2017.02.14. - Harminc év elteltével is tartogat titkot az SN 1987A szupernóva

1987. február 23-án tűnt fel a Nagy Magellán-felhőben a modern kor csillagászatának legfontosabb szupernóvája, amelynek maradványa még harminc év elteltével is titkok bőséges tárháza.

1987. február 23-án Ian Shelton egyedül töltötte az estét a teleszkóp mellett a távoli Atacama-sivatagban, Chilében. Miután három órán keresztül fényképezte a Nagy Magellán-felhőt, a Tejútrendszer egyik kísérőgalaxisát, meg kellett szakítania az észlelést, mivel a kupola résének redőnyös zárószerkezete a heves széllökések miatt hirtelen legördült. A Las Campanas Observatory ügyeletesének ez azt jelentette, hogy arra az éjszakára ideje befejezni a munkát.

Fogta a felvételt - egy 8 hüvelykszer 10 hüvelykes üveglemezt - és a sötétkamra felé vette az irányt. (Igen, ekkor még manuálisan kellett előhívni a képeket.) Azért, hogy meggyőződjön róla, jól sikerült-e a felvétel, Shelton az éppen előhívott lemezt gyorsan összehasonlította az előző éjszaka rögzítettel. Ekkor észrevett rajta egy csillagot, amelyik a korábbi lemezen nem volt rajta. "Azt gondoltam, ez túl szép, hogy igaz lehessen" - emlékezett vissza a pillanatra. Kilépett a szabadba és felnézett az égre. Ott volt - egy halvány fénypont, aminek nem kellett volna ott lennie. Lesietett az úton egy másik kupolához, és megkérdezte az ott észlelőket, hogy ők mire vélnének egy fényes, a Nagy Magellán-felhőben feltűnt objektumot. Shelton emlékei szerint egyből rávágták, hogy szupernóva. Gyorsan kirohant a többiekkel - köztük Oscar Duhaldéval, aki úgy emlékezett, hogy az este során korábban már látta a fénypöttyöt -, hogy saját szemükkel is ellenőrizzék.

Shelton és kollégái a később SN 1987A jelzéssel ellátott szupernóva robbanásának tanúi voltak. Közel négy évszázada ez volt a legközelebbi szupernóva, ráadásul elég fényes ahhoz, hogy távcső nélkül, szabad szemmel is megfigyelhető legyen. George Sonneborn (NASA Goddard Space Flight Center) szerint azt gondolták, hogy ilyet úgy sem látnak még egyszer életükben.

A Tarantula-köd a Nagy Magellán-felhőben az ESO Schmidt teleszkópjának felvételén. A szupernóva a kép felső részén, a függőleges középvonaltól kissé balra van. A felvétel készítésekor szabad szemmel is látható volt.
[ESO]

A megfigyelhető univerzumban közel 2 billió galaxis van, így valahol majdnem mindig robban egy szupernóva. A szabad szemmel is észlelhető közeli szupernóva-robbanások azonban nagyon ritkák. A Tejútrendszerben a becslések szerint 30-50 évente következik be egy ilyen esemény, a legutolsót azonban 1604-ben látták. Körülbelül 166 ezer fényév távolságával az SN 1987A a legközelebbi megfigyelt szupernóva volt Galilei kora óta.

Adam Burrows (Princeton University) jellemzése szerint a szupernóvák az univerzumban zajló változások fontos mozgatórugói. Csillagok életének végét jelzik, ugyanakkor újak keletkezését indítják be. Egész galaxisok sorsát befolyásolhatják azzal, hogy felkeverik az új csillagok létrejöttéhez szükséges gázt. A vasnál nehezebb kémiai elemek a robbanás káoszában szintetizálódnak, míg a könnyebbek - például a csontjainkban lévő kalcium, az oxigén, amit belélegzünk, vagy a vas a hemoglobinunkban -, amelyek a csillagban jöttek létre korábban, a robbanás következtében szétszóródnak a környező űrbe, a csillagok következő generációjához, a bolygókhoz és az élet kialakulásához szolgáltatva alapanyagot.

A Nagy Magellán-felhő a szupernóva feltűnése előtt (fent) és a szupernóvával (lent).
[ESO]

Feltűnése után harminc évvel az SN 1987A maradványa még mindig igazi "asztrocelebritás". Ez volt az első szupernóva, amelynek szülőcsillagát sikerült azonosítani. A Naprendszeren kívülről érkező neutrínókat is ebből a forrásból detektáltak először, a szubatomi részecskék pedig megerősítették az évtizedes, a robbanás centrumában zajló folyamatokra vonatkozó elképzeléseket. Az SN 1987A történetét azonban még ma is írjuk: újabb eszközeink egyre részletesebben térképezik fel a környező intersztelláris gázban haladó lökéshullán útját. Robert Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) szerint a szupernóva közben 10 milliószor halványabb lett, de továbbra is tanulmányozható. Sőt alaposabban és szélesebb színképtartományban vizsgálhatjuk, mint azt 1987-ben tehettük.

Minden nap egy nagy kaland

Az SN 1987A szupernóva robbanásakor a kommunikáció kicsit lassúbb és bizonytalanabb volt, mint manapság. Sheltonnak az obszervatóriumból nem is sikerült felhívnia a Nemzetközi Csillagászati Unió (International Astronomical Union, IAU) központját Cambridge-ben (Massachusetts, USA), ezért gépkocsival vitték az IAU-nak szóló üzenetet a 100 kilométerre lévő La Serenába. Ez alapján 1987. február 24-én az IAU a következő sorokkal kezdődő táviratot küldte szét:

"W. Kunkel and B. Madore, Las Campanas Observatory, report the discovery by Ian Shelton, University of Toronto Las Campanas Station, of a mag 5 object, ostensibly a supernova, in the Large Magellanic Cloud at R.A. = 5h35m.4, Decl. = -69°16’..."

A csillagászati szakzsargonban írt távirat a Nagy Magellán-felhőben feltűnt objektum, valószínűleg egy szupernóva fényességét (5 magnitúdó), valamint a koordinátáit (rektaszcenzió és deklináció) közölte. Sok kutató elsőre el sem hitte a hírt, Stan Woosley (University of California, Santa Cruz) is csak viccnek gondolta. De amint a hír telefonon és táviraton egyre több csillagászhoz jutott el, gyorsan világossá vált, hogy nem tréfáról van szó. Az új-zélandi amatőrcsillagász, Albert Jones szintén azt jelentette, hogy ugyanazon az éjszakán látta a szupernóvát, mielőtt még az ég befelhősödött volna. Nagyjából 14 órával a felfedezés után a NASA IUE (International Ultraviolet Explorer) műholdja már a szupernóvát figyelte, de a csillagászok világszerte az új célpontra állították a földi és űrtávcsöveiket.

"Az egész tudományos világ olyan volt, mint egy felajzott méhkas" - emlékszik vissza Woosley. "Minden nap jött valami új, minden nap egy nagy kaland volt." A csillagászok először úgy vélték, hogy a szupernóva Ia típusú, gyorsan kiderült azonban, hogy az SN 1987A inkább II-es típusú, azaz a Napnál jóval nagyobb tömegű csillag robbanása volt. A következő napokban Chiléből és Dél-Afrikából végzett megfigyelések a robbanás helyétől 30 ezer km/s sebességgel - azaz a fénysebesség tizedével - távolodó hidrogénburkot mutattak. A kezdeti felvillanás után a szupernóva körülbelül egy hétig halványodott, de utána nagyjából 100 napig ismét fényesedett. A maximumkor mintegy 250 millió nap sugárzásának megfelelő fényességgel ragyogott.

Jó az irány

A jó néhány meglepetés ellenére, amelyeket okozott, az SN 1987A alapjaiban nem változtatta meg a szupernóvákról alkotott képünket. David Arnett (University of Arizona) szerint valójában inkább megerősített bennünket abban, hogy jó úton járunk. Az évtizedek óta vallott és az SN 1987A által is nagymértékben alátámasztott nézet szerint a II-es típusú szupernóvák robbanása a nagy tömegű, nukleáris fűtőanyagukat elfogyasztó csillagok magjának összeroppanása, illetve annak következménye.

A csillagok élete tulajdonképpen kényes egyensúlyozás a gravitáció és a gáznyomás hatása között. A gravitáció a csillag összeroppantására törekszik, de a csillag belsejében a hidrogén héliummá történő fúzióját lehetővé tevő extrém hőmérséklet és sűrűség mellett hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, ami óriási mértékben megnöveli a nyomást, így az már ellent tud állni a gravitációnak. Ha a csillag magjában elfogy a hidrogén, akkor begyullad a hélium és a fúziója eredményeként szén, oxigén és nitrogén keletkezik. A Naphoz hasonló csillagok esetében a történetnek ez a része itt nagyjából véget is ér. Ha azonban a csillag kezdeti tömege a Napénak nyolcszorosánál nagyobb, a magjában fúzióval nehezebb elemek is létrejöhetnek, ezek a folyamatok pedig végig biztosítják a csillagbelsőben a nyomás és hőmérséklet stabilitáshoz szükséges extrém magas értékét. A csillag rendületlenül gyártja a nehezebb kémiai elemeket, egészen a vasig. A vas azonban már nem fuzionál tovább, az ugyanis nem járna energiafelszabadulással.

Az EROS-2 1996 július és 2002 február között készített felvételeiből összeállított animáción jól látható az SN 1987A pozíciójától kifelé haladó lökéshullám és a csillagközi anyag kölcsönhatásának eredménye, az ún. utófény.
[NASA, ESA, P. Challis and R. Kirshner/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, B. Sugerman/STSCI]

Energiaforrás nélkül azonban a gravitáció ellen már nincs esély és a csillag anyaga a magjába roskad. Az addig zsugorodik a saját súlyának hatására, amíg egy neutrongömb nem lesz belőle: a csillagból csak egy városnyi méretű, forró, az atommagénál nagyobb sűrűségű objektum, neutroncsillag marad. Ha a haldokló objektumból elegendő gáz hullott a magba, a neutroncsillag is elveszti a gravitáció elleni csatát, és egy fekete lyuk keletkezik. De még mielőtt ez megtörténne, a csillag külső részei is a magra zuhannak és visszapattannak arról, így egy lökéshullámot indítanak kifelé, amely szétrobbantja a csillagot. A vasnál nehezebb elemek ebben a robbanásban keletkeznek: a periódusos rendszert alkotó kémiai elemek több mint fele szupernóva-robbanásokban szintetizálódik.

Egy szupernóva azonban nem csak a robbanásban keletkező kémiai elemekkel szolgál. Az elméleti szakemberek megjósolták, hogy a mag összeroppanásakor a közönséges anyaggal csak nagyon csekély mértékben kölcsönható, közel nulla nyugalmi tömegű szubatomi részecskéknek, neutrínók is keletkeznek, mégpedig nem is kis mennyiségben. "Szellemszerű" viselkedésük ellenére a neutrínóknak jelentős szerepük van a robbanásban, mivel energiát pumpálnak a kialakuló lökéshullámba, ami a robbanás során felszabaduló energiának körülbelül 99 százaléka. A csillag lerobbanó burkán szinte akadály nélkül jutnak át, és némi előnyt szerezve még a fényvillanás előtt elérik a Földet.

Ennek az előrejelzésnek a megerősítése volt az SN 1987A megfigyelésének egyik legnagyobb sikere. Különböző földrészeken található három neutrínódetektor is közel ugyanakkor regisztrálta a neutrínók számának növekedését, mintegy három órával azelőtt, hogy Shelton észrevette az optika felvillanást. A japán Kamiokande II 12, az Ohióban működő IMB berendezés 8, míg az orosz Baksan Neutrino Observatory 5 neutrínót detektált. Összesen 25 esemény - valóságos áradat a neutrínócsillagászatban. Sean Couch (Michigan State University) szerint ez a "hatalmas" szám minden kétséget kizáróan azt jelezte, hogy egy neutroncsillag keletkezett.

A neutrínók érkezése tehát nem okozott meglepetést, a szupernóva szülőcsillaga azonban igen. Az SN 1987A előtt a csillagászok úgy vélték, hogy csak felfúvódott vörös szuperóriás csillagok végezhetik pályafutásukat szupernóvaként. Az ilyen csillagok egyik legközelebbi képviselője, a fényes Betelgeuse az Orion csillagképben - amely a csillagászati közeljövőben szintén szupernóvaként fogja végezni - legalább akkora, mint a Mars pályájának mérete. Az SN 1987A szülőcsillaga - Sanduleak -69 202 (röviden Sk -69 202) néven is ismert - azonban egy kék szuperóriás volt, forróbb és kompaktabb, mint a várt vörös szuperóriás. Kirshner szerint az SN 1987A esete rávilágított, hogy mennyi mindent nem tudunk még a szupernóvákról. És ez még csak az első meglepetés volt. A továbbiak a Hubble-űrtávcső felbocsátása után jöttek.

Kozmikus gyöngysor

Az 1990-ben Föld körüli pályára állított Hubble-űrtávcső egyik első célpontja az SN 1987A volt. A korai képek a távcső főtükrének híres-hírhedett optikai hibája miatt még életlenek voltak, de a korrekciós optika 1993-as beépítése után a halványuló robbanás néhány váratlan részletére derült fény. Shelton visszaemlékezése szerint ezek a képek mellbevágóak voltak: a korábbi földi felvételeken csak halványan kivehető vékony gázgyűrű ragyogó hullahopp karikaként vette körül a szupernóva helyét. A gyűrű felett és az alatt is látható volt egy-egy további, halványabb gyűrű, a hármas pedig egy homokórához hasonlító alakzatot formázott. Richard McCray (University of California, Berkeley) szerint addig egyetlen szupernóva-robbanásnál sem volt megfigyelhető ilyen jelenség, mégpedig azért, mert azok túlságosan távol voltak.

Forró foltok gyűrűje a Hubble-űrtávcső felvételein. A gyűrű fokozatosan fényesedett, ahogyan az SN 1987A lökéshulláma áthatolt azon a gázanyagon, amelyet a szülőcsillag dobott le magáról a szupernóva-robbanást több tízezer évvel megelőzően.
[HUBBLE, ESA, NASA; L. Calçada/ESO]

A központi gyűrű átmérője 1,3 fényév és 37000 km/h sebességgel tágul. A gyűrű mérete és a növekedésének üteme azt jelzi, hogy a szülőcsillag a robbanást megelőző nagyjából 20 ezer év alatt jelentős mennyiségű gázt pumpált az intersztelláris térbe. Ez magyarázhatja, hogy az Sk -69 202 miért lehetett kék szuperóriás, amikor felrobbant. A korábbi kitörések ugyanis eltávolíthatták a csillag külső rétegeit, láthatóvá téve ezáltal a forróbb és így kékebb belső rétegeket.

A gyűrűk kialakulására vonatkozó elképzelések közül az egyik leginkább elfogadott szerint az Sk -69 202 két csillagból keletkezhetett, amelyek először befogták egymást, majd egyre szűkülő spirális pályán keringve végül összeolvadtak. A folyamat közben gáz dobódott ki egy, az eredeti pálya síkjába eső gyűrűbe, illetve az erre merőleges irányban is megindult egy gázáramlás. Ugyanakkor meg kell jegyezni, hogy egyedülálló csillag gyors forgása, vagy nagyon erős mágneses terek is képesek a kitörések során felszabadult gázt a csillag körüli gyűrűbe terelni.

Az SN 1987A szupernóva gyűrűhármasa a Hubble-űrtávcső felvételén (fent). A homokórához hasonlító alakzatot formázó gyűrűk (lent, illusztráció) valószínűleg a szupernóva szülőcsillaga által mintegy 20 ezer évvel a robbanás előtt ledobott gázban fénylettek fel.
[HUBBLE, ESA, NASA; L. Calçada/ESO]

A főgyűrű az idő múlásával egyre érdekesebbé vált. 1994-ben egy fényes folt tűnt fel benne, majd néhány év múlva három további jelent meg. 2003 januárjára már 30 darab, a robbanás centrumától távolodó forró folt ragyogott az egész gyűrű mentén. Kirshner szerint az egész olyan volt, mint egy gyöngysor. A szupernóva-robbanás lökéshulláma utolérte a gázgyűrűt és elkezdte felmelegíteni a gázcsomókat.

Mostanra ezek a forró foltok már halványulnak, viszont újak jelennek meg a gyűrű külső peremén. Claes Fransson (Stockholm University) vizsgálatai szerint a foltok eltűnési üteme alapján a gyűrű valamikor a következő évtizedben valószínűleg teljesen felbomlik.

A titokzatos neutroncsillag

Az SN 1987A egyik legnagyobb titka a robbanás centrumában létrejött neutroncsillag. Kirshner szerint mindenki úgy gondolja, hogy a detektált neutrínók a neutroncsillag születését jelezték, de azt hiába keresték az elmúlt három évtizedben mindenféle teleszkóppal, nem bukkantak a nyomára. Burrows szerint már kissé kínos is, de a csillagászok nem képesek megtalálni a szupernóva-maradvány közepén az égitestet. Nincs a pulzárokra - nagyon gyorsan forgó neutroncsillagokra - jellemző, a világítótornyok fénypászmáira hasonlító rádióimpulzus-sorozat, de nem sikerült detektálni a rejtőzködő neutroncsillag intenzív sugárözönének kitett és ezért felmelegedett porfelhők infravörös sugárzását sem. "Az SN 1987A történetének megnyugtató lezárásához mindenképpen tudnunk kellene azt, hogy mi maradt vissza a robbanás helyén" - mondja Burrows. A kutatók szerint a neutroncsillag valószínűleg ott van, de talán túl gyenge ahhoz, hogy észrevehessük. Vagy csak rövid ideig létezett: ha a kollapszus során több anyag hullt be, akkor a folyamat nem állt meg a neutroncsillag létrejötténél, hanem az fekete lyukká roskadt össze. Sajnos, ma még nem tudjuk megmondani, mi történt.

Az SN 1987A rejtélyeinek megoldását a (közel)jövő teleszkópjaitól várhatjuk. A technológiai fejlődés következtében minden új eszköz "friss szemmel" tekint a szupernóva-maradványokra. A chilei Atacama-sivatagban felépített ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) - amelynek ma már mind a 66 antennája működik és olyan hullámhosszon dolgozik, hogy képes áthatolni a szupernóva helyét elfedő törmeléken - 2012-ben 20 antennával nézett a maradvány szívébe, ahol szén- és szilíciumtartalmú porszemcséket talált, amelyek a robbanás nyomán jöttek létre. Ezek a szemcsék a bolygókeletkezés fontos alapanyagai. Az SN 1987A nagyon sok ilyen port termelt, jelezve, hogy a csillagrobbanások kiemelkedő szerepet játszanak bolygók kialakulásához szükséges anyag létrehozásában. Tisztázásra szoruló kérdés ugyanakkor, hogy vajon ez a por túléli-e a szupernóva-maradványban még mindig "dolgozó" lökéshullám hatását.

A por sorsa, a rejtőzködő neutroncsillag, a még mindig aktív lökéshullám hatásai, és a többi megválaszolandó kérdés újra és újra az SN 1987A felé tereli a kutatókat. Az elmúlt 30 évben az SN 1987A ízelítőt adott az univerzum emberi időskálán zajló változásaiból: egy csillag felrobbant és a kozmosznak egy kicsiny szeglete mindörökre megváltozott. Az elmúlt közel négyszáz év legközelebbi szupernóvájaként az SN 1987A egyedülálló bepillantást enged az univerzumban zajló változások mozgatórugói közül az egyik legalapvetőbbnek és legnagyobb energiájúnak a titkaiba.

"Sokat kellett rá várni, de ez a különleges szupernóva ... az összes ráfordított figyelmet megérdemli" - mondja Shelton. Annak ellenére azonban, hogy közel volt, az SN 1987A mégis a Tejútrendszeren kívül robbant. Mindenki arra vár, hogy végre a saját galaxisunkban is megfigyelhessünk egy szupernóvát. "Itt lenne már az ideje..."

Forrás:

• ScienceNews 2017.02.08.