Új típusú gammavillanásokat találtak magyar kutatók

A gammakitörések (gamma ray burst, GRB) eredetének és mechanizmusának megfejtéséhez elengedhetetlen a gyors robbanások forrásainak a megtalálása. A holland-olasz Beppo-SAX műholdé volt az első gammakitörés-utófénylés felfedezésének dicsősége. 1997-ben a gammakitörések röntgensugárzásának a forrását sikerült néhány ívperc pontossággal meghatározniuk néhány órával a kitörés után. Az első három azonosított forrás is nagyon messze volt Földünktől, de a negyedik azonosított forrás már túl volt az ismert világegyetem felén.

A következő mérföldkő a gammakitörések kutatásában a Swift műhold 2004. november 20-i fellövése volt. A műholdat kifejezetten arra a célra tervezték, hogy gyorsan ráfordulva a kitörés irányára (a gyorsaságra utal a neve is, ami fecskét jelent), röntgen-, majd optikai tartományban is mérve a sugárzást pontos égi koordinátákat szolgáltasson. A műhold meg is felel a várakozásoknak, hiszen képes egy percen belül a Földre küldeni a megfigyelési adatokat. A gammakitörések távolság-adatainak pedig több mint kétharmadát a Swiftnek köszönhetjük.

A másik fő cél a rövid kitörések forrásainak a megtalálása volt. Ugyanis az 1997 és 2003 között megmért néhány tucat gammakitörés távolsága mind a hosszú kitörésekhez tartozott. Mind osztályozási, mind elméleti kutatási szempontból fontos megvizsgálni, hogy a két kitöréstípus azonos távolságra van-e, illetve hasonló források bocsátják-e ki őket. A Swift e téren is kiválóan vizsgázott, megtalálta a rövid gammavillanások forrásait. Kiderült, hogy forrásaik jóval közelebb vannak hozzánk, mint a hosszú kitörésekéi.

A GRB-k nagy távolságai miatt le kellett vonni a következtetést, miszerint a gammakitöréseket kiváltó folyamatban sokkal rövidebb idő alatt sokkal nagyobb energia szabadul fel, mint amekkorát bármely eddig ismert folyamat megenged. Ha az energia-kibocsátást izotrópnak (térbeli iránytől függetlennek)  feltételezzük, nagyjából azzal egyenértékű, mintha a Nap tömegének jelentős része néhány másodperc alatt szétsugárzódna. Az energia ilyen mértékű felszabadulására két általánosan elfogadott elmélet létezik.

A hosszabb ideig tartó, de lágyabb, azaz az energia nagy részét inkább kisebb energiájú fotonokban kisugárzó kitöréstípust az úgynevezett hipernóva jelenségével magyarázzák. Ha egy legalább negyven naptömegű csillag elégeti nukleáris fűtőanyagát, végül fekete lyukká esik össze. Amennyiben a csillag tengely körüli forgása gyors, a bezuhanó anyag egy akkréciós korongba sűrűsödik össze. Ekkor a csillaganyag jelentős része az egyenlítő síkjában, spirális pályán száguld a középpont felé, ami a hatalmas gravitációs erő következtében egyfajta generátorként működik. Vagyis energiává alakítja az akkréciós korong anyagának egy részét, majd két igen vékony, forgástengely irányú nyalábban (jet) kisugározza azt.

Ezt az elképzelést támasztja alá, hogy a pontosabb megfigyelések szerint az ilyen kitörések a galaxisoknak azon aktív vidékeiről származnak, ahol éppen csillagkeletkezés folyik. Ugyanis itt jönnek létre a nagy tömegű, éppen ezért igen rövid életű csillagok, amelyek halálakor megfigyelhető a jelenség. Egy másik bizonyíték, hogy több ilyen kitörés helyén egyúttal szupernóva-robbanást is észleltek, ennek közepén marad végül a fekete lyuk. Az pedig, hogy a gamma sugárzás csupán két szűk nyalábban indul útjára, jelentősen, akár három nagyságrenddel is lecsökkenti a kitöréshez szükséges energia mennyiségét. Ez persze azt is jelenti, hogy csak akkor vesszük észre a jelenséget, ha a jetek éppen felénk mutatnak.

A rövid, de keményebb kitörések keletkezését neutroncsillag-kettősök összeolvadásával próbálják magyarázni. A neutroncsillag nagy – de az előbb említetteknél kisebb – tömegű csillagok halálakor keletkezik, anyaga sűrűbb, mint bármi másé az univerzumban. A két, egymás körül keringő neutroncsillag az általános relativitáselmélet szerint gravitációs hullámokat sugároz ki, amelynek következtében energiát veszít, és spirális pályán egyre közelebb kerül egymáshoz. Az ütközéskor fekete lyuk keletkezik, ami a keletkezés során relativisztikus sebességgel jeteket bocsát ki. Ezek egymással ütközve gamma sugárzást, a környezettel ütközve hosszabb hullámú sugárzást bocsátanak ki. A mérések alapján az ilyen típusú GRB-k általában nem olyan messziről jönnek, mint a hosszúak, és keletkezési helyük is változatosabb. Az egyik probléma ezen elgondolással nem az, hogyan tud néhány tizedmásodperc alatt ennyi energiát kibocsátani a rendszer, hanem az, hogy miért nem rövidebb idő (ezredmásodpercek) alatt történik a kisugárzás.

Magyar kutatók egy friss tanulmányukban tovább növelték a gammakitörések rejtélyeit. A Swift műhold első négy évének megfigyelési adatait feldolgozva kimutatták, hogy a fent említett két kitörés csoporton kívül (rövid és hosszú időtartamú kitörések) létezik egy harmadik, közepes hosszúságú GRB-fajta is. Ezek tipikusan 2-15 másodperc hosszúságúak (az eredményeket részletező cikk itt érhető el).

A rövid kitörések úgynevezett kemény kitörések, tehát viszonylag több energiát sugároznak ki a nagyon nagy energiájú gamma-tartományban. A hipernóvák által okozott hosszú időtartamú kitörések (tipikusan 20-80 másodpercig tartanak) ezeknél lágyabb spektrummal rendelkeznek, azaz jelentős a kibocsátásuk az erős röntgen és a gyenge gamma-tartományban. Az OTKA által is támogatott kutatók, élükön Horváth Istvánnal (ZMNE, Budapest), azért bizonyosak eredményükben, mert a közepesen hosszú kitörések bizonyulnak a leglágyabbnak.