2020 januárjában tíz napon belül a kutatók kétszer is észleltek egy neutroncsillag és egy fekete lyuk összeolvadásából származó gravitációs hullámokat. A hullámok több mint 900 millió fényév távolságból érkeztek. Mindkét neutroncsillagot egészben nyelte el a fekete lyuk párja.

Két izgalmas esemény gravitációs hullámait észlelték

A gravitációs hullámok a téridő szövetének kicsiny hullámzásai, amelyeket gyorsan mozgó, hatalmas tömegek hoznak létre. A gravitációs hullámok első észlelése óta eltelt öt évben a kutatók több mint 50 gravitációshullám-jelet azonosítottak összeolvadó fekete lyukakból és egymással ütköző neutroncsillagokból.

A gravitációs hullámokat mint a téridő fodrozódásait Einstein általános relativitáselmélete jósolta megForrás: Wikimedia Commons/Orren Jack Turner, Princeton, N.J.

Egy új tanulmányban a LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) együttműködés kutatói bejelentették, hogy két izgalmas esemény gravitációs hullámait is észlelték, amelyekből mindkettőt egy fekete lyuk és egy neutroncsillag kettőse keltett. A hullámokat a National Science Foundation LIGO gravitációshullám-obszervatóriumai észlelték az Egyesült Államokban, továbbá a Virgo detektor Olaszországban.

Művészi ábra arról, ahogy egy fekete lyuk elnyel egy neutroncsillagotForrás: https://www.space.com/black-hole-swallows-neutron-star-gravitational-waves.html

Az első, 2020. január 5-én észlelt jel esetén a fekete lyuk tömege a Napunk tömegének körülbelül 9-szerese, vagyis 9 naptömeg volt,

amely egy 1,9 naptömegű neutroncsillagot nyelt el.

A második eseményt, amelyben egy 6 naptömegű fekete lyukat és egy 1,5 naptömegű neutroncsillagot észleltek, mindössze 10 nappal később, 2020. január 15-én detektálták. Az eredményeket ma, június 29-én tették közzé a The Astrophysical Journal Letters szaklapban.

A saját galaxisunkban még nem sikerült ilyen rendszerre bukkanni 

Kettős neutroncsillag-rendszereket először 1974-ben figyeltek meg a Tejútrendszerben a rádióhullámokat kibocsátó neutroncsillagok, az úgynevezett pulzárok jeleinek észlelésével. A csillagászok évtizedek óta keresik a fekete lyukak körül keringő pulzárokat,

de eddig még a Tejútrendszerben nem sikerült találni.

 

A Tejút, a galaxisunk síkja. A képet a Csendes-óceán déli részén elhelyezkedő Cook-szigetekhez tartozó Mangaia-szigeten készítettékForrás:https://www.space.com/19915-milky-way-galaxy.html

A távoli galaxisokból érkező új felfedezésekkel megérthetjük, hogy hány ilyen rendszer létezik, milyen gyakran egyesülnek, és miért nem láttunk még példát rá a mi galaxisunkban. A két esemény közül az elsőt, a GW200105-öt a LIGO Livingston és a Virgo detektorok észlelték. A LIGO hanfordi detektora az észlelés idején átmeneti leállás alatt volt. A livingstoni LIGO detektor erős jelet fogott, a Virgonál viszont kicsi volt a jel-zaj arány.

Két keringő fekete lyuk által keltett gravitációs hullámok illusztrációjaForrás: https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw

A gravitációs hullám tulajdonságai alapján a kutatócsoport arra következtetett, hogy a jelet egy 9 naptömegű fekete lyuk és egy 1,9 naptömegű kompakt csillag összeolvadása bocsátotta ki.

Ez az egyesülés tőlünk mintegy 900 millió fényévre történt.

Annak ellenére, hogy a jel csak egy detektornál volt nagyon erős, biztosak lehetünk benne, hogy a jel valós, és nem csupán valamilyen zaj eredménye. Minden szigorú ellenőrzésen átment, és nagyon eltér minden ismert zajtól, amit a harmadik megfigyelési időszak során láthattunk.

A Pisa mellett található Virgo gravitációshullám-detektor légi felvételeForrás: ESA

Mivel csak egy detektor fogott erős jelet, az összeolvadás helye az égen továbbra is bizonytalan, nagyjából a telihold méretének 34 000-szeresének megfelelő területre esik.

Egészben nyelhették el a neutroncsillagokat

Bár a gravitációs hullámok önmagukban nem fedik fel a kisebb komponens szerkezetét, a maximális tömegére lehet következtetni. Az információ birtokában és az ilyen kettős rendszerben várható neutroncsillagok tömegének elméleti előrejelzésével arra a következtetésre juthatunk, hogy a neutroncsillag a legvalószínűbb magyarázat.

A neutroncsillag a szupernóva (a Napnál nagyobb tömegű csillag robbanása) során keletkezik. A hatalmas csillag magja összeomlik, és a protonok és az elektronok egymásba olvadnakForrás: https://www.space.com/most-massive-neutron-star-detected.html

A második, GW200115 elnevezésű jelet mind a LIGO detektorok, mind a Virgo detektor észlelte. A GW200115 egy 6 naptömegű fekete lyuk és egy 1,5 naptömegű neutroncsillag összeolvadásából származik, amely a Földtől nagyjából 1 milliárd fényévnyire következett be.

A három műszer információi alapján az LVK kutatói jobban meg tudták határozni az égnek azt a részét, ahol ez az esemény történt, azonban ez az égterület még így is közel 3000-szer akkora kiterjedésű, mint a telihold.

Művészi ábra arról, amint egy csillagot beszippant a fekete lyukForrás: ESO/M. Kornmesser

Az LVK kutatói nem sokkal az észlelés után riasztották a csillagász partnereiket,

akik az események kísérőfényeit próbálták megtalálni.

Ez a keresés eredménytelenül zárult, ami nem meglepő, mivel ezeknek az összeolvadásoknak a nagyon nagy távolsága azt jelenti, hogy a belőlük érkező fény nagyon halvány lenne, és még a legnagyobb távcsövekkel is nehéz észlelni.

A fekete lyuk közelébe került csillagközi anyagot az égitest nagy gravitációs ereje miatt beszippantjaForrás: X-ray: NASA/CXC/UMass/D. Wang et al.; Optical: NASA/ESA/STScI/D.Wang et al.; IR: NASA/JPL-Caltech/SSC/S.Stolovy/Chandra X-Ray Observatory Center

Nagy kozmikus tűzijátékra egyébként sem lehetett számítani, mivel a fekete lyukak valószínűleg elég nagyok voltak ahhoz, hogy egészben lenyeljék a neutroncsillagokat.

2022 nyarán kezdődik az új program

A két biztos neutroncsillag-feketelyuk gravitációshullám-észlelés alapján a kutatók most úgy becsülik, hogy a Föld egymilliárd fényéves környezetén belül havonta átlagosan egy ilyen összeolvadás történhet. Mindazonáltal nem minden ilyen esemény észlelhető a jelenlegi detektorokkal.

A LIGO kutatója az egyik mikrohullámfrekvencia-mérő tükrét vizsgáljaForrás: MATT HEINTZE/CALTECH/MIT/LIGO LAB

A LIGO, a Virgo és a KAGRA kutatócsoportjai folyamatosan fejlesztik a detektoraikat, hogy felkészüljenek a következő, 2022 nyarán kezdődő megfigyelési időszakra. A jobb érzékenységnek köszönhetően remélhetőleg

már naponta egyszer észlelni tudjuk majd a különböző összeolvadásokból származó hullámokat.

Ezek segítségével jobban megismerhetjük majd a fekete lyukak és a szupersűrű anyag alkotta neutroncsillagok tulajdonságait.

(Forrás: LSC LIGO Scientific Collaboration)