A görbült téridő „tiszta hangjai”

Az akkréciós korongból a csillag felszínébe csapódó gázcsomó mintegy 100 millió fokra< hevülve röntgensugárzást bocsát ki (sárga kúp), s amikor az – mint egy forgó világítótorony fénye – éppen felénk irányul, periodikusan felerősíti a csillag röntgenfényét

A Rossi röntgencsillagászati műhold gyors ütemű, csaknem periodikus változásokat figyelt meg olyan csillagkettősökhöz tartozó neutroncsillagok röntgensugárzásában, amelyekben a neutroncsillagnak egy „közönséges” kísérője van. A szapora, alig ezredmásodperces periódusidejű lüktetés újabb bizonyítékkal támasztja alá Einstein általános relativitáselméletét, s egyúttal új vizsgálati módszert kínál az ilyen csillagok tanulmányozásra.
A neutroncsillagok a szupernóvarobbanás után visszamaradó, szupersűrű anyagú kozmikus „hamvvedrek”. Tömegük nagyjából a Napéhoz mérhető, átmérőjük azonban mindössze néhány kilométer, ezért az anyag sűrűsége meghaladja bennük az atommagét. Einstein általános

A neutroncsillag és a körülötte kavargó gáz akkréciós korongja. Nyilak jelzik a legbelső stabil pálya, és a röntgensugárzást kibocsátó egyenlítői övezet helyét

relativitáselmélete szerint az ilyen objektumok körül a téridő erősen meggörbül. Ha egy efféle csillagnak viszonylag közeli „közönséges” kísérője van, akkor óriási erejű gravitációs terével állandóan anyagot szipkáz el tőle, s az egy akkréciós korongban gyűlik össze a neutroncsillag körül. Az ebben örvénylő gáz részecskéi spirális pályán egyre közelebb kerülnek a neutroncsillag felszínéhez, miközben sebességük már a fénysebességhez közelít. A felszínhez érve a mintegy százmillió fokra hevülő gáz erős röntgensugárzást bocsát ki. Ha a becsapódási terület a csillag felénk forduló oldalán van, a röntgenszínképben erőteljes kifényesedés figyelhető meg, amely a csillag forgását követve eltűnik, majd ismét előbukkan. Ebből adódik a röntgenszínkép szapora lüktetése. Némely neutroncsillag eközben egyetlen másodperc alatt több energiát sugároz ki, mint amennyit Napunk egy teljes hét során megtermel.
Frederick Lamb, az Illinoisi Egyetem csillagászprofesszora és munkatársai ezt a folyamatot követték nyomon Einstein általános relativitáselméletére alapozott számításaikkal. A gravitáció klasszikus, newtoni elmélete szerint egy csillag körül örvénylő gáz tetszőleges távolságra megközelítheti a felszínt. Ezzel szemben a relativitáselmélet azt mondja, hogy ha a csillag sűrűsége túllép egy bizonyos határt, akkor a közelében a téridő olyannyira meggörbül, hogy egy bizonyos távolságon belül már csak bizonyos meghatározott sugarú pályák lehetnek stabilak, s ezek között is van egy legbelső pálya, ahonnan az oda érkező anyagot a csillag már óhatatlanul bekebelezi. Ezért a röntgenkifényesedés csak a neutroncsillag méretétől és tömegétől függő, jól meghatározott frekvenciaértékeknél, tiszta hangoknál” észlelhető: ezeknek a „magassága” egy darabig nő, ám amint a befelé kavargó anyag eléri a legbelső stabil pályát, a frekvencia állandósul, s már csak a fényerő növekszik tovább.
William Zhang és munkatársai most kísérletileg is igazolták ezeket a számításokat. A NASA Goddard Űrkutatási Központjában a Rossi műhold megfigyelései alapján több hónapon át követték nyomon a Földtől mintegy 20 ezer fényévre levő, 4U1820-30 jelzésű kettős rendszer neutroncsillagának röntgenfényváltozásait. A csillag tömege mintegy 2,3-szerese a Napénak, s társát mindössze 11 perc alatt kerüli meg. Megfigyelték, hogy a röntgenfény változásának frekvenciája eleinte nőtt, majd a másodpercenkénti 1050-et elérve megállapodott, s ettől kezdve már csak a kifényesedés mértéke változott.
A kutatók szerint a megfigyelésekből az is kiderül, hogy a szóban forgó neutroncsillag körül egy mintegy 30 százalékos gravitációs téridő-„gyűrődés” alakult ki. (Összehasonlításképp: a téridő görbültsége egy fekete lyukban 100 százalékos, a Nap felszínén tízezred-, a Föld felszínén pedig mindössze tízmilliomod százalék.) Lamb szerint ez azért is izgalmas felfedezés, mert az általános relativitáselmélet jóslatait eddig csak olyan téridőtartományokban ellenőrizhették, ahol a görbület jóval 1 százalék alatt volt. Most megnyílt az út az erős gravitációs mezők hatásainak a tanulmányozása előtt. Ugyanakkor a mérések az erős gravitációs mezőt létrehozó forrás, azaz a neutroncsillag fizikai állapotjelzőiről is árulkodnak. Az első megfigyelések máris azt sejtetik, hogy a neutroncsillagban a további gravitációs összehúzódás ellen ható magerők jóval erősebb taszító hatást fejtenek ki, mint azt korábban gondolták.

Kozmikus körhinta, avagy a „felcsavart” téridő

Több mint nyolcvan évvel azután, hogy Einstein megalkotta az általános relativitáselméletet, a csillagászoknak végre sikerült megerősíteniük a teóriának egy újabb, kísérletileg még nem bizonyított jóslatát. Két kutatócsoport egymástól független vizsgálatokkal kétségbevonhatatlan jeleket talált arra, hogy a forgó fekete lyukak és neutroncsillagok magukkal húzzák, mintegy „feltekerik” maguk körül a téridőt – miként azt az általános relativitáselmélet megjósolta.

Ismét igazolták Einstein egy jóslatát

Einstein szerint ha egy test, például a Föld forog, kismértékben bár, de magával húzza a körülötte lévő téridőt, s ez a nagyon gyenge hatás hajszálpontos mérésekkel kimutatható. Például egy Föld körüli pályán keringő mesterséges holdon a téridő szerkezetének az elhúzása („felcsavarása”) egy ott elhelyezett giroszkóp lassú precesszióját okozná. (Az 1999-ben felbocsátandó Gravity Probe B műholdnak éppen az lesz a feladata, hogy ezt kimutassa.)
A jelenség létezésének bizonyítására azonban van más módszer is. Ha egy nagyon nagy tömegű fekete lyuk vagy neutroncsillag közelében más csillag vagy gáz- és porfelhő van, az erős gravitációs mező anyagot szipkáz el ettől a szomszédtól, a centrum körül akkréciós korong alakul ki, s a kavargó anyag spirális csavarodású pályán a centrum felé zuhan. Eközben felmelegszik, és röntgensugárzást bocsát ki.

A fekete lyuk elárulja magát. A fekete lyukból semmi, még a fény sem tud kiszökni, a környezete mégis elárulja. A számítógépes szimulációval készült képeken látható, amint a fekete lyuk erős gravitációs mezeje magához vonzza a szomszédos csillagok anyagát, amely pusztán a vonzás hatására egy akkréciós korongban gyűlne fel körülötte (fent). A fekete lyuk azonban a körülötte levő téridőt s egyúttal e korong alakját is deformálja (balra fent). Ha ráadásul a fekete lyuk még forog is, tovább torzítja, mintegy „felcsavarja” maga körül a téridőt, a korong még furcsább alakot ölt (szemközt), s végül egy örvény- tölcsérhez hasonló formát vesz fel.

Ha a középpontban lévő szupersűrű objektum forog, akkor a téridő felcsavarodása miatt az akkréciós korong síkja, mint egy órási pörgettyű fősíkja, a precesszió miatt billegni kezd. Ennek az a következménye, hogy a korong síkjának a szöge hozzánk képest periodikusan ingadozik, s az onnan érkező röntgensugárzás intenzitása is oszcillál.
Hogy a jelenség létezését kimutassák, az MIT (Massachusettsi Műszaki Egyetem) Wei Cui vezette kutatócsoportja számos fekete lyuk környezetéből érkező röntgensugárzást vizsgált meg, miközben egy római csillagászcsoport Luigi Stella vezetésével tizenöt neutroncsillagra végezte el ugyanezt. A kutatók mindkét esetben azt találták, hogy az objektumoktól érkező röntgensugárzás úgy oszcillál, ahogy egy billegő akkréciós korong esetén várták.
Francis Everitt, a Stanfordi Egyetem fizikusa, a már említett Gravity Probe B műhold kutatási programjának vezetője úgy véli, hogy az eredmény valóban figyelemre méltó, de csupán a jelenség létezését igazolja, és nem hozott pontos, számszerű adatokat. „A Gravity Probe B mielőbbi pályára állítása ezért most indokoltabb, mint valaha. Reméljük, hogy ezzel a hatás mértéke is meghatározható lesz” – állítja Everitt.

(New Scientist)