2018. szeptember 9-én egy robotikus távcső szokás szerint az eget pásztázta, amikor egy új csillagot pillantott meg. A következő pár óra során ez a csillag tízszer fényesebbé vált, és egy erre tervezett rendszer világszerte automatikusan riasztotta a csillagászokat. Anna Y. Q. Ho, a Berkeley kutatója, a riasztást kiküldő, szokatlan égi eseményeket detektáló szoftver tervezője éppen az igazak álmát aludta, de más kutatócsoportok gyorsan reagáltak. Tizenkét órán belül elég adatot gyűjtöttek össze ahhoz, hogy megállapítást nyerjen, egy szupernóváról, egy másik galaxis élete végére ért csillagának robbanásáról van szó. És az is kiderült, hogy ez a robbanás igen szokatlan.
Ho és kollégái a világ különböző távcsövei által gyűjtött adatok alapján arra jutottak, hogy a csillaggal a következő történt: az sok millió éves, viszonylag nyugodt működés után egyszer csak ledobta magáról külső rétegeit, két hét múlva felrobbant. A robbanás során kirepülő anyag beleütközött a korábban ledobott rétegekbe, rendkívül erős és szokatlanul fényes felvillanást váltva ki. Mivel a robbanás nagyon távol történt, a fénye csaknem egymilliárd év alatt érte el a Földet. A felfénylés túl halvány volt ahhoz, hogy szabad szemmel észleljék, de elég fényes volt egy sor távcső számára. A szakértők a robbanás előtt két héttel készült felvételeken is sikerrel azonosították a rétegeit éppen levető csillagot, amely ekkor a robbanás során tapasztalt fényesség egy százalékával világított.
Ez az észlelés csak egyike volt az utóbbi években detektált különleges csillaghaláloknak, amelyek egyre inkább azt sugallják, hogy ezek az égitestek nagyon sokféle módon múlhatnak ki.
Egyes esetekben például a csillag maradványa a szupernóva-robbanás után is aktív marad, és relativisztikus sebességgel száguldó anyagsugarakat lövell ki magából. Máskor a csillag utolsó évei során rendszeres robbanásokat produkál, anyaga jelentős részétől szabadulva meg menet közben. Ezek az extrém események viszonylag ritkák, mondja Ho, de az a tény, hogy egyáltalán észlelünk ilyeneket, azt jelzi, hogy még mindig nagyon sok a rejtély a csillagok életével és halálával kapcsolatban.
Ho és kutatócsoportja ezen úgy próbál változtatni, hogy nekiláttak katalógusba gyűjteni a szokatlan csillaghalálokat, és az összegyűlt adatok alapján választ adni az olyan alapvető kérdésekre, mint hogy mi határozza meg egy csillag kimúlásának módját, és hogy miért van az, hogy egyes égitestek halála illeszkedik a hagyományos teóriákba, másoké viszont egyáltalán nem.
Csillag születik
A csillagok születése, élete és halála egymással versengő erők játéka, magyarázza Ho. A csillagok csillagközi hidrogéngázból keletkeznek, amelyet befelé húz és egyre sűrűbbé tesz a gravitáció, túlszárnyalva mágnese mezők és a nagy sebességgel utazó gázrészecskék kifelé irányuló hatását. Ahogy egy ilyen felhő összeomlik, 20 nagyságrenddel sűrűbb lesz, és sok millió fokkal forróbb, mint korábban, így a hidrogénatomok héliummá kezdenek összeállni. Ahogy a fúzió beindul, új csillag születik.
Ez a csillag maga is oda-visszaható erők játszótere. A gravitáció befelé húzza az anyagot, a magfúzió nyomása pedig kifelé nyomja azt. A csillag evolúciója annak hőmérsékletétől függ, ami pedig az össztömeg függvénye. Ha a csillag nehezebb, benne nehezebb elemek jöhetnek létre fúzióval, és gyorsabban fogy ki az üzemanyagból. A legkönnyebb csillagokban a hidrogén héliummá egyesül, és ezen a ponton megáll a folyamat: a Nap immár 4 milliárd éve gyártja a héliumot, és még mindig van hidrogénje.
A legnehezebb csillagok ugyanakkor 10 millió év alatt felélik a magjukat, és közben sokkal többféle elemet állítanak elő: oxigént, szenet, neont, nitrogént, magnéziumot, szilíciumot és akár vasat is.
A csillag tömege arra is befolyással van, hogyan végzi az égitest. A könnyű csillagok (nagyjából nyolc naptömegig), elég békésen fejezik be életüket. Miután felélték hidrogénkészleteiket, ledobják külső rétegeiket, amelyekből gyönyörű csillagköd képződik, a mag pedig fehér törpévé alakul: egy forró, sűrű objektummá, amely feleannyit nyom, mint a Nap, de alig nagyobb a Földnél.
A nehezebb csillagok halála sokkal erőszakosabb, mivel sokkal nagyobb hőmérséklet és nyomás uralkodik a magjukban. Mire elérik a fúziós lánc végét, a mag annyira felhevül, hogy a fuzionált elemek elkezdenek szétesni. Közben pedig, mivel a fúzió leállt, a csillag belső nyomása csökkenni kezd. Innentől a gravitáció irányít, és a mag összeomlik: az ezt alkotó atomok olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy az atommagot összetartó erők kezdenek érvényesülni köztük. A mag így neutroncsillaggá válik, egy olyan egzotikus, sűrű égitestté, amely döntően egymáshoz kapcsolódó neutronokból áll, mintha egy gigantikus atommag lenne. Ha a csillag elég nagy tömegű (több mint 20 naptömegű), a gravitáció a magerőket is túlszárnyalja, és a csillag magja fekete lyukká, egy még sűrűbb objektummá omlik össze.
Akár neutroncsillag, akár fekete lyuk keletkezik, a gravitációs összeomlás nyomán energia szabadul fel, amely nyomán a csillag külső rétegei leválnak. Az így lezajló robbanás során a csillag olyan fényessé válik, hogy pár napig túlszárnyalhatja az otthonául szolgáló galaxis teljes fényességét. Ilyen jelenségeket, úgynevezett szupernóvákat évezredek óta észlel az emberiség.
Tudományos észlelésük során ugyanakkor az egyik legfontosabb kezdőpont Tycho Brahe dán csillagász volt, aki 1572-ben egy új csillagot fedezett fel a Cassiopeia csillagképben. A csillag olyan fényes volt, mint a Vénusz, és hónapokig látszott, mire elhalványult. A robbanás romjait ma SN 1572, avagy Tycho szupernóva-maradványa néven ismerjük.
A hasonló, szabad szemel látható robbanások nagyon ritkák, mivel a Tejútrendszerben vagy annak egyik kísérőgalaxisában kell helyet foglalnia a csillagnak ahhoz, hogy segítség nélkül lássuk kimúlását, mondja Ho. Az utóbbi száz évben viszont a szupernóvaészlelések sokkal rutinszerűbbé váltak, mivel egyre fejlettebb távcsövekkel figyeljük az eget, így egyre távolibb galaxisok csillaghalálainak lehetünk szemtanúi. És egyre több olyan távcső is van, amely automatikusan pásztázza az eget, folyamatos változások után kutatva azon a megszokott állapotokhoz képest.
Így jelenleg már évente több ezer szupernóvát észlelünk.
Relativisztikus nyalábok
Azt, hogy egyes csillagok a korábban leírthoz képest még furcsább módon végzik be, az 1960-as években kezdték sejteni a szakértők. Ekkor fedezték ugyanis fel a gammakitöréseket. Ezek a kutatók szerint a neutroncsillag vagy a fekete lyuk keletkezése után úgy képződnek, hogy egy vékony anyagsugár tör elő a magból. Ha a sugár a Föld felé mutat, annak létét a gammatartományban észlelni tudjuk.
A csillagászok úgy vélik, hogy ilyen nyalábok akkor keletkeznek, ha a csillag magja a gravitációs összeomlás után aktív marad: például a fekete lyuk anyagot nyel el a környező anyagkorongból és energiát bocsát ki menet közben. Vagy a neutroncsillag nagyon gyorsan forog, mágneses mezője viszont lassítja ezt a forgást, így energia szabadul fel, ahogy a csillag lelassul.
Akármi is legyen a helyzet, valamiféle központi motor energiát szabadít fel, mégpedig úgy, hogy a csillag központjából egy rendkívül forró plazmasugár lövell ki.
Ez a nyaláb újabb robbanást indukál, egy úgynevezett széles vonalú Ic típusú szupernóva keletkezik, amely tízszer több energiát szabadít fel, mint a hagyományos szupernóvák. Ráadásul ahogy a plazmanyaláb a környező gázba és porba ütközik, úgynevezett utófényt produkál. Ez 1000-szer fényesebb, mint a tipikus szupernóva-robbanás, viszont pár óra alatt eltűnik, így nehéz észlelni. A legjobb esély erre, ha a gammakitörés után rögtön sikerül a ráállni annak forrására.
Ezek a nyalábok a teoretikusan lehetséges jelenségek határait feszegetik. A kibocsátott fény alapján úgy tűnik, hogy bennük az anyag a fénysebesség 99,995 százalékával mozog, ami hihetetlen, hiszen előtte áthatolt a csillag anyagán. Így ez vagy nem lassította le, vagy már a lelassult sebességet látjuk, akkor viszont érthetetlen, hogy mekkora lehetett az eredeti sebesség. Ho doktori kutatása során azon munkálkodott, hogy kidolgozzon egy módszert a nyalábok utófényének gammakitörés nélküli észlelésére. Ezért írt egy programot, amely a Palomar Obszervatórium egyik robottávcsövét irányítja. A távcső folyamatosan pásztázza az eget, és ha azon szokatlan, fényes pontot érzékel, nagyon gyorsan reagál.
Amikor Ho 2018 májusában előadta ezirányú tervét, témavezetője figyelmeztette, hogy készüljön fel rá, hogy lehet, hogy egyáltalán nem azt fogja megtalálni, amit keres. De ha így lesz, akkor is biztos lesz valami új érdekesség, amin tovább lehet lépni. „Egy hónappal később pontosan ez történt, és két évvel később, amikor végeztem, a kutatásom gyökeresen másként festett, mint amit eredetileg elképzeltem” – mondja a csillagász.
Burkok és fények
Amikor Ho programja a hagyományos szupernóváknál gyorsabb fényességváltozással járó jelenségeket keresett az égbolton. Egy átlagos napon 10–100 gyanús jelöltet talált, amiket aztán a kutató átnézett, és megállapította, hogy egyik sem az, amit keres. Aztán 2018 júniusában az ATLAS nevű robotikus távcső egy furcsa eseményt rögzített. Az AT2018cow néven katalogizált észlelés gyanúsan hasonlított, amit Ho keresett, viszont nem kísérte gammakitörés. Ugyanakkor egy rendkívül fényes eseményről volt szó, amelyet világszerte sokan kezdtek el vizsgálni a teljes elektromágneses spektrumon.
Aztán ahogy összeálltak az adatok, kiderült, hogy az AT2018cow semmilyen ismert csillaghalálra nem hasonlít: mindenki másnak hitte, attól függően, hogy hogyan vizsgálta, mintha több ismert jelenséget gyúrtak volna össze egyetlen egzotikus kozmikus történéssé. Egyrészt a szokásos gammakitörés helyett erős és tartós, hetekig tartó röntgensugárzást érzékeltek a robbanás szívéből, másrészt amikor a csillag felrobbant, azt valamiért már eleve jelentős mennyiségű gáz és por vette körül. Amikor a csillag kidobódó anyaga beleütközött ebbe a burokba, az optikai és a rádiótartományban figyeltek meg felvillanást. Hasonló burkokat másfajta robbanások során is megfigyeltek, és azok kapcsán sem egészen tudni, hogy került oda. Itt felmerült, hogy talán a csillag vetette le külső burkait nem sokkal a robbanás előtt.
Ez érdekes lehetőségnek tűnt, mivel mindezen információk alapján az tűnt a legvalószínűbb feltevésnek, hogy a csillagászok először voltak közvetlenül tanúi egy fekete lyuk vagy egy neutroncsillag keletkezésének.
Míg ugyanis a legtöbb esetben ezeket az objektumokat teljesen elrejti az őket körülvevő anyagfelhő, az AT2018cow esetében úgy tűnt, hogy a röntgensugárzás egyenesen a magból jön, láthatóvá téve annak változásait. Az azonban továbbra is kérdés volt, hogy pontosan milyen objektumról van szó, és az milyen csillag megsemmisülése nyomán keletkezett.
Ennek megfejtéséhez Ho hasonló események után kezdett kutatni. Az első ígéretes jelölt szeptember 9-én akadt horogra. Az SN2018gep első pillantásra nagyon hasonlított az AT2018cow-ra, azonban ahogy bejöttek az adatok, egyre inkább úgy tűnt, hogy egy széles vonalú Ic típusú szupernóváról lehet szó, itt ugyanis volt gammakitörés is. Aztán eltelt öt nap, és továbbra sem találták nyomát a relativisztikus anyagsugárnak. Helyette viszont egy egyre fényesebb sugárzást észleltek a látható tartományban, ami azt jelezte, hogy a robbanás során kidobódott anyag egy korábban is ott lévő burokba ütközik bele.
Ez teljes meglepetés volt, a széles vonalú Ic szupernóvákról ugyanis korábban úgy hitték, hogy ezek nem dobják le külső rétegeiket életük végén, mielőtt felrobbannának. Itt viszont minden jel arra mutatott, hogy ez megtörtént, ráadásul közvetlenül a robbanás előtt, a gázburok ugyanis még nagyon közel volt a robbanáshoz. Úgy tűnt, hogy a csillag utolsó heteiben külső légköre jelentős részét ledobta magáról, mintegy előre jelezve a végjátékot.
Ho kutatása ezen a ponton jelentős fordulatot vett: a gammakitörések és a relativisztikus nyalábok mellett azt is vizsgálni kezdte, hogy milyen jelei lehetnek egy csillag közeli halálának. Amit az eddigiek alapján a vártnál gyakrabban előz meg a légkör ledobása.
Utófények és a jövő
A kutatás eredeti célját, egy gammakitörés utófényét végül 2020. január 28-án észlelte először a szakértő. Ennek tényét rögtön több nagy távcsővel is sikerült megerősíteni, és az összegyűjtött sok adatnak köszönhetően a forrás távolságát is meg tudta állapítani:
az utófény fotonjai 11,4 milliárd fényév távolságból indultak a Föld felé, az univerzum 2,3 milliárd éves korában. Az egykori kitörés helye ma az univerzum tágulása miatt 21 milliárd fényévre van tőlünk.
Az első sikeres utófény-észlelés után pár hónappal egy másodikat is sikerült detektálni, ami óriási teljesítménynövekedést jelentett a hasonló események korábbi észlelési gyakoriságához képest. Úgy tűnik tehát, hogy az új stratégia működik, és remélhetőleg, ahogy tovább finomodik a módszer, a jövőben egyre gyakrabban találnak majd hasonló eseményeket a kutatók. Arra ugyanis, hogy mi áll a furcsa csillaghalálok mögött, hogy mennyire gyakori ezt megelőző a légkör ledobása, és hogy milyen események jelezhetik előre a véget, még Ho sem tudja a pontos választ.
Viszont az AT2018cow detektálása óta az egzotikus csillagvégek általa bővített katalógusa egyre gazdagabb. Ebben több szokatlan anatómiájú széles vonalú Ic típusú szupernóva is szerepel, még egy, az AT2018cow-hoz hasonló esemény, és persze két idén észlelt utófényes esemény is. Ennyi történésből még mindig nehéz következtetéseket levonni, és rokonítani a különféle csillagmegsemmisüléseket, de ahogy a lista bővül, remélhetőleg egyre világosabb kirajzolódnak majd a mintázatok. Ebben pedig a meglévő távcsövek mellett nagy segítség lesz a pár év múlva üzembe álló, chilei Vera C. Rubin Obszervatórium, amely sokkal érzékenyebb lesz a hasonló, átmeneti eseményekre, mint bármely más jelenlegi eszköz.
