2010.02.18. - Összeolvadó fehér törpék és az Ia szupernóvák eredete

A Chandra műhold mérésein alapuló, honfitársunk, Bogdán Ákos hozzájárulásával született új eredmény más megvilágításba helyezheti az Ia típusú szupernóva-robbanásokhoz vezető folyamatokra vonatkozó elképzeléseinket.

Az Ia típusú szupernóva-robbanások kozmológiai szempontból óriási fontossággal bírnak, mivel nagy luminozitásuk miatt egyrészt hatalmas távolságokban - praktikusan a ma belátható szinte teljes Univerzumban - is jól megfigyelhetők, másrészt maximális abszolút fényességük gyakorlatilag megegyezik, ezért a kozmikus távolságskálának fontos lépcsőfokát képezik. Ezen tulajdonságuk miatt szokás ezeket a szupernóvákat "sztenderd gyertyák"-nak is nevezni. Körülbelül egy évtizeddel ezelőtt éppen az Ia típusú szupernóva-robbanások megfigyelési adataiból szűrték le azt a következtetést, hogy a Világegyetem az addig gondolttal ellentétben gyorsulva tágul, ami aztán az ún. sötét energia hipotéziséhez vezetett. Emelett a gazdagalaxisaik evolúciójában is fontos szerepet töltenek be, hiszen a robbanáskor energiát és nehézelemeket, például vasat pumpálnak a környező, új csillaggenerációkat létrehozó intersztelláris anyagba, mintegy "megtermékenyítve" azt. A modern kozmológiában és asztrofizikában játszott meghatározó szerepük ellenére máig nem tisztázott pontosan, hogy milyen mechanizmus is vezet el a végső kataklizmájukhoz.

Fantáziarajz az Ia típusú szupernóvák akkréciós modelljéről. A fehér törpe egy tömegátadási (akkréciós) korongon keresztül anyagot szív el a kísérőjétől (felső kép). Amikor a fehér törpe a felszínén halmozódó anyag miatt elér egy kritikus tömegértéket, bekövetkezik a szupernóva-robbanás (alsó kép).
[CXC/M. Weiss]

A csillagászok eddig két elképzelést vázoltak fel. Az első alapján a végül robbanást elszenvedő csillag egy kettős rendszerben keringő fehér törpe, ami a kísérőcsillagától folyamatosan anyagot szív el. Ha ezen akkréciónak nevezett folyamat eredményeként a tömege elér egy kritikus értéket, az ún. Chandrasekhar-határt, akkor bekövetkezik a nukleáris megszaladás és a robbanás. A másik elképzelés szerint a szupernóva-robbanás két, szintén kettős rendszerben elfejlődött fehér törpe összeolvadásának következménye. A két szcenárió észlelési szempontból teljesen más megközelítést igényel. Az összeolvadás előtt egymás felé spirálozó fehér törpék rendszere intenzív gravitációshullám-forrás lehet, de nem várható tőle jelentős elektromágneses sugárzás, ezért detektálása még a legmodernebb, legnagyobb teleszkópokkal is nagyon nehéz, így mindössze néhány olyat ismerünk csak, amelyben a tulajdonságaik alapján egyáltalán bekövetkezhet a robbanás. Ezzel szemben a kísérőjüktől származó anyagot beszippantó, s a felszínükön hidrogént égető fehér törpék körülbelül 1 millió fokos hőmérsékletnek megfelelő, jól detektálható röntgensugárzást bocsátanak ki.

Az Ia típusú szupernóvák összeolvadási modelljének illusztrációja. A kettős rendszerben keringő fehér törpék (felső kép) egyre közelebb kerülnek egymáshoz (középső kép), majd végül összeolvadnak, aminek egy gigantikus robbanás a következménye (alsó kép).
[CXC/M. Weiss]

A csillagfejlődési modellek szerint a fehér törpék legtöbbjének tömege a Napénak mintegy 0,6-szorosa. Előfordulhatnak ugyan néha ennél nehezebbek is, de az Ia típusú robbanást elszenvedő szén-oxigén fehér törpék tömege valószínűleg nem haladhatja meg a körülbelül 1,2 naptömeget. A nukleáris robbanás ugyanakkor az 1,4 naptömeges Chandrasekhar-határ elérésekor következik be, azaz a fehér törpének legalább 0,2 naptömegnyi anyagot kell összegyűjtenie az akkréció során. A hidrogénben gazdag átáramló anyagban aztán a megfelelő tömeg elérésekor a fehér törpe felszínén beindul a hidrogén-hélium fúzió. Az ennek eredményeként felszabaduló energia következtében a fehér törpe tízezerszer is fényesebb lehet, mint a Nap, bár az energiaprodukció nagy része a röntgentartományba esik.

Ha tehát az Ia típusú szupernóva-robbanások ilyen tömegátadási folyamatok következményei - akkor egy tipikus galaxisban az 50-100 évenként bekövetkező szupernóva-robbanások alapján sok ezer ilyen objektumot feltételezve - a kettősök még az anyagátáramlási fázisban kibocsátott röntgensugárzásuk okán egy röntgenfátyollal járulnak hozzá a galaxis teljes sugárzásához. Marat Gilfanov és Bogdán Ákos, a Max Planck Institut für Astrophysik munkatársai a Chandra röntgenműhold mérései alapján annak jártak utána, hogy az akkréciós modell alapján előrejelzetthez képest milyen röntgenfátyolt lehet mérni közeli elliptikus galaxisok és az Androméda-köd centrális vidékének esetében. Az előrejelzések ellenőrzésekor felhasználták még a Spitzer Űrteleszkóp és a 2MASS felmérés adatait is, ezek alapján lehetett becsülni a szupernóva-keletkezési rátát a vizsgált galaxisokban.

A vizsgált elliptikus galaxisok közül négynek a röntgen-, optikai és infravörös felvételekből összeállított képe.
[Röntgen - NASA/CXC/MPA/Gilfanov és Bogdán, infravörös - 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF, optikai - DSS]

Gilfanov és Bogdán azt találták, hogy mindegyik vizsgált galaxisban az előrejelzett röntgenluminozitás 30-50-szeresen haladja meg a mért értékeket, azaz ha mindegyik Ia típusú szupernóva akkréciós folyamat eredményeként robbanna, a galaxisoknak 50-szer fényesebbeknek kellene lenni a röntgentartományban, mint amit észlelhetünk. Tehát ez a szcenárió nem egyeztethető össze a Chandra-mérésekkel, az Ia típusú robbanásoknak csak nagyon kicsi része, mindössze néhány százaléka lehet ilyen folyamat végállomása. Elképzelhető lenne még ennek a modellnek egy módosított változata, melyben a robbanás bekövetkeztéhez nem kell elérni a Chandrasekhar-határt, s ekkor a várható összes röntgenluminozitás is kisebb, a Chandra-mérésekhez sokkal jobban illeszkedő lesz. Az ún. szub-Chandrasekhar modellekkel operáló szimulációk azonban azt mutatják, hogy az így robbantott szupernóvák paraméterei nem egyeznek a valódi robbanások észlelt tulajdonságaival.

Egyedüli lehetséges magyarázatként tehát az összeolvadási modell maradt, azaz az idős csillagpopulációval rendelkező galaxisokban az Ia típusú szupernóva-robbanások fehér törpék összeolvadásának eredményeként következnek be. Ez a következtetés azonban jelentős hatással lehet az objektumok távolságmeghatározásban betöltött szerepére is, mivel az összeolvadási folyamatokban résztvevő komponensek tömegei mutathatnak olyan szórást, ami hatással van a robbanás lefolyására, s így a maximális abszolút fényesség szórására, ellentétben az akkréciós modellel, ahol a nukleáris robbanás mindig adott tömegértéknél következik be, sokkal homogénebb lefolyást, ezáltal a maximális abszolút fényességekben sokkal kisebb szórást eredményezve.

Mivel a vizsgálatok elliptikus galaxisokra irányultak, felvetődik a kérdés, hogy a fiatalabb csillagpopulációval rendelkező spirálgalaxisok esetében melyik folyamat lehet a domináns. Bogdán Ákos szerint ma erre még nem tudunk válaszolni, a kérdés eldöntéséhez a spirális galaxisok további vizsgálata szükséges.

Az eredményeket részletező szakcikk a Nature magazin 2010. február 18-i számában jelent meg. A Chandra honlapján (lásd Forrás) az összeolvadási folyamatot mutató animáció is megtekinthető.

Forrás:

• Chandra NR 2010.02.18.