Először figyeltek meg fekete lyukból és neutroncsillagból álló rendszert

Az érdem a gravitációs hullámok detektálására létrejött LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) együttműködésé, amely az észlelést végezte és amelyben

három magyar kutatócsoport is részt vesz.

A jelenség teljesen új rendszert képvisel, mivel eddig csak kettős feketelyukakból vagy kettős neutroncsillagokból álló rendszerek által sugárzott gravitációs hullámokat észleltek. Ez a felfedezés azokba az összetett mechanizmusokba enged betekintést, amelyek az extrém és ritka asztrofizikai eseményeket előidézhették, és

a korábbi Virgo- és LIGO-észlelésekkel együtt egy még fel nem térképezett kozmikus tájat nyitnak meg előttünk.

A Virgo, a LIGO és a KAGRA tudományos együttműködések kedden jelentették be, hogy sikerült olyan kettős rendszereket megfigyelniük, amelyek egy fekete lyukból és egy neutroncsillagból (NSBH) állnak: 2020 januárjában két olyan rendszer gravitációhullám-jelét észlelték, amelyekben egy fekete lyuk és egy körülötte keringő neutroncsillag olvadt össze egyetlen objektummá.

Ezeknek a vegyes rendszereknek a létezését a csillagászok már több évtizeddel ezelőtt megjósolták, de eddig soha nem figyelték meg kellő bizonyossággal, sem elektromágneses, sem gravitációs jelek révén. A jelentős friss eredmény a The Astrophysical Journal Letters című folyóiratban jelent meg kedden.

2020. január 5-én az amerikai Louisiana állambeli Livingstonban található Advanced LIGO detektor és az olaszországi Advanced Virgo detektor egy gravitációs hullámot figyelt meg, amelyet az NSBH-pár zsugorodó pályáján megtett néhány utolsó, az összeolvadást megelőző keringés során sugárzott ki. Mindössze tíz nappal később egy másik hasonló kettős rendszer keringéséből és összeolvadásából származó második gravitációshullám-jelet is megfigyeltek. Ez a két – észlelésük dátuma alapján – GW200105 és GW200115 jelzésű esemény képviseli a neutroncsillagok és fekete lyukak kevert rendszere által sugárzott gravitációs hullámok első megfigyelését.

A tavaly januárban észlelt gravitációshullám-jelek értékes információkat hordoznak a rendszerek fizikai jellemzőiről, például a két NSBH-pár tömegéről és távolságáról, valamint azokról a mechanizmusokról, amelyek a kettőst létrehozták és a komponensek összeolvadásához vezettek.

A jel elemzése megmutatta, hogy a GW200105-eseményt létrehozó fekete lyuk és neutroncsillag tömege körülbelül 8,9-szerese, valamint 1,9-szerese Napunk tömegének. Egyesülésük 900 millió évvel ezelőtt történt, több száz millió évvel azelőtt, hogy az első dinoszauruszok megjelentek a Földön. A Virgo és a LIGO tudósai úgy becsülik, hogy a GW200115-eseményt létrehozó fekete lyuk nagyjából 5,7 naptömegű, a neutroncsillag 1,5 naptömegű volt, és hogy majdnem egymilliárd évvel ezelőtt egyesültek.

„Bizonyítékokat nyertünk arra, hogy műszereink érzékenysége már meghaladja az ilyen rendszerek felderítéséhez szükséges küszöböt. Így azt várjuk, hogy ez a következő megfigyelési időszakokban rutinszerűvé válhat” – jelentette ki Giancarlo Cella, az INFN kutatója és a Virgo adatelemzési koordinátora.

„Az olyan kompakt kettős rendszerek, amelyek legalább egyik komponense neutroncsillag, nemcsak a relativisztikus asztrofizikai objektumokra vonatkozó ismereteinket bővítik, hanem kivételes lehetőséget nyújtanak az extrém nagy sűrűségű maganyag és a gravitáció kapcsolatának tanulmányozására is. A kompakt csillagok olyan megfigyelhető makroszkopikus fizikai jellemzőiből, mint a tömegük és sugaruk, következtethetünk a mikrofizikai tulajdonságaikra.

A rövid idejű áthaladás során, mikor a neutroncsillag megközelíti a fekete lyukat, az árapályerők deformálják a csillagot és úgynevezett r-módusú rezgéseket gerjesztenek. Ezek saját, tipikusan hosszú időtartamú gravitációshullám-jeleket bocsájtanak ki és csatolódnak a kompakt kettős jeléhez. Így a frekvenciájuk segítségével jellemzett rezgések a csillagok szerkezetéről is információkat kódolnak a gravitációshullám-jelbe” – kommentálta a bejelentést Barta Dániel, a Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos munkatársa és a Virgo együttműködés tagja.

A LIGO-Virgo együttműködés munkájában három magyar kutatócsoport is részt vesz. A Wigner FK-ban működő, Vasúth Mátyás vezette Gravitációfizikai Kutatócsoport 2010-től a Virgo együttműködés tagja. Az Eötvös Gravity Research Group (EGRG), amely az Eötvös Loránd Tudományegyetemen (ELTE) működik Frei Zsolt vezetésével, 2007 óta a LIGO tudományos együttműködés (LSC) tagja.

Szintén a LIGO együttműködés tagja a Szegedi Tudományegyetem gravitációs hullámok kutatásával foglalkozó, Gergely Árpád László vezette kutatócsoportja, mely 2009-től az ELTE csoport külső tagjaként, 2014-től pedig önállóan végzi kutatómunkáját.

Az együttműködésnek a három magyarországi kutatócsoporton kívül is vannak magyar résztvevői, Bartos Imre a Floridai Egyetem, Márka Szabolcs és Márka Zsuzsa pedig a Columbia Egyetem kutatóiként vesznek résznek a kutatásokban.

Borítóképünk illusztráció