2014.05.20. - Megoldódik a magnetárok keletkezésének rejtélye?

Az ESO VLT távcsőegyüttesével végzett megfigyelések alapján európai csillagászok úgy vélik, sikerült megoldaniuk a Világegyetem legerősebb ismert mágnesei, az ún. magnetárok keletkezésének több évtizedes problémáját.

A magnetárok szupernóva-robbanások nagyon különleges, szupersűrű maradványai, az Univerzumban a legerősebb mágneses mezővel rendelkező objektumok, térerősségük sok milliószorosan haladja meg a legerősebb földi mágnesekét. Európai csillagászok egy csoportja az ESO VLT távcsőegyüttesének FLAMES (Fibre Large Array Multi Element Spectrograph) műszerével végzett észlelések alapján most úgy gondolja, hogy - a magnetárok történetében először - sikerült azonosítania egy ilyen objektum partnercsillagát. A felfedezés segíthet megoldani a magnetárok keletkezésének 35 évre visszatekintő problémáját és azt a kérdést is, hogy ezek a különleges csillagok miért nem roskadnak össze fekete lyukká, ahogyan azt várhatnánk.

Ha egy nagy tömegű csillag magja szupernóva-robbanás során saját súlya alatt összeomlik, vagy neutroncsillag vagy fekete lyuk keletkezik belőle. A magnetárok az előbbiek szokatlan és nagyon egzotikus változatai. A többi neutroncsillaghoz hasonlóan kicsik és óriási sűrűségűek - a jól ismert példa szerint anyagukból egy teáskanálnyi tömege 1 milliárd tonna körüli -, a mágneses terük azonban még ebben a mezőnyben is kiemelkedően erős. A köpenyükben felhalmozódott feszültség miatt időnként csillagrengéseket produkálnak, amelyek során felszínüket jelentős intenzitású és mennyiségű gamma-sugárzás hagyja el.

Az Ara csillagképben figyelhető meg a tőlünk 16 ezer fényév távolságban elhelyezkedő Westerlund 1 csillaghalmaz, melyet 1961-ben fedezett fel Ausztráliából Bengt Westerlund svéd csillagász, aki 1970 és 1974 között az ESO chilei igazgatója volt. A halmaz hatalmas intersztelláris por- és gázfelhők mögött bújik meg, melyek csillagainak optikai tartománybeli sugárzását szinte teljesen blokkolják, emiatt pedig a különleges csillaghalmaz valódi természete is sokáig rejtve maradt előttünk. A Westerlund 1 egyedülálló természetes laboratóriuma az extrém csillagfizikai kutatásoknak, azon probléma vizsgálatának, hogy miként keletkeznek és pusztulnak el a Tejútrendszer nagy tömegű csillagai. A megfigyelési eredmények szerint a halmazban egy 6 fényév átmérőjű területen belül legalább 100 ezer naptömegnyi anyag összpontosul csillagok formájában, ezzel a Westerlund 1 a Tejútrendszer legnagyobb tömegű kompakt, fiatal csillaghalmaza. Minden eddig tanulmányozott objektuma legalább 30-40 naptömegű. Mivel az ilyen óriási csillagok életútja - csillagászati értelemben - nagyon rövid, a Westerlund 1-nek nagyon fiatalnak kell lennie, a becslések szerint kora 3,5 és 5 millió év közötti.

Fantáziarajz a nagyon fiatal és sűrű Westerlund 1 jelű csillaghalmazban található magnetárról. A figyelemre méltó halmaz több száz nagyon nagy tömegű csillagot tartalmaz, amelyek közül némelyik luminozitása a Napénak milliószorosa. Az új eredmény szerint a rendkívül erős mágneses térrel rendelkező neutroncsillag egy kettős rendszer egyik komponensének maradványa.
[ESO/L. Calçada]

A Westerlund 1 halmazban található a két tucatnyi ismert magnetárból az egyik, a CXOU J164710.2-455216 katalógusjelű, amely sok fejtörést okozott a csillagászoknak. A kutatócsoport vezetője, Simon Clark (The Open University, UK) elmondása szerint egy korábbi vizsgálatukban kimutatták, hogy a Westerlund 1 magnetárja egy körülbelül 40 naptömegnyi csillag szupernóva-robbanásának maradványa. Ez azonban egy további problémát indukált, mégpedig azt, hogy egy ekkora tömegű csillag magjának nem lett volna szabad megállnia a neutroncsillag állapotban, hanem fekete lyukká kellett volna összeroskadnia. Senki sem értette, hogyan válhatott mégis magnetárrá.

Most azonban körvonalazódni látszik a megoldás. Clark és kollégáinak elképzelése szerint két nagyon nagy tömegű csillag kölcsönhatása során keletkezett, melyek egy kettős rendszer tagjai voltak, és olyan közel keringtek egymáshoz, hogy pályáik belefértek volna a Föld Nap körüli pályájába. Ezidáig azonban nem találták a kísérő nyomát a magnetár csillaghalmazbeli pozíciójának környezetében, így a csillagászok a VLT-vel a halmaz többi részét is átfésülték. Olyan ún. szökevény - a halmazt nagy sebességgel elhagyó - csillagok után kutattak, amelyeket a magnetárt létrehozó szupernóva-robbanás dobhatott ki a korábbi pályájukról. A rostán egy objektum, a Cl* Westerlund 1 W 5 (röviden Westerlund 1-5) jelű csillag akadt fenn. A csoport egyik tagja, Ben Ritchie (Open University) szerint azonban nem csak a nagy sebessége utal arra, hogy a egy szupernóva-robbanás repítette ki, de kis tömege, nagy luminozitása és szénben gazdag összetétele alapján is lehetetlennek tűnik, hogy egyedi csillagként élte volna életét. Amint ugyanis egy csillag korosodik, a benne zajló termonukleáris reakciók lassan módosítják a kémiai összetételét: a reakciók kiinduló anyagai fogynak, a végtermékek pedig halmozódnak. Kezdetben a csillag hidrogénben és nitrogénben gazdag, és csak nagyon kevés szén van benne, ez utóbbi mennyiségének a növekedése csak a csillag életének végső fázisaiban gyorsul fel, amikor a hidrogén jelentős része már elfogyott és nitrogénből is kevés van. Lehetetlennek tűnik, hogy egyedülálló csillag anyaga egyszerre tartalmazzon sok hidrogént, nitrogént és szenet is, miként ez a Westerlund 1-5 esetében van.

A Westerlund 1 csillaghalmaz a La Silla csúcson működő MPG/ESO 2,2 méteres teleszkóp WFI (Wide Field Imager) műszerével készült felvételen. Bár a halmaz csillagainak nagy része forró, kék szuperóriás, a felvételen vörös színben ragyognak a közöttünk elhelyezkedő intersztelláris por és gáz hatása miatt. Az új eredmény szerint a magnetár egy kettős rendszer egyik tagjának szupernóva-robbanás utáni maradványa. A kataklizma által kidobott másik komponens (Wd1-5) óriási sebességgel mozogva már a halmaz másik részében, szülőhelyétől távol jár.
[ESO]

A kettősség feltételezése lehetővé teszi a fekete lyuk helyett magnetár kialakulásához vezető folyamat rekonstruálását is. Ennek első szakaszában a páros nagyobb tömegű tagja kezd kifogyni a nukleáris üzemanyagából, miközben külső rétegeinek anyagát elszippantja a kísérő - amelyből később majd a magnetár lesz -, emiatt az egyre gyorsabban kezd forogni. A nagyon gyors forgásnak pedig alapvető szerepe lehet a magnetár ultraerős mágneses terének kialakulásában. A második szakaszban az anyagátadás következtében a kísérő maga is olyan nagy tömegűvé válik, hogy szintén jelentős mennyiségű anyagot veszít. Ennek egy kisebb része visszajut a másik csillagra - amit ma Westerlund 1-5 néven látunk ragyogni -, nagy része azonban végleg elhagyja a rendszert. A csoport egy másik tagja, Francisco Najarro (Centro de Astrobiología, Spain) szerint egyrészt a tömegcsere-folyamat következtében alakulhatott ki a Westerlund 1-5 egyedi kémiai összetétele, másrészt a második anyagátadás annyira csökkentette kísérőjének a tömegét, hogy annak magjából a szupernóva-robbanás után végül nem fekete lyuk, hanem neutroncsillag keletkezett.

Úgy tűnik tehát, egy magnetár létrejöttében alapvető szerepet játszik az, hogy szülőcsillaga kettős rendszer tagja volt. A két csillag közötti tömegátadás által okozott felgyorsult tengelyforgás szükséges a rendkívül erős mágneses tér létrehozásához, egy második, de fordított irányú folyamat pedig abban segíthet a magnetár szülőcsillagának, hogy megszabaduljon a felesleges tömegtől, amelynek birtokában halálának pillanatában nem neutroncsillaggá, hanem fekete lyukká roskadna össze a magja.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astronomy & Astrophysics c. folyóiratban fog megjelenni.

Forrás:

• eso1415 - Science Release