Egy véletlen felfedezés, majd csillagászati műholdak sorának munkája nyomán a szemünk láttára bontakozott ki a Világegyetem legnagyobb energiájú eseményeinek képe.
Fél évszázada, 1973. június 1-jén rejtélyes jelenséget fedeztek fel a csillagászok, amelyet gamma-kitörésnek vagy gamma-viharnak neveztek el, vagy angol megnevezése (gamma-ray burst) rövidítésével egyszerűen csak GRB-nek. Ma már a műholdaknak, például a Swift és a Fermi gamma-távcsöveknek köszönhetően átlagosan naponta fedeznek fel egy-egy újabb GRB-t. A csillagászok jelenlegi elképzelése szerint a kitörések olyan katasztrofális eseményekről adnak hírt, amelyek során egy távoli galaxisban új fekete lyuk keletkezik.
A GRB-k szinte minden tulajdonsága különleges, extrém. Távoli galaxisokban villannak fel, az eddigi legközelebbinek is 100 millió fényévnél nagyobb a távolsága. A kitörés kezdetén a legnagyobb energiájú elektromágneses sugárzás, a gamma-sugárzás tartományában bocsát ki egy impulzust, amelynek hossza néhány ezredmásodperc és néhány perc közötti. A sugárzást közel fénysebességgel mozgó részecskék pontosan felénk tartó nyalábja bocsátja ki; minél pontosabban látunk be a nyaláb mélyére, annál fényesebbnek észleljük a kitörést. A rohamszerű emissziót halványodó utófénylés követi, amelyet az elektromágneses spektrum alacsonyabb energiájú tartományaiban – egészen a rádiótartományig – néhány órától néhány hónapig tartó időskálán tudnak követni a csillagászok. A GRB-k azonban még fél évszázad elteltével is tartogatnak meglepetéseket, a közelmúlt egyik kitörése például olyan fényes volt, hogy átmenetileg megvakította a világűrben dolgozó detektorokat. A hét percig tartó kitörésre a BOAT rövidítéssel hivatkoznak, ami a „minden idők legfényesebb” (brightest of all times) eseményének rövidítése. A szakemberek véleménye szerint ez lehetett az elmúlt tízezer év legfényesebb GRB-je.
A Hubble-űrtávcső Wide Field Camera-3 (WFC-3) műszerével készített felvétele az eddigi legfényesebb (BOAT) GRB infravörös utófényléséről (a kép közepén, lilával bekarikázva) és a kitörésnek otthont adó, csaknem pontosan éléről látszó galaxisról. A kitörés mintegy kétmilliárd fényév távolságban történt. (Kép: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University); képfeldolgozás: Gladys Kober)
A GRB-k története tulajdonképpen 1963 októberében kezdődött, amikor életbe lépett az USA, az Egyesült Királyság és a Szovjetunió által megkötött egyezmény a légköri, víz alatti és a világűrben végrehajtott atomfegyver-kísérletek betiltásáról (Test Ban Treaty, közismert magyar elvezésével a nemzetközi atomcsendegyezmény). Az egyezmény betartásának ellenőrzése érdekében az Egyesült Államok Légiereje nem titkos kutatás-fejlesztésbe kezdett azzal a céllal, hogy olyan eszközöket hozzanak létre, amelyekkel a világűrből észlelni lehet a nukleáris robbantásokat. Egy héttel az egyezmény hatályba lépése után pályára állították az első két Vela műholdat (amelyek neve spanyolul megfigyelést jelent). A páronként felbocsátott Vela műholdak detektorai észlelni voltak képesek a nukleáris robbanás pillanatában felszabaduló röntgen- és gamma-villanást. A detektorok azonban nem nukleáris robbanásból származó jeleket is észleltek, amelyeket tudósok kezdtek vizsgálni. A Vela–5 és –6 műholdakon működő, továbbfejlesztett műszerekkel Ray Klebesadel és munkatársai (Los Alamos Nemzeti Laboratórium) 1969 júliusa és 1972 júliusa között 16 olyan gamma-eseményt azonosítottak a 0,2–1,5 MeV energiatartományban, amelyeknél ki tudták zárni, hogy forrásuk a Föld vagy a Nap lehet. A felfedezést bejelentő cikkük 1973. június 1-én jelent meg az Astrophysical Journal folyóiratban. Hamarosan a NASA Goddard Űrközpont munkatársai az IMP–6 műhold megfigyelései alapján megerősítették a felfedezést.
A Vela–5B műhold Föld körüli pályán. (Fantáziarajz: Los Alamos National Laboratory)
A jelenség magyarázatát nehezítette, hogy gamma-sugárzás alig fókuszálható, ezért nem tudták a források helyét kellő pontossággal azonosítani ahhoz, hogy földi távcsövekkel optikai megfelelőiket meg lehessen keresni. A NASA 1991-ben indította a „Nagy obszervatóriumok” sorozatba tartozó Compton-űrtávcsövet (CGRO, Compton Gamma Ray Observatory), amelynek a Marshall Űrközpontban fejlesztett BATSE (Burst and Transient Science Experiment) műszerét kifejezetten a GRB-k vizsgálatára szánták. A BATSE mintegy tízszer érzékenyebb volt a korábbi detektoroknál, aminek köszönhetően a CGRO kilenc éves működési ideje alatt 2704 villanást fedeztek fel. Már az első év megfigyelései alapján kimutatták, hogy a GRB-k eloszlása egyenletes az egész égbolton (vagyis nem koncentrálódnak a Tejútrendszer fősíkjába), ami extragalaktikus eredetüket bizonyította, következésképp nyilvánvalóvá tette, hogy rendkívül nagy mennyiségű energia felszabadulásával járó folyamat lehet a villanások forrása.
A NASA Compton Gammacsillagászati Obszervatóriuma, amint 1991. április 7-én az Atlantis űrrepülőgép pályára állítja. A Compton GRO küldetése 2000 júniusáig tartott. (Kép: NASA / Ken Cameron)
A BATSE észlelései alapján azt is sikerült megállapítani, hogy a kitörés hossza alapján két csoportba sorolhatók, továbbá a két másodpercnél rövidebb GRB-k során nagyobb energiájú gamma-sugárzás keletkezik, mint a két másodpercnél hosszabbak esetében. Nem sokkal később az elméleti kutatók a hosszú GRB-ket nagy tömegű csillagok összeomlásával, a rövideket pedig kettős neutroncsillagok összeolvadásával azonosították.
A GRB-k vizsgálatában a következő lépést az olasz–holland BeppoSAX műhold jelentette. Bár nem kifejezetten a GRB-k kutatására szánták, mégis műszerei együttműködésével sikerült a korábbinál pontosabban lokalizálni a megfigyelt forrásokat, aminek köszönhetően felfedezték a röntgentartományban megfigyelhető utófénylést, majd földi távcsövekkel az optikai és a rádiótartományban látható utófénylést. Így váltak lehetővé az első távolságmérések, megerősítve, hogy a villanásokat kiváltó események valóban nagyon nagy távolságban történnek.
A NASA Swift műholdja működés közben. (Fantáziarajz: NASA’s Goddard Space Flight Center / Chris Smith (KBRwyle))
A NASA 2000-ben indította a HETE–2 műholdat, amelynek fő célja a GRB-k észlelése és lokalizálása volt. A HETE–2 néhányszor tíz másodperc alatt meghatározta az észlelt források pontos pozícióját, így a földi obszervatóriumok az utófénylés korai szakaszát is képesek voltak megfigyelni. A 2003. március 29-én megfigyelt villanás nyomán a szupernóva-robbanásokra jellemző paramétereket mértek, megerősítve a sejtést, miszerint a két jelenség között kapcsolat lehet. Amihez a BeppoSAX-nak órákra volt szüksége, azt a NASA 2004-ben indított Neil Gehrels Swift Observatory műholdja egy percen belül megtette, ezért is kapta a „swift” (gyors) nevet. A két küldetés megerősítette, hogy a hosszú villanások a galaxisok csillagkeletkezési régióihoz kapcsolódnak, és a jelenséget gyakran szupernóva-villanás kíséri.
A csillagászok szerint a hosszú GRB-k forrásai a nagy tömegű, fekete lyukká összeomló csillagok. A fantáziarajzon az látható, amint a fekete lyukba hulló anyag energiája által felgyorsított részecskenyalábok közel fénysebességgel két, egymással ellentétes irányban kilövellnek a pusztuló csillagból. A GRB akkor észlelhető, ha a két nyaláb egyike pontosan a Föld felé mutat. (Fantáziarajz: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)
Ugyanakkor 2005 májusában a Swift meghatározta egy rövid villanás helyét, ami távol esett a csillagkeletkezési területektől, megerősítve, hogy a rövid GRB-k esetében neutroncsillagok egyesülése lehet a felszabaduló hatalmas energiamennyiség forrása. 2008-ban csatlakozott a műholdflottához a NASA Fermi-űrtávcsöve (Fermi Gamma-ray Space Telescope), amely eddig 3500 GRB-t fedezett fel.
A neutroncsillagok összeolvadása során keletkező gravitációs hullámokat szemléltető fantáziarajz. Az esemény során közel fénysebességgel haladó részecskenyalábok is kidobódtak, amelyek gamma-sugárzást bocsátottak ki. 2017-ben először sikerült ugyanabból az eseményből származó, mindkét típusú sugárzást, a gravitációs hullámokat és a gamma-sugárzást észlelni. (Fantáziarajz: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)
A következő jelentős előrelépés 2017-ben történt, amikor a Fermi-űrtávcső és az európai INTEGRAL műhold megfigyelése alapján egy rövid GRB-t az akkor megfigyelt gravitációs hullámokkal sikerült azonosítani, amelyek forrása bizonyíthatóan neutroncsillagok egyesülése volt. Ez az első, és eddig az egyetlen ilyen megfigyelés, de a csillagászok remélik, hogy a gravitációshullám-obszervatóriumok érzékenységének fejlődésével újabbakra is sor kerülhet. Eközben számos újabb, a GRB-ket megfigyelő műhold készül. A kutatók remélik, hogy ezeknek köszönhetően a GRB-ket egészen a Világegyetem mintegy 10 milliárd évvel ezelőtti, legintenzívebb csillagkeletkezési időszakáig követni tudják.
Kapcsolódó cikkek: Kapcsolódó linkek:
GRB 221009A, magyar műholddal
Gyorsan elrepült a Swift első tíz éve
Gamma-villanás a „világ végéről”
Gamma-kitörések a világegyetemben a felfedezéstől napjainkig (1. rész)
Gamma-kitörések a világegyetemben a felfedezéstől napjainkig (2. rész)
Gamma-kitörések a világegyetemben a felfedezéstől napjainkig (3. rész)
Gamma-kitörések a világegyetemben a felfedezéstől napjainkig (4. rész)
A gamma-kitörések ötven éve (NASA)
Kína 2026-ra szeretné megvalósítani az ötletet, új ablakot nyitva a világegyetemre.
