Összeolvadó neutroncsillagok és fekete lyukak? A gravitációs hullámok detektálására épült LIGO negatív mérési eredménye megkérdõjelezheti a rövid gammavillanások leginkább elfogadott magyarázatát.
A gammavillanások a Világegyetem leghevesebb és legnagyobb energiát felszabadító folyamatai. A jelenség hossza alapján két fõ típusukat különböztetik meg. A 2 másodpercnél rövidebb események az ún. rövid, míg a 2 másodpercnél tovább tartók az ún. hosszú gammavillanások. A jelenség okai még egyáltalán nem tisztázottak. A hosszú gammavillanások közül egészen z=6,3 vöröseltolódásig sok olyan galaxishoz kapcsolható, melyben heves csillagkeletkezési folyamatok zajlanak, míg néhány közelebbi nagy valószínûséggel szupernóva-robbanásokhoz köthetõ. A rövid gammavillanások okai ennél sokkal bizonytalanabbak. Detektáltak különbözõ típusú és csillagkeletkezési múlttal rendelkezõ galaxisokhoz kapcsolódókat, de találtak már olyat is, melynek forrása a Tejútrendszerben van. A jelenleg leginkább elfogadott magyarázat szerint itt kompakt kettõsök, például két neutroncsillag vagy egy neutroncsillag és egy fekete lyuk összeolvadásáról, illetve a folyamat közben felszabaduló energia pillanatszerû kitörésérõl van szó. Statisztikai vizsgálatok alapján elképzelhetõ az is, hogy a rövid villanások körülbelül hatoda ún. SGR (Soft Gamma-ray Repeater, azaz ismétlõdõ lágyröntgen-kitörõ) lehet, melyek energiája kisebb. Nincs még olyan pozitív észlelés, ami az összeolvadási hipotézist bizonyítaná, viszont van egy negatív, ami akár a cáfolatát is jelentheti.
A LIGO projekt interferométereinek több kilométer hosszú alagútjai madártávlatból a Washington állambeli Hanfordban és a Louisiana állambeli Livingstonban.
A kérdés tisztázásában fontos szerepe lehet a feltételezett összeolvadási folyamat közben gerjesztett, az általános relativitás elmélete által megjósolt gravitációs hullámok detektálásának. Az elképzelések szerint ezeknek a viszonylag jól modelezett amplitúdó- és frekvenciaeloszlású hullámoknak még az összeolvadás elõtt fázisban kell keletkezniük, amikor a komponensek spirális pályán közelednek egymás fele.
A gravitációs hullámok detektálására szolgáló kísérletek több évtizedes múltra tekintenek vissza. Közülük az egyik legújabb a két nagy amerikai egyetem, a Caltech és az MIT által üzemeltetett LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). A világ 12 országából 580 tudóst összefogó projekt fõ interferométerei Hanfordban (USA, Washington állam) és Livingstonban (USA, Louisiana állam) találhatók, de része még a hálózatnak például a németországi Hannover mellett mûködõ GEO600 interferométer is. Az L alakú, több kilométer hosszú, Michelson és Fabry-Perot üzemmódban mûködõ ágakat tartalmazó interferométerek vákuumalagútjaiban osztott lézernyalábok segítségével rendkívül nagy pontossággal tudják mérni az alagútakban elhelyezett tükrök távolságát.
Einstein elmélete szerint a nagytömegû, gyorsuló mozgást végzõ objektumok - esetünkben például az összeolvadás elõtti fázisban lévõ neutroncsillagok - megzavarják a téridõ szerkezetét a környezetükben. Ez a zavar aztán gravitációs hullámok formájában tovaterjed, s közvetítésükkel a kiváltó objektum óriási távolságokban is érezteti hatását, az interferométerekben például olyan módon, hogy a hullámok áthaladásakor kicsit megváltozik a tükrök távolsága. A fénysebességgel terjedõ gravitációs hullámok az alagutak két-két végét körülbelül 10 mikroszekundumos idõkülönbséggel érik el. Háromszögelési módszerrel így a forrás égi pozíciója is meghatározható. A LIGO berendezései olyan érzékenyek, hogy a tükrök távolságában egy proton "átmérõjének" ezred részényit kitevõ változást - ez mindössze 10-18 m! - is képesek kimutatni.
Az ESO VLT távcsõegyüttesével készült felvétel a GRB 070201 katalógusjelû gammavillanás égi környezetérõl. A villanás helyét nyíl mutatja.
[European Southern Observatory]
2007. február 1-jén az IPN (Interplanetary Network) hálózat három, gamma-detektorral felszerelt ûrszondája és a NASA Swift mûholdja is észlelt egy rövid gammavillanást az Andromeda-galaxis irányából. A jelenség az idõpont alapján a GRB 070201 (GRB = Gamma Ray Burst) katalógusjelzést kapta. A jelenség során a Hanfordban található 2 és 4 km-es interferométer (az L két szára) is üzemelt és adatokat gyûjtött, de a mérési eredmények között semmi nyoma az elõbbiek alapján az eseményhez köthetõ gravitációs hullámok hatásának! Ha a villanás az M31 egyik spirálkarjában következett be, akkor semmiképpen nem okozhatta két kompakt objektum összeolvadása, ugyanis az Andromeda-köd 2,5 millió fényéves távolságában lezajló ilyen grandiózus eseményt a LIGO hiperérzékeny detektorai mindenképpen jeleztek volna. A detektálható gravitációs hullámok hiánya persze jelezheti azt is, hogy a gammavillanást kiváltó összeolvadás jóval távolabb következett be, illetve elképzehetõ még az a magyarázat is, hogy az esemény mégiscsak az M31-ben következett be, de "csak" egy SGR-rõl van szó.
A gamma-detektorokkal felszerelt mûholdhálózat méréseinek bizonytalanságából származó hibadoboz keresztezi az M31 egyik spirálkarját, ezért lehetséges, hogy a gammavillanás az Andromeda-galaxisban következett be. A nagy képen a galaxis ultraibolya fotója látható a hibadoboz egy részével, míg a kis inzerten az SDSS képe a teljes hibahatárokkal látható.
[IPN3, SDSS 2007, Thilker és társai]
A kutatásban résztvevõ szakemberek kivétel nélkül egyetértenek abban, hogy ez a negatív eredmény is rendkívül fontos, mivel új szempontokat vethet fel a rövid gammavillanások kutatásában, de talán még ennél is fontosabb, hogy megmutatta a gravitációs hullámok detektálásával foglalkozó fizikusok és az elsõsorban az elektromágneses hullámokat vizsgáló csillagászok közötti gyümölcsözõ együttmûködés lehetõségét. A berendezések továbbfejlesztett változata (Advanced LIGO) körülbelül 1 nagyságrenddel érzékenyebb lesz. Segítségével akár naponta észlelhetõk lesznek gravitációs hullámokat generáló események, így a LIGO egy éves észlelési programja mindössze néhány óra alatt teljesíthetõ vele, jó esélyt teremtve arra, hogy hosszú várakozás után végre minden kétséget kizáró módon detektáljunk egy gravitációs hullámokat keltõ eseményt.