Csillagvizsgáló

Szuper korán észlelt szupernóva

2018. március 04. - PFreddy

A szupernóvák, azaz a felrobbanó csillagok az Univerzum legenergikusabb eseményei közé tartoznak; rövid életű tündöklésük során még az otthonokul szolgáló galaxisokat is képesek túlragyogni. Extrém fényességük miatt pedig nem csak kozmikus szomszédságunkban, hanem akár kozmológiai skálákon is tudjuk őket észlelni, segítségükkel pedig mérhetővé váltak a milliárd-fényéves távolságok. Mivel a szupernóva gyakorlatilag a semmiből bukkan elő, az eredete szempontjából kritikus első óráit nem igazán sikerült még elcsípni – egészen mostanáig. Egy amatőrcsillagász ugyanis jókor nézett jó irányba és minden eddiginél korábban sikerült észlelnie egy robbanást, amely hatalmas eredmény és megerősítés az elméleti modellek számára.

os-stellar-encore-dying-star-keeps-coming-back-big-time-20171108.jpgHatalmas robbanás, óriási fényesség, szétrepülő gázburok - egy szupernóva művészi elképzelése. (Forrás: M. Kornmesser/ESO)

Az egész 1572-ben kezdődött (najó, valójában sokkal korábban, de a kínaiakat sokáig senki sem kérdezte), amikor Tycho Brache dán csillagász új fénypontot pillantott meg a jól ismert égbolton (oké, megint csak, valószínűleg nem ő látta meg először, de ő vette a fáradtságot és lejegyezte). A stella nova, azaz új csillag több éjszakán keresztül is szabad szemmel látható volt, majd lassacskán elhalványult. A felfedezés jókora tőrdöfést jelentett az arisztotelészi tanok örökké változatlan Univerzum-képébe, hiszen ezek szerint az égi szférák mégis csak mutatnak változásokat. Nem sokkal később a kor másik nagy csillagásza, Johannes Kepler is felfedezett egy vendégcsillagot, ami azt mutatta, bármi is okozza az ideiglenes felfényesedéseket, nem is olyan ritka jelenség. Aztán… évszázadokig semmi. Legalábbis semmi ezekhez fogható.

tycho3-401x590.jpgTycho Brache "felfedezi" az 1572-es szupernóvát, melynek mai, jóval halványabb állapota látható a röntgen-, optikai- és infravörös felvételek kompozitjából álló jobb oldali képen. (Forrás: Camille Flammarion: Astronomie Populaire & NASA/ MPIA, Calar AltoO. Krause et al.)

A távcsövek és a megfigyelési technológiák fejlődésének köszönhetően a 20. században újra fedeztek fel szupernóvákat, manapság pedig már tömegesen, évente néhány ezret. Ezek azonban kivétel nélkül más galaxisokban jelentek meg, túl messze tőlünk, hogy szabad szemmel is megpillanthassuk őket. A megfigyelési adatokra és az elméleti modellekre alapozva már tudjuk, hogy a szupernóvák valójában felrobbanó csillagok. Az 1572-es és 1604-es események különlegességét az adta, hogy relatíve közel, a mi Tejútrendszerünkben történtek a robbanások, ezért sokkal fényesebbnek látszottak. A több, mint négyszáz éves szünet pedig nem azt jelenti, hogy a galaxisunkban már nincsenek szupernóvák, csak valószínűleg ezek a Tejútrendszer számunkra láthatatlan régióiában történtek az utóbbi időben (pech).

giphy.gifSajnos (illetve a földi élet szempontjából szerencsére) ilyen jól még nem figyelhettünk meg szupernóvát.

A szupernóváknak két, eredetüket tekintve teljesen különböző csoportja létezik. Az Ia (ejtsd: egy-a) típusúak szülőobjektuma egy maradványcsillag, ún. fehér törpe (ilyenné fog válni a Nap is öt milliárd év múlva), amely csaknem tisztán oxigénből és szénből álló, a Földünknél alig nagyobb golyóbis. Ezek az objektumok már nem termelnek fúziós energiát, ha viszont a társcsillaguktól képesek anyagot elszívni és átlépnek egy bizonyos tömeghatárt, akkor elszabadul a pokol, a beinduló, majd megszaladó szén- és- oxigénfúzió szétveti a csillagot (a Napunk tehát nem fog felrobbanni, mivel nincs társcsillaga). Az Ia típusú szupernóvák tehát hasonló objektumok, hasonló tömegnél történő hasonló robbanásai, amelyek következésképpen hasonlóan fényesek is. Ezt használják ki a kozmológusok, hogy több milliárd fényévre lévő galaxisok távolságát kimérhessék és ezáltal sikerült kimutatni az Univerzum gyorsuló tágulását is.

accretion_disk_binary_system.jpgA fehér törpecsillag (jobbra, az örvény közepén) hiába kisebb, nagyobb gravitációs potenciálja miatt el tudja szívni a közelben lévő társcsillagának külső, lazábban kötött rétegeit. Az így nyert tömeggel kerülhet robbanás közeli állapotba. (Forrás: NASA)

A másik típusú, az ún. II-es szupernóvák, nagy tömegű csillagokból születnek, amelyek életük végéhez közeledve felhasználják előbb a hidrogén, majd a hélium készletüket is. A csillag magjában végbemenő fúzió egyre nagyobb tömegszámú kémiai elemeken zajlik le, amelyek egyre kevesebb energiát termelnek. Ha pedig csökken a kifelé tartó energia (és ezzel a sugárnyomás), az egyre kevésbé tud ellent tartani a csillagot összehúzó gravitációnak. A vas-nikkel mag kialakulása az utolsó szög a koporsóban, ezen atommagok fúziója már nem termel energiát: a gravitáció győz, a csillag pedig összeroskad. A legbelső régióban viszont olyan óriásivá válik a nyomás, hogy minden neutronná alakul, az elfajult neutrongáz nyomása pedig megállítja az összeomlást. Olyannyira, hogy a külső, bezuhanó rétegek gyakorlatilag visszapattannak a neutronmagról, a kifelé induló lökéshullám pedig újabb fúziókat indít be a hagymaszerkezetű csillagburokban (lásd az ábrán). A termelődő energia és a lökéshullám pedig szétrobbantja a gázrétegeket.

sanakvo-water-cycle-evolved-star.jpgA nagy tömegű csillag magjában hagymahéj-szerkezet alakul ki a különböző elemek fúziója után. A legbelső vasmag fúziója viszont már nem termel energiát, így összeroskad, a hidrogén rétegek pedig befelé zuhannak, amelyet csak a neutroncsillag kialakulása állít meg. Ha az elfajult neutrongáz nyomása sem elegendő, akkor az összeomlás folytatódik és egy fekete lyuk marad vissza a robbanás helyén. (Forrás: Pearson Education)

A megfigyelések már számos aspektusát bizonyították a robbanási modelleknek, ám azt a pillanatot, amikor a lökéshullám felbukkan a felszínen (ez az ún. shock-breakout), még nem sikerült elcsípni. Az ok egészen egyszerű: egyrészt a robbanások döntő többsége túl távoli galaxisban történik, hogy óriástávcsöveken kívül bármi is tetten érhesse őket; másrészt a szupernóva a shock-breakout idején még túl halvány, éppen csak hogy elkezd fényesedni. Az esély tehát kicsi, de nem lehetetlen: ha egy szerencsés megfigyelő éppen a megfelelő pillanatban vizsgál egy közeli galaxist, akár meg is ütheti a főnyereményt. Victor Buso-val, az argentin amatőrcsillagásszal éppen ez a hihetetlen szerencse történt meg.

sntyp.gifTipikus szupernóva fénygörbék, azaz a fényességek időbeli változásai. A vízszintes tengelyen a robbanás óta eltelt napok száma, míg a függőlegesen a másodpercenként kibocsájtott energia látható - a csúcson akár tízmillirdszor is fényesebbek lehetnek a Napunknál.

Az említett úriember még 2016 őszén (na igen, hosszú idő telik el, míg az eredményekből tudományos publikáció születik…) tette a felfedezést, amikor is saját háza tetejére épített obszervatóriumából vette célba az NGC 613 spirálgalaxist. Az objektum közelsége miatt kellően  fényes, spirálkarjai látványosak és az sem volt elhanyagolható, hogy azokban az órákban épp a zenitben (a megfigyelő feje felett) tartózkodott – így nem volt szükség a kupola forgatására és Buso-nak nem kellett a szomszédok morgolódásával számolnia. Terve szerint csak pár szemet gyönyörködtető zsánerképet akart készíteni a a 40 cm-es (nem piskóta) teleszkópjára szerelt CCD kamerával, ennek megfelelően mindössze húsz másodperces expozíciós idejű felvételek sorozatát indította el. A bő másfél órás mérés folyamán az első képek még nem mutattak semmi különlegeset, az idő múlásával azonban egy új, világos pont bukkant fel, amely minden egyes felvétellel egyre fényesebb lett.

buso_animated_400px.gifOtt a szupernóva! (Forrás: V. Buso)

Buso rögvest felismerte, hogy valami érdekeset talált, azzal viszont nem volt tisztában, mennyire rendkívülit, így a méréseket még a hajnal kezdete előtt leállította. Rögvest megpróbált azonban professzionális csillagászokhoz fordulni, akik magyarázatot nyújthattak volna a jelenségre, az éjszaka közepén azonban sokáig senkit sem tudott telefonon elérni. Végül egy ismerős amatőrcsillagász segítségével sikerült megfigyelési figyelmeztetést küldeni a megfelelő csatornákon, a következő éjszakákon pedig elkezdődött az objektum óriásteleszkópokkal és űrtávcsövekkel való nyomon követése, a röngten fotonokról egészen az infravörös tartományig.

star_c_kilpatrickucsantacruzandcarnegieinstitutionforsciencelascampanasobservatorychile_courtesy-copy-900x580.jpgHa valaki esetleg nem szúrta volna ki az előző animáción... a pirossal jelölt kis fehér pötty az (a fenti fényes, beégett csillag a Tejútrendszerben található, csak véletlenül lóg bele a látómezőbe). (Forrás: C. Kilpatrick/Las Campanas Observatory)

Az SN 2016gkg-t érintő mérések közül egyértelműen Buso adatai a legfontosabbak, ugyanis éppen sikerült elcsípnie a közvetlenül a robbanás után bekövetkező és nagyon rövid ideig tartó felfényesedést, amelyet a korábban említett shock-breakout vált ki. Az szupernóva ilyenkor néhány óra alatt több ezerszeresére fényesedik fel, majd halványul vissza, hogy aztán a robbanás során keletkezett radioaktív nikkel bomlása fűtse fel és világítsa meg újra a szétrepülő gázt. A továbbiak pedig már tankönyvi példába illenek: a fénygörbe és színképek elemzéséből megállapították, hogy a szupernóva szülőobjektuma egy eredetileg a Napunknál hússzor nagyobb tömegű csillag volt, amelynek külső gázrétegeit a társcsillagának gravitációja még a robbanás előtt elszívta (az ilyenek az ún. IIb altípusú szuerpnóvák).

paper-figure1.pngAz SN 2016gkg szupernóva fényességváltozása (azaz fénygörbéje), vízszintes tengelyen a robbanás óta eltelt napok száma (természetesen a mi időnk szerint, hiszen a csillag már 67 millió évvel ezelőtt felrobbant). Kékkel láthatóak Buso mérési adatai, feketével az óriástávcsövek megfigyelései, pirossal pedig az elméleti modell. (Forrás: Bersten et al. 2018, Nature)

Az igazán nagy eredmény azonban, hogy a korábbi elméleti számítások jóslatai Buso korai méréseivel is tökéletes összhangban vannak, amely újabb fényes diadal a szupernóvák általánosan elfogadott robbanási modelljei számára (sosem árt a megerősítés). És természetesen a civilben lakatosként dolgozó argentin amatőrcsillagásznak is, aki elmondása szerint élete hobbiját, illetve a rengeteg ráfordított időt és pénzt látja igazolva – ez sem kis eredmény.

2635069w740.jpgA büszke felfedező feleségével és szeretett távcsövével a házi obszervatóriumában. (Forrás: Marcelo Manera, La Nacion)

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr7513713810

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

korxi 2018.03.05. 12:16:22

Tényleg óriási mázli, hogy egy ilyen privát obszervatóriummal rendelkező amatőrcsillagász pont jókor néz jó irányba.

Ha egyébként jól tudom, jelenlegi ismereteink szerint a Betelgeuse pályázik arra legnagyobb eséllyel hogy a Földről is látható szupernova legyen. Lényegében bármikor megtörténhet (megtörténhetett annyi évvel ezelőtt, mint amennyi fényévre van) úgyhogy mindig amikor nézem, arra gondolok hogy na, csináld már.
Ha megtörténne, az szó szerinti értelemben is és átvitt értelemben is nagy durranás lenne, mert bár már megelégednénk azzal is ha csak a felfénylését látnánk egy szupernovának, de itt nem csak a robbanás fénye látszana, hanem már maga a (szupernova-állapot előtti) csillag is a látható égbolt egyik legfényesebb csillaga.

korxi 2018.03.05. 12:44:14

@korxi: Ja tudom hogy a "bármikor" kozmológiai időtávban értendő, benne van a holnap este és az 50 ezer év múlva este is.

PFreddy 2018.03.05. 23:01:22

@korxi: Igen, a Betelgeuse a "leglátványosabb" jelölt. De gyanítom ismert még pár hasonló állapotú csillag ami most ugyan nem szúrja ki az ember szemét, de ha felrobanna, csak lenne egy új csillag az égbolton.

Más tészta, de 1-2 éve jelent meg egy cikk egy szoros kettőscsillag egymásba spirálozódásáról. A modellek exrapolációja azt vetítette elő, hogy 2022-23 környékén összeolvadnak egy szupernóva robbanás keretein belül, a becsült fényesség pedig egy kisebb amatőrtávcsővel is észlelhető lesz. Nyilván a becslést fenntartásokkal kell kezelni, de azért bizonyosan jobban a nyakunkon van, mint a Betelgeuse 50-100 ezer éve.

Tom Taylor 2018.03.05. 23:28:08

"A csillag magjában végbemenő fúzió egyre nagyobb tömegszámú kémiai elemeken zajlik le, amelyek egyre kevesebb energiát termelnek."
Épp ellenkezőleg! Minél nagyobb a tömegszám, annál hevesebb az energiatermelés. Éppen e miatt lesz vörös óriás a fősorozatbeli csillagból, mivel a hevesebb magreakciók miatt a sugárnyomás megnő, a csillag kitágul. Talán arra gondoltál, hogy ezek a megnövekedett energiatermelő ciklusok egyre rövidebb ideig tartanak.

PFreddy 2018.03.06. 00:06:41

@Tom Taylor: "Épp ellenkezőleg! Minél nagyobb a tömegszám, annál hevesebb az energiatermelés. "

Pontosítsunk! A szövegben az 'energiahozam'-ra utaltam energiatermelés címén, mivel csak ez számít a gravitációval való küzdelemben (a neutrínókeltés gyakorlatilag veszteség, hiszen azok nagyrésze ütközés nélkül hagyja el a gázburkot).

Ha szigorúan csak azt nézzük, hogy tömegszámmal hogyan változik a fúzió során termelt energia, akkor sem lehet azt mondani, hogy növekszik. Az oxigén égése szilíciummá pl. kilencegészvalamennyi MeV-t termel, míg két 3He egyesülése a p-p láncban 12,86 MeV-t.

Ahogy az egyre nehezebb elemek kerülnek túlsúlyba a csillag magjában, az energiahozam csökken, a fúziós rátának pedig egyre nagyobbnak kell lennie, hogy fenntarthassa az egyensúlyt. Erre teljesen jól passzol az általad használt "hevesebb" kifejezés.

A vörös óriás kialakulása, a He -> C fúzió kialakulásakor történik, óriássá pedig azért válik, mert a mag körüli H rétegekben is beindul a fúzió. Ez nem a reakciók hevességével függ össze.

károly szántana 2018.03.06. 04:14:52

@korxi: Én azért nem örülnék annyira, ha 500 fényévre tőlünk felrobbanna egy szupernova. És nem csak azért, mert az egyik legkönnyebben felismerhető csillagképet “barmolná el”, hanem elsősorban a sugárzás miatt.

PFreddy 2018.03.06. 10:12:36

@károly szántana: A szupernóvák "halálzónájának" sugarát 50-100 fényévre becsülik.

earthsky.org/astronomy-essentials/supernove-distance

Ebből kifolyólag a 4-500 fényvre lévő Betelgeuse minden szempontból tökéletes lenne.
- megfigyelés az első pillanatoktól kezdve
- hetekig tartó Hold fényességű látványosság
- zéró veszély
- a csillagképben évekig (évtizedekig?) szabad szemmel is látható "pötty"
- kisméretű amatőrtávcsővel is évtizedekig megfigyelhető szupermóva-buborék
- ???
- profit

Dzsordzs Lukász 2018.03.06. 12:51:46

Nem szeretem az ilyen hireket, mert mindig kiderul, hogy amirol beszelnek, nem is most tortent, ha nem tobb szaz, esetleg tobb ezer eve. Szoval jo volna, ha azonnal beszamolnanak rolla, ha tortenik valami, nem csak utolag.

Albert Ejstejn 2018.03.06. 13:34:42

@Tom Taylor: Az atomok a fuzionalaskor alacsonyabb energia alapotba kerulnek, stabilitasra torekednek. A keletkezo nagyobb atom tomege kisebb mint azok az atomok, amibol keletkezett. Ez a tomeg kulonbseg sugarzodik ki. Azert kisebb a tomege, mert alacsonyabb az energiaja, hiszen stabilabb, es a tomeg=energia. A vas nikkel nagysagu atomok energia minimumon vannak, mar nem termelnek energiat. Ezeknel nagyobb atomokhoz, mar energia bevitelre van szukseg.

Albert Ejstejn 2018.03.06. 14:16:41

Csak hogy ne legyen felreertheto. A vas kialakulasakor meg keletkezik fuzios energia, de a vas es nikkel meretu atomok mar csak kulso energia befektetessel tudnak nagyobb atoma fuzionalni, igy persze nincs energia tobblet sem.

Beer Monster 2018.03.07. 11:02:16

A "neutrongáz" egy és ugyanaz, mint a neutroncsillag?

Másrészt a tejútrendszernek vannak számunkra láthatatlan tartományai (a Nap által fél napig kitakart felületet leszámítva)?

Beer Monster 2018.03.07. 11:17:06

Pukkadjatok meg ezzel az eV-tal, amiről a részecskefizikusok familiáján kívül ember nem tudja mennyi. Nem lehetne ezeket mindenki által értelmezhető kJ/mol-ban megadni?

PFreddy 2018.03.07. 11:18:27

@Beer Monster: Az elfajult neutrongáz egy állapot, a neutroncsillag pedig az objektum, amit elfajult neutronok alkotnak. Persze ezek semmiképp sem hasonlatosak az általunk a hétköznapi életben megismert gázrészecskékhez, de valami oknál fogva ez a terminológia ragadt meg.

A 'láthatatlan' talán nem a legpontosabb kifejezés. A por és gázfelhők túl sok fényt nyelnek el, így minnél távolabbra tekintünk a Galaxisunkban, annál kevesebbet látunk. De ez nem egyformán igaz az összes hullámhosszra, rádiótartományban pl. vígan tudjuk vizsgálni a Tejútrendszer központi régióját is.

A szupernóvák elsősorban optikai tartományban fényesek, így statisztikailag teljesen megalapozott a feltételezés, miszerint a közelünkben felrobbanó csillagok jelentős részét nem láthatjuk a portól, míg a több millió fényévekre, de a galaxisuk szélén ücsörgő szupernóvákat viszont igen.

PFreddy 2018.03.07. 11:21:08

@Beer Monster: "Nem lehetne ezeket mindenki által értelmezhető kJ/mol-ban megadni?"

Gyanús vagy te nekem... vegyész esetleg?

Amúgy a csillagászok még megfejelik az egészet, hogy rengeteg cgs-ben számolnak. A Joule-t erg-be még nem nagy művészet átkonvertálni, de amikor jönnek a nagyságrendi számítások, elég fárasztó tud lenni az egész.

Beer Monster 2018.03.07. 23:40:55

@PFreddy: Ezek szerint vannak a térben olyan irányok, amerre optikai tartományban semmit nem látunk? Nyilván akkor ott nemcsak a közeli objektumokat gondolom, hanem a távoliakat pláne nem.

Beer Monster 2018.03.07. 23:41:32

@PFreddy: Namost akkor mennyi egy eV? Még csak nem is találom sehol...

Beer Monster 2018.03.07. 23:44:52

Mekkora távolságban vannak egyébként egymástól a neutronok? Szerkezetileg ezt nem inkább folyadékként kell elképzelni?

PFreddy 2018.03.08. 08:50:54

@Beer Monster: "Ezek szerint vannak a térben olyan irányok, amerre optikai tartományban semmit nem látunk?"

Igen, a Tejútrendszer síkja (az égbolton maga a Tejút), habár a "semmit" erős megállapítása. A por ég gázfelhők ugyanúgy működnek mint a köd az utakon: a távolabbi dolgokat egyre kevésbé látod, de a közeliekkel még nincs probléma. Ha pedig valaki ködlámpát használ (értsd: egy fényes objektumról van szó), akkor azt még távolabbról is ki lehet szúrni. Ezt a köd analógiát bolondítja meg még a hullámhossz függés, vagyis hogy az UV-optikai-infra-mikrohullámú-rádió tartományokat nem egyformán befolyásolja.

PFreddy 2018.03.08. 08:51:29

@Beer Monster: "Namost akkor mennyi egy eV? Még csak nem is találom sehol..."

lmgtfy.com/?q=1+eV+to+Joule

Beer Monster 2018.03.08. 18:46:40

@PFreddy: Oké, de ez így még mindig nem mond sokat. Bár definíció szerint az energia mértékegysége, mégis arra soha nem használják, amennyire látom, mindig energiasűrűséget fejeznek ki vele, pontosabban szólva annak az egyetlen részcskére vett integrálját, egyszóval moláris energiát. Jól számolom, hogy ilyen értelemben 1 eV = 96 kJ/mol ?

PFreddy 2018.03.08. 19:38:04

@Beer Monster: Igen, ha jól számoltam, jól számolod.

Beer Monster 2018.03.08. 20:01:47

@PFreddy: Már érdemes volt felkelni :)
Arra is meg tudod nekem mondani a választ, hogy a neutroncsillagban a neutronok milyen távol helyezkednek el egymástól? Már csak a gáz-analógia miatt is.

PFreddy 2018.03.08. 21:13:26

@Beer Monster: Azt sajnos nem. De ha találok valakit, aki ért hozzá,azt kifaggatom.