Csillagmaradvány árulja el a radioaktív molekulák eredetét

A csillagászok az Európai Déli Obszervatórium (ESO) által működtetett Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) és a francia Alpokban működő NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) rádiótávcsövekkel először mutattak ki egyértelműen radioaktív molekulákat a csillagközi térben. A molekula radioaktív tagja az alumínium egyik izotópja. A megfigyelések azt mutatják, hogy ez az izotóp két csillag ütközése nyomán szóródott szét a világűrben, aminek a nyomán kialakult a CK Vulpeculae jelű csillagmaradvány. Most először találtak ilyen elemet közvetlen úton, és úgy, hogy annak forrását is azonosítani tudták. Korábban csillagközi radioaktív anyagot csak a gamma-sugárzása révén sikerült érzékelni, ám annak pontos forrását nem tudták feltárni.

A radioaktív alumínium-26 izotóp forrását a Tomasz Kamiński (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA) által vezetett kutatócsoport fedezte fel. A CK Vulpeculae néven ismert égitestet először 1670-ben pillantották meg, amikor fényes vörös nóvaként tűnt fel az égbolton. A kezdetben szabad szemmel is látható vendégcsillag gyorsan halványodott, a visszahagyott maradvány pedig – egy halovány központi csillag által mind jobban szétfújt derengő anyagfelhő – ma már csak nagy teljesítményű távcsövekkel tanulmányozható.

Kompozitfelvétel a CK Vulpeculaeról, egy összeolvadt kettőscsillag maradványairól. Az ütközés radioaktív molekulákat repített ki a csillagközi térbe, ezt ábrázolják a belső narancssárgás nyúlványok. Ez az ALMA felvétel az alumínium-27-monofluorid eloszlását ábrázolja, de az AlF ritkábbik izotrop változata is ugyanabban a régióban található. A vörös, elmosódott területek a nagyobb térrészt kitöltő port jelölik. Kékkel pedig a Gemini távcső optikai felvétele látható az égitestről. Forrás: ESO; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Kamiński; Gemini, NOAO/AURA/NSF; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton.

348 évvel a felfedezést követően ennek a robbanásban összeolvadt kettőscsillagnak a maradványai segítették hozzá a csillagászokat az alumínium 26-os tömegszámú radioaktív izotópjának az egyértelmű kozmoszbeli felfedezéséhez. Most először találtak kétséget kizáró módon a Naprendszeren túl instabil, radioaktív molekulát. Az instabil izotópok atommagjában energiatöbblet van, amelytől előbb vagy utóbb stabil atommaggá bomolva megszabadulnak.

„Most először figyeltük meg ezt az izotópot egy csillagszerű égitestben. Ez a galaxis kémiai fejlődésének tágabb problémája szempontjából is fontos eredmény” – jegyzi meg Kamiński. – „Elsőként azonosítottuk közvetlen módon a radioaktív alumínium-26 atommagok egy aktív forrását.”

Kamiński és csapata alumínium-26 és fluor atomokból álló alumínium-fluorid (26AlF) molekulákat talált a CK Vulpeculae körüli törmelékfelhőben, a Földtől 2000 fényév távolságban. A molekulák világűrbeli pörgésük és bukdácsolásuk során jellegzetes elektromágneses sugárzást bocsátanak ki a milliméteres hullámhossztartományban, olyankor, amikor megváltozik a perdületük. A csillagászok számára ez a legalkalmasabb módszer a világűrbeli molekulák kimutatására [1].

Ennek a konkrét izotópnak a megfigyelése mélyebb betekintést enged a CK Vulpeculaet létrehozó csillagok összeolvadásának folyamatába. Az eredmény azt is megmutatta, hogy a csillagok mélyének anyaga, amelyben az ilyen nehéz elemek és radioaktív izotópjaik létrejönnek, egy ütközés során felkeveredhet és kirepülhet a világűrbe.

Fantáziarajz két olyan csillag összeütközéséről, amilyenekből a CK Vulpeculae is létrejött. A belső ábra a vörös óriás összeolvadás előtti belső szerkezetét mutatja. A hélium magot vékony alumínium-26 réteg övezi (az ábrán barnával). A magot kiterjedt konvektív burok öleli körül (az ábra nem méretarányos). A csillagnak ez a legkülső rétege anyagot tud felkavarni a mélyből a felszínre, ám sosem éri el az alumíniumréteg mélységét. Ezt az anyagot csak egy másik becsapódó csillag tudja onnan kijuttatni. Az ábrán: Surface – Felszín; Outer envelope – külső burok; Aluminium-26 layer – alumínium-26-réteg; Heium core – héliummag. Forrás: ESO/NRAO/AUI/NSF/S. Dagnello.

„Egy három évszázaddal ezelőtti ütközés során széttépett csillag belső részeit láthatjuk.” – fűzi hozzá Kamiński.

A csillagászok azt is ki tudták számítani, hogy mindkét összeütköző csillag viszonylag kis tömegű volt; egyiküknek egy 0,8 és 2,5 naptömeg közötti vörös óriás csillagnak kellett lennie.

Radioaktivitása miatt az alumínium-26 atommagok stabilabb magokká fognak átalakulni, miközben a bennük lévő egyik proton neutronná bomlik. Ennek a folyamatnak a során a gerjesztett állapotba kerülő atommag egy nagyon nagy energiájú fotont is kibocsát, amit gamma-sugárzásként érzékelünk [2].

A gamma-sugarak korábbi megfigyelései már utaltak arra, hogy az egész Tejútrendszerben összesen nagyjából két naptömegnyi alumínium-26 izotóp lehet, ám azt eddig nem tudtuk, hogy honnan származik ez az anyag. Ráadásul a gamma-sugarak megfigyelésének sajátosságai miatt azok pontos forrása is nagyrészt rejtve maradt. Az itt bemutatott megfigyelések révén a csillagászok tehát most elsőként detektáltak egyértelműen egy instabil radioaktív izotópot a Naprendszeren kívüli molekulákban. Ugyanakkor a kutatók azt is megállapították, hogy a CK Vulpeculaehoz hasonló égitestek valószínűleg nem az alumínium-26 legfontosabb forrásai a galaxisunkban. A CK Vulpeculae által kidobott alumínium-26 össztömege durván a Pluto tömegének egynegyedét teszi ki. Az ilyen események ritkaságát figyelembe véve nem valószínű, hogy csak az összeolvadó csillagok szolgáltatják a szóban forgó izotópot a Tejútrendszer számára. Ennek a radioaktív izotópnak a további vizsgálata tehát tartogathat még újabb felfedezéseket.

Megjegyzés

[1] A molekulák jellegzetes sugárzási mintázatait általában laboratóriumi spektroszkópiai kísérletekben állapítják meg. Ez azonban a 26AlF esetében nem lehetséges, mivel ilyen molekulák a Földön nem léteznek. A németországi Kasseli Egyetem laboratóriumának kísérleti asztrofizikusai ezért a stabil és gyakori 27AlF molekulákat tanulmányozva számították ki a 26AlF sugárzási színképét.

[2] Az alumínium-26 atommagjában 13 proton és 13 neutron található, vagyis eggyel kevesebb neutron van benne, mint a stabil alumínium-27 atommagokban. A bomlás során ebből egy teljesen másfajta elem, magnézium-26 keletkezik.

Forrás: ESO