Extrém gamma-kitörés: ehhez foghatót még nem észleltek az univerzumban

Az univerzum legtitokzatosabb és legfényesebb jelenségei, a gamma-kitörések szinte kivétel nélkül az extragalaktikus mélyűrben felvillanó és többnyire csak nagyon rövid ideig fennálló kozmikus események. A Fermi Gamma-űrteleszkóp segítségével most kutatók egy csoportja olyan extrém gamma-kitöréssorozatot azonosított, ami példa nélkül áll a jelenség 1960-as évek végén történt felfedezése óta megfigyelt összes kitörés között.

A gamma-kitörések az univerzum legfényesebb és legrejtélyesebb jelenségei Fotó: Space

Az extrém gamma-kitörés (GRB) alig 24 óra leforgása alatt négyszer is kibocsátotta az univerzum ismert legerősebb fotonrészecskéit. Ilyen hosszú kitörésre eddig még egyszer sem akadt példa.

Extrém gamma-kitörés történt az univerzum mélyén   Fotó: NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones 

Az extrém gamma-kitörés minden eddigi furcsaságot felülmúl

A csillagászok néhány évtizede még úgy gondolták, hogy az univerzum legerősebb energiafelszabadulással járó eseményei a szupernóva-robbanások. A közelmúlt asztrofizikai felfedezései azonban tovább árnyalták ezt a hosszú ideig uralkodónak tekinthető felfogást, ugyanis a neutroncsillagok összeolvadásakor vagy olyan esetben, amikor egy fekete lyuk az eseményhorizontja mögé szippant be egy csillagot, az első másodpercekben még a szupernóva-robbanásokét is meghaladó erejű energia szabadul fel. 

Egy szupernóva-robbanás művészi ábrája   Fotó: AFP

De más egyéb, az előzőekhez hasonló extrém energiafelszabadulással járó asztrofizikai jelenségek is létezhetnek. 

Ezeknek az a sajátosságuk, hogy elpusztítják az energiakibocsátás forrását,

így azok az ismétlődő gamma-sugárkitörések, amik látszólag az univerzumnak ugyanarról a pontjáról érkeznek, több hónapos vagy akár több éves időbeli eltéréssel önmagukban is az asztrofizika egyik legnagyobb rejtélyét jelentik. Ez a frissen detektált újabb gamma-sugárkitörési jel, a GRB 250702B, minden eddig látott furcsaságot felülmúl. Vagy legalább négy, rendkívül rövid időn belül egymás után történt önálló eseménynek tekinthető, vagy pedig egyetlen, de a szokásos milliszekundumokhoz képest óriási időintervallumnak megfelelő, egy teljes napig tartó jelenségnek.

Egy rövid gamma-kitörés művészi ábrája   Fotó: NSF's NOIRLab

 „Ez százszor–ezerszer hosszabb, mint a legtöbb gamma-kitörés” – mondta Andrew Levan csillagász-professzor, a hollandiai Radboud Egyetem munkatársa, akit az Ilf Science tudományos hírportál idéz. Ismétlődő gamma-kitöréseket már korábban is észleltek, de ezek a legrövidebb kozmikus jelenségek közé tartoztak, és sokkal kevesebb energiát szabadítottak fel, mint a 250702B jelű gamma-kitörés. Az asztrofizikusok úgy gondolják, hogy ezek a kitörések magnetárokból származhatnak.

A magnetárok elméletét két csillagász, Robert Duncan és Christopher Thomson állítota fel 1992-ben. Eszerint a magnetárok olyan neutroncsillagok, amelyeknek rendkívül erős a mágneses tere. Ez a nagy erejű mágneses tér hozza létre azt az óriási elektromágneses sugárzást, ami részben röntgen, részben pedig gamma tartományba esik. A magnetárok hipotézise napjainkra széles körben elfogadottá vált a lágy gamma-ismétlők és az anomáliás röntgen pulzárok lehetséges asztrofizikai magyarázataként.

A magnetárok rendkívül erős mágneses mezeje röntgen- és gamma-sugárzást keletkeztet   Fotó: Wikimedia Commons

A Fermi Gamma-űrteleszkóp július 2-án észlelte a GRB 250702B jelű kitörést, de 47 perccel és három órával később további két kitörést detektált. 

Ez már önmagában is rendkívüli felfedezésnek számítana, de a további vizsgálatok kimutatták, hogy az Einstein röntgen-űrteleszkóp egy 10 órával korábbi, valószínűleg az előző napon történt kitörés halványuló jeleit észlelte ugyanott.

Valami egészen furcsa dolog történhetett az univerzum mélyén

Noha egyik műszer sem tudta pontosan meghatározni a kitöréssorozat forrását, de a Swift röntgentávcső elegendő adatot biztosított ahhoz, hogy az Atacama-sivatagban felállított Nagyon Nagy Teleszkóppal (Very Large Telescope, VLT) megpróbálják infravörös tartományban megkeresni a kitörés utófényét, még tovább mélyítve a rejtélyt. A rendkívül erős gamma-sugárkitörések a galaxisunkon kívülről érkeznek, ezzel szemben a magnetárokból származó kisebb energiájú kitörések forrásai közelebb lehetnek.

Egy gamma-kitörés hipotetikus folyamatábrája   Fotó: MDPI

A gamma-kitörések (Gamma-Ray-Burst, GRB) az univerzum legfényesebb jelenségei, amelyek látszólag teljesen véletlenszerű helyekről érkező erőteljes felvillanások; ezek jellemzően 10-20 milliszekundumtól legfeljebb néhány percig tartanak. A gamma-felvillanásokat gyakran követik nagyobb hullámhosszú utófénylések röntgen, ultraibolya infravörös, továbbá a látható fény tartományában, valamint rádióhullámok formájában. Az eddigi megfigyelések alapján úgy tűnik, hogy gamma-kitörések többsége olyan nagy, legalább 30-40 naptömegű csillagok élte végén keletkezhet, amelyeknél a rendkívül sebes tengely körüli forgás miatt nem tud bekövetkezni a szupernóva-robbanás. E csillagokat nevezik kollapszárnak vagy hipernóvának. A gamma-kitörések másik, kisebb része egymás körül keringő neutroncsillag-pár, vagy neutroncsillag és fekete lyuk páros ütközése során keletkezik.

Mivel a frissen felfedezett GRB 250702B jelű kitöréssorozatot a galaktikus sík közelében azonosították – ott, ahol általában a Tejútrendszer legérdekesebb eseményei szoktak bekövetkezni –, ezért kezdetben az tűnt a legvalószínűbbnek, hogy valamilyen a közvetlen kozmikus környezetünkben rejtőzködő forrással lehet dolgunk. „A csillagászközösségben az volt az általános vélekedés, hogy e gamma-sugárkitörésnek a galaxisunkon belülről kell származnia, de a VLT alapvetően megváltoztatta ezt a paradigmát” – mondja Andrew Levan. 

A látszólag véletlenszerű gamma-felvillanások egyenletes eloszlást mutatnak  Fotó: NASA/ESA

A Hubble űrteleszkóp azóta megerősítette a VLT bizonyítékait, miszerint a GRB 250702B extragalaktikus esemény volt, amelyhez egy magnetárnál sokkal erősebb forrás szükséges ahhoz, hogy ilyen irdatlan távolságból is észlelhető legyen. A jelenlegi becslések szerint a gamma-kitörés forrása több milliárd fényévnyire lehet a Földtől, bár ezek az adatok még egyelőre meglehetősen bizonytalanok. 

A jelenleg feltételezett forrásának tekintett galaxis szokatlanul összetett alakú. 

Bár természetesnek tűnhet arra gondolni, hogy a nagyon távoli galaxis szerkezeti komplexitása összefügghet az extrém gamma-sugárkitöréssel is, az viszont nem nyilvánvaló, hogy hogyan.

Minden bevethető teleszkópot bevontak a rejtély megoldásában

Egy másik tény ami jelentős lehet, hogy az utolsó és az utolsó előtti gamma-kitörés közötti időbeli rés pontosan háromszor olyan hosszú volt, mint az ezt megelőző kitörések közötti intervallum. Szokatlan módon az utolsó kitörés volt a legfényesebb, ami több energiát szabadított fel, mint az első kettő együttvéve. „Ha ez egy hatalmas csillag kollapszusa, akkor ez egy olyan összeomlás, amilyet még soha sem láttunk” – kommentálja Andrew Levan, a Radboud Egyetem csillagász-professzora és a tanulmány első szerzője. Ennél logikusabbnak tűnhet az a hipotézis, hogy az extrém gamma-sugárkitörés hátterében egy olyan csillag halála érhető tetten, amit egy fekete lyuk szakított szét és nyelt el több fázisban.

Egy fehér törpe anyagot szív el a kísérő csillagától, ami szupernóva-robbanást eredményez    Fotó: Wikimedia Commons

Az Astrophhysical Journal Letters szaklapban augusztus 29-én megjelent tanulmány szerzői azonban arra a következtetésre jutottak, ahhoz, hogy a fenti forgatókönyv megfeleljen az extrém gamma-kitörésre vonatkozó megfigyelések sajátosságainak, a feltételezett csillagnak néhány igen szokatlan tulajdonsággal kellene rendelkeznie, a csillagot szétszakító fekete lyuknak pedig még ettől is jellegzetesebbekkel. A kutatók legjobban valószínűsíthető hipotézise az, hogy ebben az esetben egy közepes tömegű fekete lyuk tépett szét egy fehér törpét.

Az NGC 7293-as ktalógusjelű planetáris köd közepén lévő apró csillag egy tipikus fehér törpe asztrofotója  Fotó: NASA/ESA/NOAO

A fehér törpe a csillagfejlődés egyik lehetséges és asztrofizikai értelemben jól behatárolható végső stádiuma. Az 1,4 naptömegnél kisebb tömegű csillagok amikor az életük végén vörös óriássá fúvódnak fel, és miután a nukleáris tüzelőanyaguk elégetése miatt a gravitáció felülkerekedik a magfúzió teremtette sugárnyomáson, a csillag tömegének függvényében vagy az egész csillag, vagy pedig a magja összeomlik. Az így kialakuló extrém sűrű és magas hőmérsékletű fehér törpe olyan nagy nyomású anyagkoncentráció, amelyben az elektrongáz kvantumfizikai értelemben degenerált formában van jelen. A fehér törpe magjában már nem zajlik magfúzió, és a fehér törpe miután szétsugározta hőenergiáját, egy kihűlt anyagkoncentrációvá, fekete törpévé válik.

Az ilyen tömegtartományú fekete lyukak azonban annyira ritkák, hogy a csillagászok néhány évvel ezelőtt még a létezésükről sem voltak meggyőződve. Így meglehetősen egyértelmű, hogy e ritka körülmények figyelemre méltó kombinációjára lenne szükség ahhoz, hogy valami ehhez hasonló esemény bekövetkezzen. 

A gamma-kitörések a világegyetem legrejtélyesebb jelenségei közé tartoznak    Fotó: NASA Science

A GRB 250702B extragalaktikus gamma-sugárkitörés annyira figyelemre méltó, hogy az elektromágneses spektrumban dolgozó teleszkópokat – beleértve a James Webb űrteleszkópot is –, elterelték a tervezett feladataiktól, hogy ezek bevonásával próbálják megérteni, mi is történt az univerzum mélyén.

A tanulmány teljes terjedelemben és angol nyelven itt olvasható el.

A GRB 250702B jelű gamma-kitörés:

• a Tejútrendszeren kívüli extragalaktikus forrásból származó,
• eddig még sohasem észlelt hosszúságú olyan kitöréssorozat,
• amelynek a legutolsó kitörése erősebb volt az azt megelőző kettőnél.