A II-es típusú szupernóva-robbanások az Univerzum egyik leglátványosabb eseményei: a robbanás fénye meghaladhatja a csillag szülőgalaxisának fényét, a benne keletkezett energia több, mint amit a Nap egész életében kisugároz, a hátrahagyott maradványégitestek (neutroncsillagok, fekete lyukak) a hivatásos, míg a ledobott, fodrozódó gázburok az amatőr csillagászok kedvelt célpontjai.
Ezeket a robbanásokat a kollapszár szupernóvák közé soroljuk, mivel létrejöttükhöz a csillag magjának gravitációs összeesése (idegen eredetű szóval: kollapszusa, innen a kollapszár elnevezés) szükséges. Ez akkor következhet be, ha a csillag kellően nagy, legalább 8-10-szer nagyobb tömegű, mint a mi Napunk. Ekkor ugyanis a magjában a hőmérséklet elérheti a héliumnál nehezebb elemek fuzionálásához szükséges határértékeket. Minden új elem fúziójának beindulásával egy, az előzőeknél forróbb réteg képződik a csillag belsejében, melyben tovább folytatódik a fúzió. Ennek következtében a csillag egymást körülvevő gömbhéjakból fog állni. Az egymásra rétegződött héjakban zajlanak a különböző elemek fúziós folyamatai. Minden fúziós szakasz rövidebb az előzőnél: míg a hidrogénkészlet évmilliókig elégséges, a vasmag kialakulása szilíciumból csupán egynapos folyamat. Ez utóbbi jelenti minden esetben a fúziós lépcsősor végét, mivel a vas kötési energiája a legnagyobb a periódusos rendszer elemei között, így bármilyen fúzió (vagy hasadás, fisszió) energetikailag kedvezőtlen lenne. A nukleáris energiatermelés itt tehát véget ér.
A vasmag addig növekszik, míg eléri az úgynevezett Chandrasekhar-határt (megközelítőleg 1,4 naptömeget), mely felett elkerülhetetlen a gravitációs kollapszus, a csillag magja összeomlik. Amíg ez a visszamaradó maganyag körülbelül 3 naptömegnél (ez az ún. Tolman—Oppenheimer–Volkoff-határ) kisebb, neutroncsillag marad hátra. A csillag külső gázburkát a sűrű, ezért kemény magra hulló anyag visszapattanása által létrehozott lökéshullám dobja le, ez a szupernóva-robbanás.
Minden, 8-10 naptömegnél nagyobb tömegű csillag II-es típusú szupernóva-robbanásban leli halálát. Hogy a robbanás helyén mi marad: csak egy táguló gázfelhő, egy neutroncsillag, esetleg egy fekete lyuk, az a csillag kezdeti tömegétől függ.
Vagy mégsem…?
Amennyiben a neutroncsillag tömege a Tolman–Oppenheimer–Volkoff-határ fölé nő (például a csillag köpenye részecskéinek egy része visszahull a neutroncsillagra, vagy a vasmag valamiképp 1,4 naptömegnél is jóval nehezebb lesz), a csillag fekete lyukká roskad össze. Ha pedig valahogy fekete lyuk jön létre a csillag helyén, a szupernóva-robbanás nem lehetséges, mivel nincs egy tömör mag, amiről a behulló anyag visszapattanhatna! A fekete lyuk előbb-utóbb elnyeli a teljes csillagot, így nem lesz látható a szupernóvákra oly jellemző, erős felfényesedés. Ezek az események tehát sötétben, “csendben” következnek be, így detektálásuk szinte majdnem lehetetlen.
1999-ben Chris L. Freyer szimulációiban azt találta, hogy a 40 naptömegnél is nehezebb csillagok hoznak létre fekete lyukakat szupernóva-robbanás nélkül [1]. Modelljében a neutroncsillag még a robbanás bekövetkezte előtt annyi anyagot nyel el a külső rétegekből, hogy fekete lyukká omlik össze. Az így keletkezett objektum tömege nagyságrendileg meg fog egyezni szülőcsillaga tömegével, így tehát nagy, de még mindig csillagtömegű fekete lyukak keletkezhetnek. Közvetlen megfigyelése egyedül akkor lehetséges, ha a csillag gyorsan forog – ez viszont a perdületmegmaradás következtében nem is olyan szigorú kritérium. Ekkor ugyanis a körülötte lévő anyag korongot formál, és amint ez a nagy energiájú anyag a csillagra esik, gammakitöréseket hozhat létre [2], amiket a Földről is megfigyelhetünk szerencsés esetben.
Ezt ígérte tehát az elmélet. Helyességét mára két közvetett megfigyelés is bizonyítani látszik.
Egy francia kutatócsoport 2003-ban a Cyg X-1 röntgenforrást [3] vizsgálta, mely egy 10 naptömegű fekete lyuk. Egy kettős rendszer része, megfigyelése a kísérőcsillagról leszakított és a fekete lyuk körüli pályára állt forró gáz rádió- és röntgensugárzása alapján lehetséges. A Cyg X-1 egy fiatal, O és B színképtípusú, nagy tömegű csillagokból álló asszociáció része. Ezen csillagok hasonló sebességgel és irányba haladnak a Galaxis mélyén, mivel ugyanabból a molekulafelhőből, azonos időben születtek.
A Cyg X-1, amennyiben kialakulását szupernóva-robbanás előzte meg, a robbanás révén nagy sebességre kellett volna szert tegyen. Ugyanis az átlagos szupernóva-robbanás erősen aszimmetrikus, a lendületmegmaradás következtében pedig a visszamaradó neutroncsillag vagy fekete lyuk sebessége, haladási iránya megváltozik. Ezeket a jelenségeket azonban nem lehet megfigyelni a Cyg X-1 esetében. A röntgenforrás ugyanabba az irányba halad, mint a Cyg OB3 asszociáció többi tagja, és sebessége sem különbözik szignifikánsan az itt található társaihoz viszonyítva [4]. A Cyg X-1 esetében a szülőcsillag tömegét 40 naptömegre teszik, ami jó egyezésben van a korábban Fryer által megállapított határértékkel, mely tömeg felett valószínűsíthető a szupernóva nélküli összeomlás.
Egy másik, 2021-ben végzett kutatás az Arp 299-es jelű galaxispárost vizsgálta. [5] A két galaxist éppen összeütközés közben figyelhetjük meg. Az efféle ütköző galaxisok pedig szupernóvák melegágyai, mivel a kölcsönhatás során sok nagy tömegű – és így rövid életű – csillag jön létre. A temérdek II-es típusú szupernóva mindegyikében a felszabaduló energiák oly mértéket öltenek, hogy a szétrepülő csillaganyagban a vasnál nehezebb elemek fúziója is lehetségessé válik. A kutatócsoport a magnézium, neon és a vas oxigénhez viszonyított előfordulási arányát vizsgálta az Arp 299-ben.
Eredményeik azt mutatták, hogy míg az első két elem gyakorisága hasonló, addig a vas aránya jelentősen kisebb a Napban megfigyelhető arányokhoz képest. Annak ellenére, hogy az Univerzum legjelentősebb vasforrásai a II-es típusú szupernóvák. Az észlelésekkel a kutatók akkor tudtak csak összhangba kerülni, ha a modellben nem számoltak 27 naptömegnél nehezebb csillagok által előidézett szupernóvákkal. Azaz, ha a 27 naptömegnél nagyobb tömegű csillagok valóban fekete lyukakká roppannak össze felrobbanás helyett, így nem szórják szét vaskészletüket az űrben, a modell és az észlelés ugyanazt a gyakoriságot adja vasra is. A 27 naptömeg azonban jócskán elmarad az elmélet által jósolt 40 naptömeges felső korláttól.
Mindkét észlelésből adódik tehát, hogy a II-es típusú szupernóva-robbanásoknak nem csak alsó, hanem felső tömeghatára is létezik. Hogy ez a 40, vagy 27 naptömeghez van közelebb, azt további közvetett (esetleges hatalmas szerencsével közvetlen) észleléseknek, illetve pontosabb modelleknek kell bizonyítania.
Források:
[1] https://iopscience.iop.org/article/10.1086/307647/pdf (Ingyenesen elérhető)
[2] https://iopscience.iop.org/article/10.1086/307790/pdf (Ingyenesen elérhető)
[3] https://hu.wikipedia.org/wiki/Cygnus_X-1
[4] https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.1083451, népszerű kivonata: https://www.science.org/content/article/silent-black-hole
[5] https://arxiv.org/abs/2107.14500 (Ingyenesen elérhető), népszerű kivonata: https://phys.org/news/2021-09-heavier-stars-supernovae-quietly-implode.html)
Köszönet illeti Dr. Vinkó Józsefet az informatív beszélgetésért!
További fekete lyukas olvasnivalók a VCSE honlapon:
http://vcse.hu/az-m87-beli-kozponti-fekete-lyuk-az-event-horizon-telescope-pal-csizmadia-szilard/
http://vcse.hu/a-fekete-lyukak-nevenek-eredetetol-az-esemenyhorizont-tavcsoig-csizmadia-szilard/
http://vcse.hu/mai-kep-fekete-lyukak-csizmadia-szilard/
http://vcse.hu/most-a-legfenyesebb-a-bl-lacertae-nevu-blazar-2020-marciusaban-csizmadia-szilard/
http://vcse.hu/extragalaxisok-magneses-tere-csizmadia-szilard/
