Csillagvizsgáló

Kozmikus távolságlétra - 5. rész

Szupernóvák, kozmikus helyzetjelző fáklyáink

2021. március 03. - TheAstronomian

A sorozatunk első fejezetében tisztázott alapfogalmak segítségével a második részben majdnem mindent "megmértünk", amit geometriai távolságméréssel lehet; a harmadik felvonásban a távolabb elhelyezkedő egyedi csillagokat is sikerült a fényük segítségével elhelyeznünk a térben, majd legutóbb a halmazokba tömörülő csillagok sokaságát használtuk ki azok távolságának megmérésére. Ebben a részben kilépünk a Tejútrendszerből, és messzi-messzi galaxisokig kalauzoljuk az olvasót, amelyekben időnként felcsillan egy-egy új fénypont. Ezek a fénypontok különböző csillagok megsemmisüléséből (szupernóvákból) erednek, amelyek annyira hatalmas energiák felszabadulásával járnak, hogy akár még sok millió fényéves távolságból is észrevehetőek. Mi pedig igyekszünk, hogy utolsó üzenetük ne legyen hiábavaló, és segítségükkel egy kicsivel többet tudjunk meg az Univerzumról.

041520_mt_supernova_feat-1028x579.jpg

A felrobbanó csillagok egyik típusa a termonukleáris (vagy ahogy a szakirodalom használja őket Ia típusú) szupernóvák, melyeket egy csillagtetem, egy fehér törpe csillag okozhat. Ilyen bolygó méretű, de csillag tömegű égitest marad vissza a Naphoz hasonlóan kis tömegű csillagok élete végén, amikor vörös óriássá tágulásuk során ledobódnak róluk a külső rétegek, és visszamarad egy energiát már nem termelő csupasz csillagmag. Ugyanakkor a csillagok sok esetben nem egyedül élik életüket, és például egy páros egyik tagja még vidáman fénylik, míg a másik már fehér törpévé vált. Ilyenkor fordulhat elő, hogy az amúgy nyugodt csillagmaradvány tömeget vonz magához a társcsillagától. Ilyenkor minden elromlik, és az amúgy különleges fehértörpe-állapot egyensúlya egy bizonyos (~1,44 naptömegnyi, Chandrasekhar-féle) tömeghatár felett megbomlik, és a csillag anyaga a saját gravitációja alatt lassan összehúzódik. Ez a centrumban a hőmérséklet hirtelen és drasztikus emelkedését vonja maga után, ami szinte pillanatok alatt és öngerjesztő módon fúziós folyamatokat indít be. A fehér törpe anyagán végigfutó fúziós hullám hatására óriási energiák szabadulnak fel, amelyek szétvetik a csillagot, ezt pedig mi szupernóva-robbanásként tapasztaljuk meg

sn_1a.jpgHiába kisebb a fehér törpe, kompaktságából fakadóan a gravitációs tere anyagot tud elszipkázni a nagy méretű társcsillagának kevésbé kötött külső rétegeiből.

 

Egészen a huszadik század végéig uralkodott az elképzelés, hogy a termonukleáris szupernóvák mindegyike szinte pontosan ugyanakkora energiával robban fel, hiszen egy jól meghatározott korlátja van a fehér törpék stabilitásának. Azonos energiák esetén pedig az általunk megfigyelhető fényességük mindössze a távolságuk függvénye, így kiválóan alkalmazhatóak standard gyertyaként távolságmérésre. A sokasodó megfigyelési adatokból azonban egy félig-meddig diverz kép rajzolódott ki, ahol a termonukleáris szupernóvák maximum fényessége akár 1-1,5 magnitúdós (2-4-szeres különbség a sugárzás mennyiségében) szórást is jelenthet. A változatosságot az időközben kidolgozott számos robbanási modell párhuzamos létezése magyarázhatja, így például egy fehér törpe nem csak a társcsillagától elszipkázott anyaga révén, de akár egy másik fehér törpével való összeolvadás során is felrobbanhat.

t16_sn_lightcurves.gifA termonukleáris szupernóvák fényváltozásai (az ún. fénygörbék) igen változatosak lehetnek (balra), ám a megfelelő korrekciókkal fedésbe hozhatóak. Innentől kezdve pedig egy adott szupernóva látszó fényességét már csak a távolság befolyásolja.

 

Szerencsére a robbanások körüli változatosság nem mindenre terjed ki, a lezajló fizikai folyamatok ugyanis döntő részt hasonlóak minden konfiguráció esetén. Ennek köszönhető, hogy bár a termonukleáris szupernóvák maximum fényessége nem állandó, de a fényességcsökkenésükkel vett arányuk már igen: a fényesebb szupernóvák lassabban halványulnak el, míg a gyengébb robbanások gyorsan eltűnnek a szemünk elől. A maximumot követő fényességcsökkenést fotometriai nyomon követéssel könnyű megmérni, abból pedig kiszámítható a robbanás abszolút fényessége. És ebből már sejthetjük, hogy a távolságmérési eljárás itt sem más, mint a többi fotometriai módszernél: a mért és modellekből származó abszolút fényesség különbségéből a szokásos módon számítható ki a távolság.

 

Ezt a módszert alkalmazták azon kutatásokban is, amelyek során az Univerzum tágulásának gyorsuló tendenciájára derítettek fényt. Ebben több tucat szupernóva távolsága mellett a "távolodási" sebességüket mérték meg nagy pontossággal a színképvonalaik Doppler-eltolódásából. A két érték egymással szép egyenes arányosságot mutatott, vagyis – ahogy erre már Edwin Hubble is rájött minél távolabbra néztünk, annál nagyobb sebességgel láttuk távolodni a szupernóvákat és egyben szülőgalaxisukat. Csakhogy az igazán nagy távolságok esetében a mérésekből származó adatpontok kezdtek eltérni az elméleti egyenestől: ezek a szupernóvák (most) messzebb vannak, mint ahogy a fényük indulásakor mutatott távolodási sebességük alapján lenniük kéne, következésképp a távolodásuk az idők folyamán gyorsult. Az 1999-ben publikált tanulmány 2011-ben kiérdemelte a fizikai Nobel-díjat.

f3_large.jpgEgy csipetnyi kozmológia: a Hubble-diagram. Vízszintes tengelyen a z-vel jelölt vöröseltolódás (kvázi a távolodási sebesség), függőlegesen pedig a szupernóvák látszó- (m) és abszolút (M) fényességének különbsége (gyakorlatilag az objektumok távolsága). A fekete vonal jelzi azt az Univerzumot, amelyben nem létezik a sötét energia, ettől jól láthatóan eltérnek a távoli szupernóvák adatpontjai a "30% anyag / 70% sötét energia" összetétel felé. Vagyis, a múltban az Univerzum lassabban tágult, mint amit manapság tapasztalunk. (Forrás: Robert Kirshner)

 

A szupernóvák másik ága a kollapszár típusú csillagrobbanások (angol szakterminológia szerint core-collapse supernova). Ezek a nagy kezdeti tömeggel bíró csillagok életének hattyúdalai, amikor a csillagban megszűnik az egyensúlyt fenntartó fúziós energiatermelés, és újra a gravitáció veszi át a hatalmat. Ekkor a csillag magja másodpercek alatt összeomlik egy kompakt objektummá (a kezdeti tömegtől függően neutroncsillaggá vagy fekete lyukká). A csillag bezuhanó külső rétegei e rettenetesen sűrű égitestbe már nem tudnak bepasszírozódni, és kvázi "visszapattannak" arról. Ezt egy kezdetben igen gyorsan (a fénysebesség tizedének nagyságrendjébe eső sebességgel), gömbszerűen növekvő gázburok formájában figyelhetjük meg, amely újabb távolságmérési eszközt, a táguló fotoszféra módszerét kínálja számunkra.

sanakvo-water-cycle-evolved-star_2.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 fotoszférára az a réteg a gázfelhőben, amelynél az anyag átlátszatlanná válik, avagy más szavakkal: ameddig belátunk a csillag mélyére. A fotoszféra definíció szerint fekete test jellegű, vagyis egy olyan ideális égitest hőmérsékleti sugárzását produkálja, amelynek a fényelnyelő képessége minden hullámhosszon 100%-os, tehát bármilyen színű ráeső fényt teljes mértékben el tud nyelni. Ez a megállapítás a csillagok belső rétegeire tökéletesen igaz, de jó közelítéssel a szupernóvák esetében is megállja a helyét. A belső rétegekből érkező sugárzás tehát a fotoszféránál a fekete testre jellemző eloszlást, az ún. Planck-görbét követi, ami jelentős könnyebb a szupernóva teljes fényteljesítményének (másodpercenként kisugárzott energiájának) becslésénél.

image005.pngA Planck-görbe mutatja meg egy adott hőmérsékletű fekete test sugárzását a hullámhossz függvényében.

 

A szupernóvából kiinduló és az általunk fényességmérések révén észlelt sugárzás között a szupernóva látszó mérete, az ún. szögátmérő jelenti a kapcsolatot. Emellett a szupernóva színképvonalainak alapos elemzéséből megmérhető a fotoszféra sebessége, vagyis a tágulási sebesség a robbanás óta eltelt idő szorzata adja a fotoszféra valódi méretét. A fényességmérésekből származtatott látszó-, valamint a színképelemzésből következő valódi méret között pedig egyetlen ismeretlen tényező jelenti a kapcsolatot: a távolság. A kollapszár szupernóvák fénye némiképp elmarad ugyan a termonukleáris robbanásokétól (bár ez nem törvényszerű), így a táguló fotoszféra módszere valamivel rövidebb hatótávolságig alkalmazható, de még így is néhány százmillió fényévre lehet "ellátni" vele.

star_c_kilpatrickucsantacruzandcarnegieinstitutionforsciencelascampanasobservatorychile_courtesy-copy-900x580_1.jpgEgy szupernóvából (pirossal jelölve) szinte kivétel nélkül csak egy pötty látszik, a látszó fényességéből azonban következtetni lehet a látszó szögméretére; a tágulási sebesség ismeretében pedig a valódi fizikai mérete is kiszámítható. A kettő hányadosa maga a távolság. (Forrás: C. Kilpatrick/Las Campanas Observatory)

 

A következő rész(ek)ben az eddig még nem tárgyalt, nagy távolságokon működő eljárásokra vetünk pár pillantást, és összegezzük, hogy hogyan is lépkedhetünk végig a kozmikus távolságlétra fokain, hogy egyik módszert a másikra építve a csillagászati objektumok távolságát precízen mérhessük meg még akár kozmológiai skálákon is.

 

Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fictionről egyaránt.

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr8516428390

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.

gigabursch 2021.03.13. 21:05:31

Ez érdekes volt.
Nem mondom, hogy mi sem szavát értem, de úgy összességében "átjött".
süti beállítások módosítása