2008.01.04. - Rövid gammavillanás gravitációs hullám nélkül

A LIGO elnevezésű, gravitációs hullámok detektálására szolgáló laboratórium negatív mérési eredménye megkérdőjelezheti a rövid gammavillanások jelenleg leginkább elfogadott magyarázatát.

A gammavillanások a Világegyetem leghevesebb és legnagyobb energiát felszabadító folyamatai. A jelenség hossza alapján két fő típusukat különböztetik meg. A 2 másodpercnél rövidebb események az ún. rövid, míg a 2 másodpercnél tovább tartók az ún. hosszú gammavillanások. A jelenség okai még egyáltalában nem tisztázottak. A hosszú gammavillanások közül egészen z=6,3 vöröseltolódásig sok olyan galaxisokhoz kapcsolható, melyekben heves csillagkeletkezési folyamatok zajlanak, míg néhány közelebbi nagy valószínűséggel szupernóva-robbanásokhoz köthető. A rövid gammavillanások okai ennél sokkal bizonytalanabbak. Detektáltak különböző típusú és csillagkeletkezési múlttal rendelkező galaxisokhoz kapcsolódókat, de találtak már olyat is, melynek forrása a Tejútrendszerben van. A jelenleg leginkább elfogadott magyarázat szerint itt kompakt kettősök, például két neutroncsillag vagy egy neutroncsillag és egy fekete lyuk összeolvadásáról, illetve a folyamat közben felszabaduló energia pillanatszerű kitöréséről van szó. Statisztikai vizsgálatok alapján elképzelhető az is, hogy a rövid villanások körülbelül hatoda ún. SGR (Soft Gamma-ray Repeater, ismétlődő lágyröntgen-kitörő) lehet, melyek energiája kisebb. Nincs még olyan pozitív észlelés, ami az összeolvadási hipotézist bizonyítaná, viszont van egy negatív, ami akár a cáfolatát is jelentheti.

A LIGO projekt interferométereinek több kilométer hosszú alagútjai madártávlatból a Washington állambeli Hanfordban és a Louisiana állambeli Livingstonban.
[Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory]

A kérdés tisztázásában fontos szerepe lehet a feltételezett összeolvadási folyamat közben gerjesztett, az általános relativitás elmélete által megjósolt gravitációs hullámok detektálásának. Az elképzelések szerint ezeknek a viszonylag jól modelezett amplitúdó- és frekvenciaeloszlással rendelkező hullámoknak még az összeolvadás előtt fázisban kell keletkezniük, amikor a komponensek spirális pályán közelednek egymás fele.

A gravitációs hullámok detektálására szolgáló kísérletek több évtizedes múltra tekintenek vissza. Közülük az egyik legújabb a két nagy amerikai egyetem, a Caltech és az MIT által üzemeltetett LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). A világ 12 országából 580 tudóst összefogó projekt fő interferométerei Hanfordban (USA, Washington állam) és Livingstonban (USA, Louisiana állam) találhatók, de része még a hálózatnak például a németországi Hannover mellett működő GEO600 interferométer is. Az L alakú, több kilométer hosszú, Michelson és Fabry-Perot üzemmódban működő ágakkal rendelkező interferométerek vákuumalagútjaiban osztott lézernyalábok segítségével rendkívül nagy pontossággal tudják mérni az alagútakban elhelyezett tükrök távolságát. Einstein elmélete szerint a nagytömegű, gyorsuló mozgást végző objektumok - esetünkben például az összeolvadás előtti fázisban lévő neutroncsillagok - megzavarják a téridő szerkezetét a környezetükben. Ez a zavar aztán gravitációs hullámok formájában tovaterjed, s közvetítésükkel a kiváltó objektum óriási távolságokban is érezteti hatását, az interferométerekben például olyan módon, hogy a hullámok áthaladásakor kicsit megváltozik a tükrök távolsága. A fénysebességgel terjedő gravitációs hullámok az alagutak két-két végét körülbelül 10 mikroszekundumos időkülönbséggel érik el. Háromszögelési módszerrel így a forrás égi pozíciója is meghatározható. A LIGO berendezései olyan érzékenyek, hogy a tükrök távolságában egy proton "átmérője" ezred részének megfelelő változást - ez mindössze 10^-18 m! - is képesek kimutatni.

Az ESO VLT távcsőegyüttesével készült felvétel a GRB 20070201 katalógusjelű gammavillanás égi környezetéről. A villanás helyét a képen nyíl mutatja.
[European Southern Observatory]

2007. február 1-jén az IPN (Interplanetary Network) hálózat három, gamma-detektorral felszerelt műholdja és a NASA Swift műholdja is észlelt egy rövid gammavillanást az Androméda galaxis irányából. A jelenség az időpont alapján a GRB 070201 (GRB = Gamma Ray Burst) katalógusjelzést kapta. A jelenség során a Hanfordban található 2 és 4 km-es interferométer (az L két szára) is üzemelt és adatokat gyűjtött, de a mérési eredmények között semmi nyoma az előbbiek alapján az eseményhez köthető gravitációs hullámok hatásának! Ha a villanás az M31 egyik spirálkarjában következett be, akkor semmiképpen nem okozhatta két kompakt objektum összeolvadása, ugyanis az Androméda-köd távolságában lezajló ilyen grandiózus eseményt a LIGO hiperérzékeny detektorai minenképpen jeleztek volna. A detektálható gravitációs hullámok hiánya persze jelezheti azt is, hogy a gammavillanást kiváltó összeolvadás jóval távolabb következett be, illetve elképzehető még az a magyarázat is, hogy az esemény mégiscsak az M31-ben következett be, de "csak" egy SGR-ről van szó.

Az IPN3 (Third Interplanetary Network) gamma-detektorokkal felszerelt műholdhálózat méréseinek hibadoboza keresztezi az M31 egyik spirálkarját. Ez alapján elképzelhető, hogy a gammavillanás az Androméda galaxisban következett be. A nagy képen a galaxis ultraibolya tartományban készült felvétele látható a hibadoboz egy részével, míg a kis inzerten az SDSS-ből kimásolt képe a teljes hibadobozzal.
[IPN3, SDSS 2007, Thilker és társai]

A kutatásban résztvevő szakemberek kivétel nélkül egyetértenek abban, hogy ez a negatív eredmény is rendkívül fontos, mivel új szempontokat vethet fel a rövid gammavillanások kutatásában, de talán még ennél is fontosabb, hogy megmutatta a gravitációs hullámok detektálásával foglalkozó fizikusok és az elsősorban az elektromágneses hullámokat vizsgáló csillagászok közötti gyümölcsöző együttműködés lehetőségét. A berendezések továbbfejlesztett változata (Advanced LIGO) körülbelül 1 nagyságrenddel érzékenyebb lesz. Segítségével akár naponta észlelhetők lesznek gravitációs hullámokat generáló események, így a LIGO egy éves észlelési programja mindössze néhány óra alatt teljesíthető vele, jó esélyt teremtve arra, hogy hosszú várakozás után végre minden kétséget kizáró módon detektáljunk egy gravitációs hullámokat keltő eseményt.

Forrás:

• Caltech NR 2008.01.02.