Balázs Lajos

Mielőtt elmondanám, mik a gamma-kitörések, pár szóval kitérnék a felfedezésükre, mert az is tanulságos. Az 1960-as években kötötték meg az atomcsend-egyezményt: a nagyhatalmak megegyeztek a légköri atomrobbantások beszüntetésében. De egyik fél sem bízott a másikban, ezért az Egyesült Államok több mesterséges holdból álló rendszert bocsátott föl – a Vela műholdakat –, hogy őrködjön a megállapodások betartásán. Alighogy a holdak elkezdték a működésüket, néhány másodperces gamma-felvillanásokat¹ jeleztek. Az elemzők megdöbbentek, és amikor jobban utánanéztek, kiderült, hogy ezek a felvillanások a világűrből jönnek, nem atomrobbantásokból.

Miből jöttek rá?

A felvillanások helyéből, irányából. Mivel a Vela több mesterséges holdból álló rendszer volt, meg tudta állapítani, honnan származik a felvillanás. Több évig vizsgálták a jelenséget, és csak 1973-ban jelentették be a felfedezését. Ezek a felvillanások a megtévesztésig hasonlítottak azokra, amelyeket az ember is létrehozott a Földön. Nekiláttak a szisztematikus tanulmányozáshoz. A Szovjetuniónak volt egy mesterségeshold-családja, a Kozmosz, és ennek néhány tagját a felvillanások követésére szerelték fel műszerekkel. Azért kellett műholdakat használni, mert a Föld légköre elnyeli a gamma-sugárzást. (Könnyen lehet, hogy a Kozmosz családot eredetileg az Egyesült Államok robbantásainak ellenőrzésére tervezték…)

Elkezdték vizsgálni, milyen gyakoriak a felvillanások és az égbolt mely részéből jönnek, mert ez támpontot adhat a keletkezésüket kiváltó folyamatokra. Megállapították, hogy szinte minden irányból érkeznek, ami azt jelenti, hogy vagy nagyon közeli, vagy rettenetesen távoli a forrásuk. A közbenső terület, a Tejút-rendszerünk lapos korong: az onnan érkező felvillanásoknak ezt az alakot kellene követniük, de ez szóba sem jött. A legsikeresebb, legtöbb felvillanást felfedező műholdat, a Compton Gamma-sugár Obszervatóriumot 1991-ben lőtték fel. Ez nagyjából tíz évig működött, és körülbelül 2700 kitörést azonosított, de még mindig nem tudták eldönteni, milyen messziről érkeznek a jelek. A fényességüket – azt, hogy milyen fényesnek látjuk őket – meg tudjuk mérni, a kibocsátott energia meghatározásához azonban a távolságukat is tudnunk kell.

Az 1990-es évek közepe táján lőtték fel (az olasz CNR, illetve a holland SRON gondozásában, az Európai Űrügynökség közreműködésével) a Beppo-SAX mesterséges holdat, amely a „füstölgő fegyver” effektust igyekezett kihasználni. Amikor egy pisztolyt elsütnek, később látszik valamennyi füst a lövés helyén. A gamma-felvillanás legfeljebb pár tíz másodpercig tart, és ha egy mesterséges hold észleli, nagyjából meg tudja mondani, milyen irányból jött. A gamma-felvillanást a röntgensugárzás tartományában is követi sugárzás, amely már órákig vagy akár napokig tarthat. Ezért ha a mesterséges holdon gamma- és röntgendetektor is van, a röntgendetektor „ráfordulhat” a sugárzásra, és nagyon pontosan meg tudja állapítani az irányát. A röntgent követő optikai sugárzást más földi távcsövekkel is észlelhetik.

Ezek szerint a Földről is látszik a „füst”.

A röntgensugárzás észlelése mellett sikerült meghatározni a felvillanást követő, már optikai tartományba tartozó utófény vöröseltolódását is, és kiderült, hogy a gamma-kitörések az eddig ismert legtávolabbi objektumok. Azóta is folytatnak méréseket azokkal a különleges mesterséges holdakkal, amelyeket gamma-, röntgen- és optikai távcsövekkel szerelnek fel. Ilyen a 2004-ben felbocsátott Swift, és ennek köszönhetően az ismert vöröseltolódású gamma-kitörések száma már meghaladja a 400-at. Így a gamma-kitörések körülbelül tíz százalékáról tudjuk, hogy milyen messze játszódott le. A távolság pedig elárulja, hogy a kitörések annyi energiát szabadítanak föl, mint amennyit a mi Napunk egész élete során: 10–20 másodperc alatt a Nap 4,5 milliárd évnyi energiatartalmát sugározzák ki.

Az elmélet szerint a Napunkál 20–40-szer nagyobb csillagok ilyen látványos tűzijátékkal, „hipernóvaként” fejezik be az életüket, amely csak rövid ideig, legfeljebb néhány millió évig tart. A végjáték eredményeként egészen kis objektum keletkezik – képzeljük el, hogy a Napot néhány kilométer átmérőjű golyóba nyomjuk össze! A hipernóvák két, egymással ellentétes irányú csóvát löknek ki magukból, amit csak akkor észlelünk, ha a műhold „jó” irányban áll. Ha igaz az az elképzelés, hogy a gamma-sugárzás csóva formájú, akkor több százszor annyi gamma-kitörés létezhet, mint amennyiről tudunk.

A gamma-felvillanások fontos információt adnak a csillagok kialakulásának menetrendjéről, a kozmikus sugárzás létrejöttéről, sőt, az elméleti fizika számára is hasznosak, mert keletkezésük az általános relativitáselmélet keretei között tárgyalandó. Ma még egyedül a gamma-kitörés mutatja a Világegyetem egészét: minden olyan vizsgálat, amely az anyag nagy léptékű szerkezetét, „nagybani” eloszlását akarja letapogatni, az égbolt kisebb szegmenséről ad információt. A gamma-felvillanásokon kívül csak a maradványsugárzás (kozmikus háttérsugárzás) ad teljes képet, de ez az Univerzum sokkal korábbi állapotát tárja föl. A gamma-felvillanásokból eddig azonban nagyon keveset észleltünk, néhány ezret a „teljes” térfogatból – valójában nem tudjuk, mi látszik és mi nem. Az is kérdés, hogy a felvillanások eloszlása az anyagnak vagy azoknak a helyeknek az eloszlását mutatja-e, ahol ezek a csillagok nagy valószínűséggel keletkeznek. A jelenlegi kutatások szerint az anyagnak néhány százaléka jelenik csak meg a csillagokat is alkotó anyag formájában; túlnyomó része sötét anyag és sötét energia.

Hogyan kezdődött el itthon ez a szinte napjainkban induló és drága berendezésekhez kötött kutatás?

1965-ben léptem be az intézetbe; június 1-jén volt ötven éve.

Gratulálok!

A mátrai, piszkéstetői állomást pár évvel korábban helyezték üzembe, és ott egy új, nagy látószögű távcsővel már azt kezdtem vizsgálni, milyen lenyomata van a csillagok keletkezésének a csillagvilágban. 1997-ben az intézet igazgatója lettem, és meghívást kaptam a Pennsylvaniai Állami Egyetem asztrofizikai tanszékének vezetőjétől, Mészáros Pétertől (aki kétéves korában került külföldre). Akkor volt a doktorandusza Horváth István, a mostani OTKA-projekt egyik résztvevője, korábban pedig egy másik partnerünk, Bagoly Zsolt készítette nála a disszertációját. Mészáros Péter az együttműködésünk lehetőségeiről akart velem beszélgetni. Bagoly Zsolt és Horváth Péter éppen a gamma-kitörésekről szóló cikkükön dolgozott. Nekem akkor már másfél évtizedes gyakorlatom volt a matematikai statisztikában, mert általános iskolai gombfoci-partnerem, a ma már akadémikus Halász Gábor megismertetett a Rényi Alfréd Matematikai Kutatóintézetben Tusnády Gáborral, aki segített a matematikai statisztikai problémák megoldásában. Szóval, tanácsokat adtam a cikkhez, és a végén bevettek társszerzőnek. Ez igazából Tusnády Gábor akadémikus, a mesterem érdeme.

Nem jár be mindenki a Rényibe matematikát tanulni…

Nem lesz mindenki gombfoci-partneréből akadémikus… Amikor hazajöttem, azt mondták, vannak még statisztikai kérdéseik. Akkor már többen is tudni akarták, hogyan oszlanak el az égen a gamma-kitörések.

Eddig csak a gamma-kitörések egyik osztályáról beszéltem, a hipernóvákról. De léteznek olyan kitörések is, amelyek nem néhány tíz, hanem néhány másodperc vagy tized másodperc alatt lezajlanak, és őrületes energiát sugároznak ki. Az elmélet azt képzeli, hogy akkor is keletkezik két gamma-sugár-csóva, amikor két, egymáshoz közeli neutroncsillag olvad össze fekete lyukká. Számítógépes szimulációkkal ezt valamiképpen igazolni lehet. A hosszú és a rövid gamma-felvillanások eloszlását azonban nem vizsgálták. Egy ötlettől vezérelve utánajártam, és láttam, hogy a kettő nem egyforma. Amit korábban elmondtam, a hosszú kitörésekre igaz. 1998-ban írtam egy cikket az egyik vezető asztrofizikai folyóiratba, amit többen idéztek.

Elkezdtem foglalkozni a gamma-kitörések statisztikájával, a műholdak pedig egyre gyártották az adatokat, és ezeket közzétették az interneten. Horváth István, aki időközben hazajött, megkért, hogy legyek a beadandó „gamma” OTKA-pályázatának a témavezetője. Én már benyújtottam egy „infravörös” pályázatot (infravörös fényben is vizsgálható a csillagok keletkezése, és korábban ezzel foglalkoztam), de azt mondták, kettőt is beadhatok. Végül a „gamma” nyert, bár a másik is elérte a megfelelő pontszámot. Két projektet nem támogathattak, és ez unikumnak számított. Így lett „gamma OTKA-m”, holott sohasem jártam nemzetközi konferenciákra, mert kívülállónak tartom magam.

Később kimutattuk, hogy a rövid és a hosszú gamma-felvillanásoknak nemcsak az irányeloszlása, hanem más statisztikai tulajdonságai is különböznek. Feltettük a cikkünket az elektronikus csillagászati „tacepaó”-ra (az astro-ph-re), és nemsokára jelentkezett a NASA egyik újságírója, aki érdekesnek találta a dolgozatunkat, mert korábban senki sem mutatta még ki, hogy a kétféle felvillanás tulajdonságai eltérnek egymástól. Így született meg az a sajtóanyag, amelyet 1200 címre küldtek ki, és ekkor már a Nature is írt az eredményünkről.

A gamma-kitörések tehát nemcsak individuumként jelentősek számunkra – mert a csillagok életének különleges állomásán jelennek meg, az anyag végállapotának közvetlen közelében keletkezve nagyon sajátos fizikát képviselnek –, hanem az eloszlásuk is értékes információt hordoz. És bár egyre nő azoknak a gamma-kitöréseknek a száma, amelyeknek tudjuk a helyét, az a kérdés továbbra is nyitott, hogy mit mondanak a kitörések a Világegyetem anyagának nagy léptékű eloszlásáról.

Egy-két éve Bagoly Zsolt és Horváth István talált egy gamma-kitörésekből kirajzolódó alakzatot (ez a nagy Herkules-fal), amit szkepszissel fogadtam. Bántotta őket a matematikusi kétkedésem, ezért utánanéztem, hogy az övékétől eltérő módszerrel is kiadják-e az adatok ezt a struktúrát. Megdöbbenésemre, belebotlottam egy gyűrűbe.

A gamma-kitörések „gyűrűje”. Fölötte a Tejút íve látható (forrás: MNRAS)

Hogyan alakulhatott ki ilyen alakzat hétmilliárd évvel ezelőtt? Írtam egy cikket, elküldtem a Nature-be, azonnal visszadobták, érdemben nem is foglalkoztak vele. Utána elküldtem a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society-ba, ahol több cikk is tárgyalja a Világegyetem nagy léptékű szerkezetét. Kiadták egy bírálónak, aki ezúttal megnevezte magát: Jaan Einasto volt, az Univerzum nagy léptékű anyageloszlásának egyik legkiválóbb szakértője. Ő is azt mondta, hogy ilyen csodák nincsenek: újabb vizsgálatokat kért tőlünk. Ezeket elvégeztük, és kemény meccs után zöld utat adott a cikknek.

Mi itt az alapvető probléma? Tudjuk, hogy bármely fizikai objektum elemei oksági kapcsolatban állnak egymással. Az egyik létezése nem független a másikétól – például a sejtek is kommunikálnak egymással. De ekkora léptékben hogyan tekinthetjük egyetlen fizikai objektumnak ezeket a gamma-kitöréseket? Egyelőre nem tudjuk, annak viszont nagyon kicsi a valószínűsége, hogy ez az alakzat véletlenül rajzolódik ki. Ilyen képződményeket eddig is láttunk, csak sokkal kisebbek. Azoknak az objektumoknak, amelyeknek az elemei kommunikálnak egymással, az elmélet szerint is kisebbeknek kell lenniük. Meg kell tehát értenünk a struktúra képződését.

A WMAP- és a Planck-űrkísérletek alátámasztják, hogy a világ „minden irányban ugyanolyan”. Másképpen megfogalmazva: a kozmológiai elv szerint a Világegyetem homogén és izotróp – önmagába eltolható és elforgatható. Ha a Holdról nézzük a Földet, gyönyörű, szabályos kontúrja van, de itt, a szobában, „kicsiben”, sok apró részletet is látunk. A kozmoszban szintén erről van szó. Azok a struktúrák, amelyek a kozmológiai elvvel összeegyeztethetők, négyszer-ötször kisebbek a mi alakzatunknál. Ha a gamma-kitörések ilyen elrendeződése nemcsak a galaxisok egyfajta tulajdonsága, hanem anyagtöbblet is áll mögötte, nem tudjuk összeegyeztetni a jelenlegi kozmológiával. Ha viszont nem ez a helyzet, akkor azok a galaxisok, amelyekben a gyűrűt alkotó gamma-kitörések „ülnek”, a többinél szaporábban gyártanak gamma-kitöréseket. (A gamma-kitörések mindig „benne ülnek” valamelyik galaxisban, hiszen a galaxis egyik csillagának felrobbanásakor keletkeznek.) De ekkor is kell lennie egy hatásnak, például egy lökésfrontnak, amely ezt a nagy léptékű elrendeződést kiváltja. Ilyesmit sokkal kisebb skálán már ismerünk, gondoljunk például a Tejút-rendszerünkre. Ha felülről nézzük, gyönyörű spirálkarokat látunk a Tejútban. De ez nem jelenti azt, hogy az anyag spirálkarok mentén rendeződik el, mert a galaxis anyaga csak 4–5 százalékkal sűrűbb a spirálkarokban, mint kívül; mindössze annyit jelent, hogy azok a csillagok, amelyek a spirálkarokat kirajzolják, abban a térrészben gyakrabban fordulnak elő. Ennek nagy léptékű analógiájára az mondhatjuk, hogy a gamma-kitöréseket produkáló galaxisok rajzolnak ki valamilyen alakzatot. Ezt előidézheti egy lökésfront, egyelőre azonban nem tudjuk, hogy létezik-e ilyen vagy sem. A számítások szerint a gyűrű nem magyarázható egyszerű nagy léptékű anyagtöbblettel.
magyarázni. A gamma-kitöréseket létrehozó galaxisok között valami koordinációt is fel kell tételezni. Ilyen koordináció felfedezése is újdonságnak számít.

Ma már felfoghatatlanul messzire látnak a csillagászok.

És épülőben vannak azok az eszközök, amelyekkel az egész égboltot akarják mélyen feltérképezni. Azt mondják, beléptünk a „big data” korszakába; a terabyte-okat is meghaladó adatmennyiség a következő évtizedben elvezethet oda, hogy a gamma-kitöréseken kívül más objektumok is hírt adnak a Világegyetem egészéről.

Mit tart a legnagyobb változásnak a pályán eltöltött öt évtized alatt?

Azt gondolom, hogy a világháló mindent átírt. Azelőtt csak kitüntetett kutatók dolgozhattak a nagy távcsövekkel, a friss információval. Ma a legtöbb nagy teljesítményű kísérlet esetében arra törekednek, hogy mielőbb közzétegyék a mérési eredményeket. Privilegizált emberek helyett nemzetközi kollektívák használják az adatokat. Az egyik kolléganőm, például, nemrég távcsőidőt nyert Hawaiiba, és otthonról, a laptopjáról irányítja az észlelést – délben, amikor ott éjszaka van. A csillagászat több évszázados hagyománya változott meg két évtized alatt.

Silberer Vera

--------------------------------------------------------------

1. A gamma-sugárzás a röntgen- és a látható tartományba eső (optikai) sugárzásnál nagyobb energiájú sugárzás. Atombomba-robbantáskor gamma-sugárzás is felszabadul.