Kozmikus világítótornyok és a csillagmodellezés lehetetlensége

Nincsen jövőnk tudomány nélkül, nincsen Qubit nélkületek. Támogasd a munkánkat!

A csillagokkal kapcsolatos tudásunk nagy része a felszínükről érkező fényen alapul. Hogyan tudjuk hát megállapítani, mit rejt a mélyük? Sőt, miért akarjuk egyáltalán megállapítani, mit rejt a mélyük? Ezek önmagukban is olyan kérdések, amikkel szívesen foglalkozom, de most az az apropója, hogy ennek vizsgálatára elnyertem egy ötéves kutatási pályázatot, ami alapján válaszokra is mutatkozik igény.

Az Élvonal programot az ITM és az NKFIH hirdette meg, hogy olyan kutatókat támogasson, akik nemzetközileg is megállják a helyüket, a viszonyítási pont pedig az Európai Kutatási Tanács (ERC) pályázati rendszere volt. A pályázóknak vagy a közelmúltban zárult ERC vagy hasonlóan nagy nemzetközi kutatási projekttel kellett rendelkezniük, vagy olyan elbírált, második értékelési körbe jutott ERC pályázattal, amit a zsűri támogatott ugyan, de forráshiány miatt nem valósulhatott meg. (Utóbbi a modern tudományfinanszírozás egyik fő rákfenéje: jóval több, szinte ugyanúgy kiváló kutatót és ötletet termelünk ki, mint amennyi pénzt aztán ténylegesen be is fektetünk azok megvalósításába és finanszírozásába.) Az Élvonal számukra kínált alternatív lehetőséget, öt éves, maximum háromszázmillió forintos támogatással. És most adott egyet nekem is, a „Csillagszeizmológiai laboratóriumok" projekt megvalósítására.

A csillagok belsejének és tulajdonságainak felderítésére a csillagszeizmológiát fogjuk használni. Ez nagyjából hasonlóan működik ahhoz, ahogy a Föld belsejét is vizsgálni lehet a rajta áthaladó rezgések mérésén keresztül. A nehezítő tényező, hogy a csillagokra nem tudunk szeizmométereket tenni, úgyhogy más módszerrel kell megmérnünk azokat. Még ez sem olyan nehéz: a templomtoronyban bimbammoló harangról is könnyen meg lehet becsülni közvetetten, csak a hangja alapján is, hogy az nagyobb vagy kisebb méretű-e. Hang ugyan nem terjed az űrben, de a csillagokban mint világító plazmagömbökben haladó rezgések hatására a felszínről jövő fény mennyisége viszont változik, így nem kell mást tennünk, mint nagyon pontosan és hosszadalmasan mérjük a csillagok fényességét. Ehhez a megfelelő műszerek is adottak: az amerikai TESS űrtávcső főállásban ugyan bolygókat keres, de mivel a bolygó kitakarása okozta halványodásokat keresi, mellékesen csillagok millióiról állít elő ilyen méréseket. Ehhez hozzácsapjuk az európai Gaia űrtávcső távolságméréseit másfélmilliárd csillagról, és már kész is a tökéletes projekt. Vagy legalábbis majdnem. 

Művészi illusztráció egy csillag belsejében terjedő rezgésekről és a körülötte keringő exobolygóról. A TESS űrtávcső a valóságban se a rezgéseket, se a bolygót nem látja közvetlenül, csak egyetlen fénypontot az égen, és annak precízen mért fényváltozásaiból kell levezetni, mennyire helytálló ez a kép.Fotó: Gabriel Perez Diaz/Instituto de Astrofisica de Canarias

Ahhoz, hogy a kisebb meg nagyobb rezgések paramétereiből a csillagoknak kora, tömege, mérete, kémiai összetétele legyen, kell még valamilyen konverzió a bemenő és kijövő adatok között, amit a számítógépek felhasználhatnak. Ehhez a csillagokat magukat kell modellezni, de ez távolról sem egyszerű feladat. Egy csillag teljes, részletes modellezése jelenleg egyszerűen túlmutat a képességeinken - és talán sosem leszünk rá képesek. Ennek az oka, hogy hatalmas nagyságrendi különbségeket kell átfogni. A csillag élete évmilliárdokban mérhető, de közben a rezgések órás-napos gyorsasággal történnek. Az egész csillag mérete millió km-ben mérhető (és akkor még csak olyan kicsi csillagokról beszélünk, mint a Nap), de közben akár mikroszkopikus folyamatokat is figyelembe kell venni a belsejükben. Ezért kényszerű egyszerűsítésekkel élünk, például három dimenzió helyett csak egyben számolunk, a csillagot tökéletesen gömbszimmetrikusnak feltételezve. Ez alapján sejthető, hogy a fizikában klasszikus egyszerűsítés, a „vegyünk egy súrlódásmentes, gömbszimmetrikus tehenet" jelenség okozta problémák azonosítása és lehetőség szerinti kezelése régi probléma a csillagászatban is. Ennek szellemében közelről megvizsgálunk majd több fennálló modellezési problémát is, valamint dolgozunk majd jóval számításigényesebb, de a valósághoz egy fokkal közelebb álló 2D/3D modellekkel is, amelyek egyelőre a csillag egy kis szeletére képesek fizikát számolni. A kész modellek segítségével pedig meg tudjuk majd mondani, pontosan milyen tulajdonságú csillagok vannak körülöttünk. Fiatalok vagy öregek, nehezebb elemekben gazdagok vagy szegények, kicsik vagy nagyok? Barátságosak vagy ellenségesek? 

Arra pedig, hogy miért kell megmondani egyáltalán, az a válasz, hogy azok a csillagok, amikre fókuszálni fogunk, kozmikus világítótornyokként működnek az univerzumban. Segítségükkel feltérképezhetjük a Tejútrendszer alkotóelemeit, fiatal spirálkarokat és öreg csillaghalmazokat, és kideríthetjük, pontosan honnan jöttek, a sajátjaink, vagy valami rég elnyelt másik galaxis túlélői. Sőt, ezek a csillagok egyben alappontok is az univerzum egészére használt más távolságmérő vonalzók, például szupernóvák kalibrálásához: így tehát kis túlzással, de a világról alkotott képünk múlik azon, jól ismerjük-e az ilyen csillagokat. De nemcsak nagy kérdéseken való elmélkedés, hanem akár tényleges detektívmunka is lesz a projektben. Például évtizedekkel ezelőtt megjósolt, ritka csillagtípusok után fogunk nyomozni: vajon léteznek-e odakint, a vadonban is, vagy csak a szabadon tekergetett modellparaméterek délibábjai voltak?

Az egyik legszebb kozmikus világítótorony, az RS Puppis nevű csillag. A csillag 40 napos periódussal halványodik-fényesedik, a fényes fázis kék fénye pedig a körülötte lévő poron táguló gyűrűkben szóródik felénk.Fotó: NASA/ESA, H. Bond (STScI/Penn State University)

Az általam vezetett SeismoLab projekt az ELKH CSFK Csillagászati Intézetében fog működni és keresni a válaszokat a fenti kérdésekre. A másik hét nyertest is érdemes szemmel tartani: három nyertest is ad a Rényi Alfréd Matematikai Kutatóintézet, mellettük pedig a látáskutatás területén a közelmúltban áttörést elérő Roska Botond a Semmelweis Egyetemen, Dombi Péter a Wigner Fizikai Kutatóközpontban, Kubinyi Enikő pedig az ELTE Etológiai Tanszékén hozhat létre egy-egy új Élvonal csoportot. 

A szerző csillagász, az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont munkatársa.