Ez a szupermasszív neutroncsillag nem kerülheti el a végzetét

2019.09.29. 13:04

A most felfedezett irdatlan sűrűségű neutroncsillag a határán táncol annak, hogy fekete lyukká váljon. Vajon hol lehet a fordulópont?

A Nyugat-Virginiai Egyetem kutatói játszottak kulcsszerepet abban a felfedező munkában, amely a Pocahontas megyei Green Bank teleszkóp segítségével rátalált a máig ismert legnagyobb tömegű neutroncsillagra. A National Science Foundation által támogatott NANOGrav fizikai kutatóközpont munkatársai a Nature Astronomy legutóbbi számában publikálták eredményeiket. A Földtől mintegy 4600 fényévnyire (nagyjából 10 ezermilliárd kilométerre) található J0470+6620 lajstromjelű égitest egy gyorsan forgó pulzár, amely 20-30 kilométer átmérőjű gömbtérfogatában 2.17 naptömegnyi – másképp mondva 330 ezer földtömegnyi – anyagot tömörít. Az égitest ezzel a határán táncol annak, amennyire súlyos és kompakt lehet egy objektum anélkül, hogy önmagába roskadva fekete lyukká alakulna.

A szupersűrű neutroncsillag leírása csak egyike azoknak a szerencsés véletlen felfedezéseknek, amelyek a Green Bank rutinmegfigyelései során, a gravitációs hullámok utáni kutatás közben hullottak a tudósok ölébe. „A Green Bank-kel alapvetően a pulzárok keltette gravitációs hullámokat próbáljuk detektálni – mondta el Maura McLaughlin fizikus-csillagász, a Nyugat-Virginiai Egyetem professzora. – Ehhez nagy számú milliszekundumos pulzárt, vagyis gyorsan forgó neutroncsillagot kell megfigyelnünk. A mostani közleményünk mégsem a gravitációs hullámok észleléséről szól, hanem a munkánk során felhalmozódott sok fontos eredmény egyikéről."

A pulzár tömegét a Shapiro-késés néven ismert jelenség segítségével határozták meg. A neutroncsillag egy fehér törpével alkot párt, amely gravitációja folytán – Einstein általános relativitáselméletének megfelelően – meggörbíti maga körül a téridőt. Ettől a pulzár elektromágneses pulzusai egy hajszálnyival hosszabb utat tesznek meg, ahogy áthaladnak a fehér törpe körüli görbült téridőn. A pulzusok késéséből kiszámítható a fehér törpe tömege, melynek ismeretében aztán már a neutroncsillag tömegét is meg lehet határozni.

A neutroncsillagok olyan egykor nagyméretű, 10-29 naptömegnyi csillagok összeroskadt maradványai, amelyek valaha szupernova-robbanáson mentek keresztül. Miután az eredeti óriáscsillag a robbanás során tömegének nagy részét szétszórta az űrbe, megmaradó magja saját tömegvonzása hatására összeroppan, és olyan hatalmas sűrűséget ér el, ahol a protonok és elektronok a radioaktív béta-bomlással ellentétes folyamatban neutronokká olvadnak össze. Az anyag ebben az állapotában olyan sűrű, hogy egyetlen kockacukornyi belőle 100 millió tonnát nyomna itt a Földön – ami nagyjából egyenértékű az összes ma élő ember együttes tömegével. Egy másik összehasonlítással élve: a neutroncsillag anyagából egy gyufásskatulyányi darab tömege akkora, mint fél köbkilométernyi (800 méter élhosszúságú kockányi) földi kőzeté.

Forrás: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Hol a fordulópont?

Hiába tanulmányozzák a csillagászok és fizikusok e kivételes sajátságú objektumokat már évtizedek óta, belsejük természetét illetően továbbra is sok a rejtély. Vajon az egymásnak préselt neutronok szuperfolyadékként viselkednek, és ellenállás nélkül áramlanak? Lehetséges, hogy szubatomi alkotóikra, kvarkokra vagy egyéb egzotikus részecskékre bomlanak az extrém körülmények között? És hol lehet az a fordulópont, ahol a gravitáció győzedelmeskedik az anyag fölött, és az örvénylő tömeg fekete lyukká válik?

A neutroncsillagok további zsugorodását az ún. neutron-degenerációs nyomás akadályozza meg, amely a kvantummechanikából ismert Pauli-féle kizárási elv neutronokra történő alkalmazásával magyarázható. Ez a kifelé irányuló nyomás megakadályozza a neutronok egymásba olvadását, így ellene hat a neutroncsillag gravitációs húzóerejének, amely a felfoghatatlan sűrűség miatt lényegesen erősebb, mint bármilyen konvencionális testé. A neutron-degenerációs nyomás azonban a számítások szerint csak mintegy 0.75 naptömegig képes ellenállni a gravitációnak, s mivel a J0470+6620 tömegét 2.17-szeres naptömegnyire becsülik, a ma még rádióhullámokal kisugárzó pulzár idővel óhatatlanul fekete lyukká fog alakulni.

„Ezek a csillagok csakugyan rendkívül egzotikusak – ismeri el McLaughlin. – Nem tudjuk igazán, miből állnak, és nem tisztázott az egyik legfontosabb kérdés sem: hogy mekkora lehet a maximális tömegük. Márpedig ilyen anyagot laboratóriumi körülmények között egyszerűen nem tudunk előállítani."

A pulzárok egyébként annak köszönhetik nevüket, hogy mágneses pólusaikról mindkét irányban rádióhullám-oszlopokat lövellnek ki, és ahogy szélsebesen forognak tengelyük körül – egyesek akár másodpercenként több százszor –, e hullámok egy kozmikus világítótorony pulzáló fénycsóváiként söprik végig a világűrt. Mivel a pulzárok nemcsak szédítő sebességgel, de hallatlan szabályossággal is pörögnek, a csillagászok az atomóra űrbéli megfelelőjének használják őket. Impulzusaik tévedhetetlenül pontos időzítése segíti a tudósokat a téridő sajátságainak feltárásában, az égi objektumok tömegének meghatározásában és az általános relativitáselmélet jobb megértésében.