fényév távolságban.

A korábbi eredmények azt mutatták, hogy a rövid kitörések gamma-színképe "keményebb", ami azt jelenti, hogy több nagyenergiájú gammafotont tartalmaznak, mint a hosszabbak. Továbbá, a rövid kitörésekben a detektort érő fotonok sűrűbben, vagy esetleg csomókban követik egymást, összehasonlítva a hosszabb kitörésekkel - ez arra utal, hogy az őket kibocsátó források fizikailag különbözhetnek.

Balázs Lajos és kollégái úgy gondolták, hogy megvizsgálják, van-e valamilyen alapvető kapcsolat az egyes megfigyelt tulajdonságok között, ha külön-külön vizsgáljuk a hosszú és a rövid kitöréseket. A kutatócsoport 1972 kitörés megfigyelt energiasűrűségét és időtartamát elemezve egy új összefüggést talált.

Mind a két kategóriában - hosszú és rövid kitöréseknél egyaránt - összefüggés van a mért energiasűrűség és az időtartam között: minél hosszabb a kitörés, annál nagyobb az energiasűrűség (az energiasűrűség a kitörés időtartama alatt beérkező fotonok összenergiájából és az észlelésre használt műszer méreteiből számítható ki). Mégis, ez az összefüggés statisztikusan különbözik a két kategória között. Ez a különbség pedig erős megszorítást jelent arra, hogy mi okozhatja ezeket a kitöréseket és azok hogyan zajlanak le.

A hosszú kitöréseknél egyenes arányosság áll fenn a kitörés időtartama és energiasűrűsége között, ami arra utal, hogy az energia átalakulásának mértéke gammasugarakká időben többé-kevésbé állandó. A rövideknél ezzel szemben ez az összefüggés nem ennyire határozott, ami például arra utalhat, hogy a kitörés energiájának az idő folyamán egyre kisebb hányada alakul át gammasugarakká.

Nagyon valószínűtlen, hogy ugyanaz a folyamat hozza létre a kitörések mindkét típusát - mondják a csoport kutatói. Jóllehet ezt részletesen nem vizsgálják cikkükben, de az eredmények arra utalnak, hogy ha a hosszú kitörések nagy tömegű csillagok robbanásából keletkeznek, akkor a rövid kitörések valami teljesen másból jönnek létre. Az utóbbiaknál szóba jöhet két szupersűrű test összeolvadása. A két alapvető fizikai mennyiség, az energiasűrűség és az időtartam között levő ilyen markáns és jól meghatározott különbséget a jövőben kidolgozandó elméleteknek mindenképpen meg kell majd magyarázniuk.

Az 1972 kitörést a NASA Compton Gamma Ray Observatory műhold észlelte 1991 és 2000 között. A szerzőtársak között van Bagoly Zsolt, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Információtechnológiai Laboratóriumának a vezetője, Horváth István, a ZMNE Bolyai János Katonai Műszaki Főiskola Fizikai Tanszékének, valamint Mészáros Attila, a Prágai Károly Tudományegyetem Csillagászati Intézetének a munkatársa.

A kutatást a NASA és a magyar Országos Tudományos Kutatási Alap (OTKA) támogatta.

Az Astronomy and Astrophysics folyóiratban jelenleg nyomdában levő cikk elérhető a http://lanl.arXiv.org/abs/astro-ph/0301262 címen.