SZATMÁRY KÁROLY
A Szegedi Csillagvizsgáló tevékenysége 2011-2012-ben
A
Szegedi Tudományegyetem csillagász és gravitációelméleti
csoportjának munkatársai: dr. Szatmáry Károly habil. egyetemi docens, dr. Vinkó József egyetemi docens, dr.
Gergely Árpád László habil. egyetemi docens, dr.
Székely Péter egyetemi adjunktus, dr. Keresztes ZoltánA Szegedi Csillagvizsgáló tevékenysége 2011-2012-ben
A budapesti kollégák vezetésével mindeddig páratlan hármascsillagot fedeztünk fel a Kepler-űrtávcső által észlelt vörös óriáscsillagok között, amelyről spektroszkópiai és interferometriai méréseket végeztünk német, spanyol, amerikai és kanadai obszervatóriumokból. A jelentős felfedezést a Science jelentette meg. A HD 181068 jelzésű égitest központi csillaga egy vörös óriás, amely körül 45 napos periódussal kering egy szoros kettőscsillag, benne két fősorozati törpével. A szoros és a tág pálya egyaránt a látóirányba esik, így nemcsak a 0,9 napos szoros pár két csillaga mutat kölcsönös fedéseket, hanem 45 naponta maga a vörös törpepár is eltűnik az óriáscsillag főkomponens mögött. A rendszert az teszi még különösen érdekessé, hogy a Napunktól 12-szer nagyobb vörös óriáscsillag meglepő módon nem mutatja a típusának megfelelő szoláris (konvektív gerjesztésű) rezgéseket. Ezzel szemben olyan pulzációk látszanak, amelynek periódusa szoros kapcsolatot mutat a rövid periódusú kettős keringési periódusával. Közel két évnyi rövid mintavételezésű (percenként egy pont) fénygörbéből kimértünk több mint 800 minimumidőpontot a hármas rendszer szoros kettős komponensének fedéseire, amiből komplex dinamikai elemzéssel pontos tömegeket határoztunk meg mindhárom csillagra. A bonyolult fedési fénygörbe modellezésére új módszert dolgoztunk ki, amivel abszolút csillagsugarakat és teljes, háromdimenziós pályákat számítottunk ki. A vörös óriás rezgéseit árapály-hatásokkal magyaráztuk meg, amihez új elmélet alapjait fektettük le a szoros hármascsillagok dinamikai fejlődésére.
M színképtípusú óriáscsillagok fényváltozásait tanulmányoztuk a Kepler-adatok alapján.Eredményeink szerint a Kepler-negyedéves részadatok összeillesztése a kései típusú csillagokra nagy gondossággal való eljárást igényel, mivel a műszereffektusok nagyságrendje és időskálája egybeesik a csillagok változását jellemző paraméterekkel. Folytattuk a több mint 300 vörös óriáscsillag Kepler-űrtávcsővel készített fénygörbéinek analízisét. A különböző negyedévek fénygörbéinek összetolására két módszert dolgoztunk ki és teszteltünk részletesen. A csillagoknál Fourier- és wavelet-transzformációt alkalmaztunk a periodicitás-vizsgálatokhoz. Találtunk - korábban a vörös óriásoknál nem ismert -, nagyon kis (ezred magnitúdós) amplitúdójú, rövid (néhány napos periódusú) fényváltozásokat. Egy csillagról kimutattuk, hogy béta Lyrae típusú fedési kettős.
Szupernóvák
Folytattuk az új szupernóvák felfedezésére irányuló keresőprogramunkat a Bajai Obszervatóriumban. A beszámolási időszakban önálló, új felfedezést nem sikerült elérnünk, viszont a PSN J12304185+4137498 jelű extragalaktikus tranziens felfedezésének megerősítéséhez hozzájárultak a Bajáról elvégzett méréseink. Emellett további 5 szupernóváról (2011B, 2011dh, 2011dm, 2011ek, 2011fe) vettünk fel fénygörbéket részletesebb vizsgálatok céljából. Ezek közül kettőről (2011dh, 2011fe) BVRI-szűrős CCD-fotometriát is végeztünk az MTA CSFK Piszkés-tetői Obszervatóriumából, valamint optikai spektroszkópiát a texasi McDonald Obszervatóriumból.
Részletesebben vizsgáltuk az SN 2011dh progenitorának robbanás előtti állapotát a Hubble-űrtávcső felvételein. Megerősítettük, hogy a szupernóva helyén korábban látszó objektum egy sárga szuperóriás csillag. Pontosítottuk a szupernóva (ezáltal az M51 galaxis) távolságát. Az analízishez felhasználtuk eredményeinket a II-es típusú szupernóvák fotoszférikus sebességének optimális mérési módszeréről, ami szerint a legmegbízhatóbb fotoszférikus sebességeket az optikai spektrum bizonyos szakaszainak részletes modellezéséből lehet származtatni. Összeállítottuk a SN 2011dh bolometrikus fénygörbéjét UV-, optikai és infravörös adatok felhasználásával. A fényváltozást egy sugárzási diffúziós közelítésen alapuló, saját fejlesztésű kóddal modelleztük. Kimutattuk, hogy a maximum utáni gyors fényességcsökkenés a hidrogén rekombinációjának tulajdonítható. A fénygörbe maximum előtti szakaszának modellezéséből felső korlátot adtunk a robbanó objektum méretére, ami 3 napsugárnak adódott. Ez alapján bizonyosnak vehető, hogy a HST-felvételeken azonosított objektum nem lehetett a tényleges robbanó progenitor, csak esetleg annak társcsillaga.
Részletes fotometriai és spektroszkópiai vizsgálatokat végeztünk a SN 2011fe-ről. Ennek galaxisa, az M101 szerepel a felfedező programunk célobjektumai között is. A felfedezés előtt 2 nappal készítettünk utoljára felvételt az M101-ről, amin a SN helyén 18,5 magnitúdóig nem látszott objektum. A felfedezésről így két nappal lemaradtunk. Erről a különösen fényes szupernóváról nagyon részletes, jó minőségű mérési anyagot sikerült összegyűjtenünk. A fénygörbékből meghatároztuk a szupernóva távolságát két, független kalibrációra alapuló módszerrel. Megállapítottuk, hogy a kétféle módszerből származó távolságok között szisztematikus eltérés van, ami a kalibráció hiányosságaira vezethető vissza.
Vizsgáltuk az egyszeresen ionizált szén (CII) detektálhatóságát Ia-szupernóvák spektrumában. Kimutattuk, hogy a maximum előtti spektrumok kb. 30%-ában megjelenik ez a vonal, ez jóval gyakoribb, mint a korábbi adatokon alapuló becslés. Eredményünk fontos az Ia-szupernóvák progenitorainak és a robbanás mechanizmusának megismerésében.
Részletesen tanulmányoztuk az SN 2009ig korai fotometriai és spektroszkópiai jellemzőit. Kimutattuk, hogy a korai spektrumban nagyon erős, nagy sebességű (v ~ 23000 km/s) komponens jelenik meg a Ca és a Si vonalak profiljában. Ez arra utal, hogy a legkülső, legnagyobb sebességű rétegekben egy sűrűbb régió található, amely talán a robbanás előtti konfiguráció maradványa. A nagysebességű Ca jelenléte már más Ia-szupernóvákban is ismert volt, a Si jelenléte azonban még nem.
Elméleti modellek segítségével vizsgáltuk a szuperfényes szupernóvák (SLSN) extrém nagy luminozitásának lehetséges okait. Megállapítottuk, hogy a "hagyományos" szupernóvák fényváltozási mechanizmusa (a robbanás során keletkező radioaktív nikkel bomlása) túl sok nikkel keletkezését igényelné, ami nehezen magyarázható. Alternatív mechanizmusként megvizsgáltuk a gyorsan forgó mágnesezett neutroncsillagból (magnetár), valamint a szupernóva-lökéshullám és a csillagkörüli anyag kölcsönhatásából származó energiaátadási folyamatokat is. Formulákat vezettünk le az egyes mechanizmusok által generált fénygörbék időbeli fejlődésére. Analitikus modelljeink meglepően jó összhangban vannak a részletesebb, ám sokkal számításigényesebb numerikus modellek által jósolt fénygörbékkel.
A szuperfényes SN 2006oz-ről megmutattuk, hogy spektruma alapján egy I-es típusú, hidrogénszegény, szuperfényes szupernóva volt. A maximum idején készült spektrum modellezéséből O II, Mg II, Si III, S III és Fe III jelenlétét igazoltuk. A SN 2010kd-ről kimutattuk, hogy a ledobódott tömege max. 20 - 30 naptömeg lehetett, maximális fényességének eléréséhez viszont legalább 10 naptömeg radioaktív nikkel szükséges. Ennyi nikkel a "hagyományos" SN robbanásokban nem keletkezik, így a szuperfényes szupernóvák robbanási mechanizmusa továbbra is rejtélyes. Fotometriai és spektroszkópiai méréseket végeztünk többek között két fényes II-P típusú szupernóváról (SN 2012A, SN 2012aw). Méréseinkből meghatároztuk ezen objektumok távolságát a táguló fotoszféra módszerrel.
Részt vettünk a SN 2010U spektroszkópiai és fotometriai adatainak elemzésében. Megállapítottuk, hogy ez az objektum egy szokatlanul fényes (M ~ -10,2 mag) extragalaktikus nóva volt. Színképe egy FeII-típusú nóvára utal, ami ellentétben van azzal az elméleti elképzeléssel, miszerint az extrém fényes nóvák olyan masszív fehér törpék robbanásai során keletkeznek, melyek inkább He/N nóvákat eredményeznek.
Lezárult a Spitzer-űrtávcső adatbázisából kiválasztott, II-P típusú szupernóvák publikus közép-infravörös adatainak analízisére épülő vizsgálatunk. A Spitzer-képeken egyértelműen azonosítható kilenc objektum közül – a szupernóvák spektrális energiaeloszlásaira illesztett pormodellek alapján – kettő (SN 2005ad, SN 2005af) esetében találtunk bizonyítékot a robbanást követő porképződésre, míg a többi szupernóva környezetében ez a folyamat legfeljebb csak részben szolgálhat a detektált közép-infravörös sugárzás forrásaként. Következtetésünk szerint – összhangban a korábbi eredményekkel – a szupernóva-robbanások környezetében frissen képződő, meleg (néhány száz K hőmérsékletű) porszemcsék csak kis mértékben járulnak hozzá az Univerzum portartalmához.
Az SN 2011ay piszkés-tetői fotometriai és a HET-tel felvett spektroszkópiai adatainak elemzése révén megállapítottuk, hogy az objektum az Ia típusú szupernóvák 2002cx-alosztályába tartozik (ezek a szupernóvák az átlagos Ia-knál kisebb luminozitással, kisebb tágulási sebességekkel és kisebb szilíciumtartalommal jellemezhetőek). A fénygörbék és spektrumok modellezése révén meghatároztuk a táguló maradvány főbb fizikai paramétereit.
Kettőscsillagok
A 2009 óta vizsgált, LS 5039 jelű röntgenkettősről a chilei MPG/ESO 2,2méteres távcső FEROS spektrográfjával kapott 2011-es mérési pontok jól illeszkednek a korábbi radiálissebesség-görbére, amely alapján sikerült megcáfolnunk a forró komponens pulzációjának kimutatására vonatkozó irodalmi eredményeket is. A korábban, földi nagyfelbontású spektroszkópiai és a MOST-űrtávcső precíz fényességméréseiből előálló adatsorokon végzett vizsgálataink révén pontosítottuk a rendszer keringési és fizikai paramétereit, és tanulmányoztuk a forró főkomponensről történő anyagkiáramlás jellemzőit is. Kimutattuk, hogy – a szakirodalomban szereplő, korábbi állításokkal ellentétben – pusztán a látható tartományban bekövetkező, periodikus fényességváltozás nagyságából nem határozható meg egyértelműen, hogy az O-csillag társobjektuma neutroncsillag vagy fekete lyuk-e.
Nyári szakmai gyakorlat keretében hallgatók méréseket végeztek a szegedi, illetve piszkéstetői 40 cm-es távcsövekkel a DWARF projekt (http://astronomy.science.upjs.sk/ projectdwarf/) keretében.
Exobolygók, exoholdak
A Szegedi Csillagvizsgáló, a Bajai Obszervatórium és az MTA CSFK Csillagászati Intézet műszereivel megfigyeltük fedési exobolygók átvonulását a csillaguk előtt. Időbeli ingadozásokat kerestünk a fedés bekövetkezésében, ami másik bolygó vagy hold létére utalhat. Az elmúlt egy évben összesen 54 éjszakán 29 fedési exobolygó 67 tranzitját mértük ki. Részt vettünk két fedési exobolygó felfedezésében a HAT-programmal együttműködésben.
Exobolygók holdjainak kimutatására egy új módszert dolgoztunk ki, amely a fedési fénygörbe előtti és utáni fényességértékek megnövekedett szórásán alapul. A Kepler-űrtávcsővel kb. 100 tranzit megfigyelésével akár 0,6 földsugarú kísérők kimutatása is lehetséges.
A Kepler-űrtávcső adataiban tranzitidő- és tranzithossz-változásokat kerestünk új algoritmusokat alkalmazva. Célunk az exoholdakra utaló kicsiny jelek kimutatása volt, közben felismertük a KOI-13 tranzitos barna törpe aszimmetrikus fedési görbéinek jelentőségét. A gyorsan forgó központi csillag inhomogén felületi fényességét feltérképezi a forgástengelyre nem merőlegesen áthaladó barna törpe fényességcsökkentő hatása, ami egy új jelenség. A publikussá vált Kepler-megfigyelések alapján kimutattuk, hogy a tranzitok hossza is változik a KOI-13 rendszerben, amely az első példa tranzit-időtartam változására exobolygó-rendszerekben. A KOI-13 csillag és a körülötte lévő exobolygó kölcsönös perturbációk miatt precessziót végez, amely a pályaelemekre is kihat. Ez az első megfigyelés, ahol bolygó precesszióját sikerült kimutatni.
Kutatásainkat az OTKA K76816 (2009-2013) pályázat támogatta.
Alternatív gravitációelméletek tesztelése gravitációs lencsézéssel
A megfigyelésekkel való egyezéshez a galaxisok távolságskáláján jelenleg még ismeretlen sötét anyag, míg kozmikus skálán jelenleg még ismeretlen sötét energia bevezetése szükséges. Jogosak azok az alternatív próbálkozások, melyekben ezeken a távolságskálákon a gravitáció törvényét módosítják és a sötét komponensek nélkül próbálnak összhangot teremteni a megfigyelésekkel. Munkánk során gyenge gravitációs lencsézés segítségével vizsgáltuk e modelleket (konkréten bránelméleti és Hořava-Lifshitz elméletben létező fekete lyukakat) és az általános relativitáselmélet Schwarzschild fekete lyuk megoldással összehasonlítva tettünk megfigyelhető jóslatokat.
Kozmológiai kutatások
A sötét energia modellek egyike a tachion skalármező, melynek jelenlegi negatív, az univerzum gyorsuló tágulását eredményező nyomása a további tágulás során pozitívvá válik, az univerzum tágulásának lassulásához, majd teljes leállásához vezetve. A Nagy Fékezésnek nevezett szingularitás átjárható, az univerzum összehúzódásba kezd, ami a Nagy Reccs eléréséig folytatódik. Ez a modell ugyanolyan jó összhangban áll a megfigyelésekkel, mint a szélesebb körben elfogadott LCDM modell, mely örökös exponenciális tágulást jósol, így további, minőségileg jobb megfigyelések hiányában egyelőre nem jelenthetjük ki bizonyossággal, hogy mit tartogat a jövő. A modellhez barionikus anyagot adva a szingularitáson való átkelés nehézségekbe ütközik, ezt az egyenletek disztribúcionális általánosításával tudtuk kezelni.
Fekete lyukak
A fekete lyukakkal kapcsolatosan az akkréciós folyamatokat vizsgáltuk abban az esetben, amikor a fekete lyukak árapály-deformációval rendelkeznek, a környezetük pedig mágneses perturbációkat ad a rendszerhez. Fekete lyuk, akkréciós korong, magnetoszféra és poláris részecskenyalábokból álló szimbiotikus rendszerben vizsgáltuk a maximálisan létrejövő forgást és a beeső anyag sugárzássá alakulásának energiakonverziós hatékonyságát, mely a természetben ismert leghatékonyabb energiatermelő folyamat, a magfúziónál is egy nagyságrenddel nagyobb. Szupernehéz fekete lyukak összeolvadásával magyaráztuk az X-alakú rádiógalaxisok keletkezését.
Termodinamikailag jellemeztük az árapálytöltésű fekete lyukakat. Fekete lyuk kettősökből származó gravitációs sugárzás interferometriás alapon történő kimutatásával kapcsolatban a LIGO tudományos együttműködés keretén belül tevékenykedtünk.
2011-2012-ben 35 asztrofizikai és 38 gravitációelméleti témájú, angol nyelvű publikációnk jelent meg: nemzetközi referált folyóiratban 26 + 33, konferencia-kiadványban 8 + 5, egyéb nemzetközi kiadványban (IBVS) 1. Magyarul több cikket közöltünk a Csillagászati évkönyvben, a Meteorban, a Fizikai Szemlében és a Magyar Tudományban. Munkatársaink és hallgatóink aktívan részt vettek a www.csillagaszat.hu hírportálon megjelenő írások fordításában is. A cikkek listája, valamint a kutatási és oktatási tevékenységünk részletei megtalálhatók honlapunkon (http://astro.u-szeged.hu).
Konferenciák
Gergely Á. L. 2011-ben 2 hónapos vendégkutatói meghívással a Hong Kong-i Egyetemen tartózkodott, ott 2 előadást tartott. 2011 és 2012-ben fekete lyukakkal kapcsolatos előadásokat tartott még Bolognában, Szegeden, Máltán, Bonnban, Brüsszelben és Palermoban; kozmológiai témájúakat pedig Montpellierben, Szczecinben és Brassóban; ezenkívül előadott még a Szegeden rendezett 2012-es, kvantumgravitációról szóló elméleti fizikai iskolán is. Keresztes Z. az Umea Egyetemen adott elő kozmológiai témában. Dwornik M. és Tápai M. poszterekkel vettek részt a „Relativity and Gravitation: 100 Years after Einstein” prágai 2012-es konferencián; valamint előadásokkal a szintén 2012-bes, Stockholmban szervezett 13. Marcel Grossmann találkozón. Kun E. posztert mutatott be a Palermoban 2012-ben szervezett „Jets and Black Holes” műhelyen. Horváth Zs., Dwornik M., Tápai M. és Kun E. előadásokkal vettek részt a Budapesten szervezett FIKUT rendezvényen is. A Kepler-űrtávcső 5. asztroszeizmológiai konferenciáján (Balatonalmádi, 2012. június) Szatmáry K. és Csányi I. poszterekkel képviselt bennünket. Vinkó J., Takáts K. és Szalai T. több poszterrel szerepelt a “Supernovae Illuminating the Universe: from Individuals to Populations” konferencián Garchingban, 2012 szeptemberében. Szalai T. poszterrel és minielőadással vett részt a 282. IAU-szimpóziumon a szlovákiai Tátralomnicon (2011. július), poszterrel a 279. IAU-szimpóziumon Nikkóban, Japánban (2012. március), valamint előadást tartott a „6th Workshop of Young Reasearchers in Astronomy and Astrophysics c. konferencián, Budapesten (2012. szeptember).
Oktatás,
ismeretterjesztés
A 3 éves fizika alapszakon (BSc) belül a csillagász szakirányon tanítunk csillagászatot. 2012 őszén indult a 2 éves csillagász mesterszak (MSc). A fizikus mesterszakon belül az asztrofizika modulban is számos tantárgyat oktattunk.
A két év alatt 15 szakdolgozat, illetve diplomamunka és 2 TDK-dolgozat született csillagászati témakörben. 2011-ben Tápai Márton különdíjat kapott a XXX. Országos Tudományos Diákköri Konferencián. A 2012. őszi kari TDK konferencián Barna Barnabás I., Bódi Attila II. díjat nyert dolgozatával. 2011-ben csillagász oklevelet szerzett Boros Rita, Somoskői Tamás és Szűcs László, 2012-ben Kun Emma, Ordasi András, Dózsa Ákos és Orvos István Péter.
2011-12-ben a középiskolások számára az 5. Kulin György Országos Csillagászati Diákvetélkedőt a bajai kollégákkal együtt rendeztük. Az internetes fordulók szakmai tartalmának kitűzését és a beküldött megoldások javítását végeztük el.
Honlapunkon a legújabb oktatási segédanyagunk a csillagász és fizikus MSc szakos hallgatóknak készült Asztrofizika tananyag (http://astro.u-szeged.hu/oktatas/oktatas.html).
A Szegedi Csillagvizsgálóban az MCSE helyi csoportja tartotta időnként foglalkozásait Garami Ádám ill. Sánta Gábor vezetésével. A péntek esti nyitva tartásaink során évente kb. 5000 látogatónk volt. A Csillagászat Napján, a Kutatók Éjszakáján különösen sokan nézhettek az égre távcsöveinkkel.
A csillagvizsgáló megsüllyedése és megrepedése miatt sajnos 2011 és 2012 ősze között nem tudtunk látogatókat fogadni. A Szegedi Tudományegyetem Kísérleti Fizikai Tanszékének műhelye segítségével sikerült a repedéseket megállítani, sőt, az épületet megerősítő különleges acélszerkezettel összehúzni. A tetőterasz burkolatát is ki kellett cserélni, mert fölfagyott. A felújítás mintegy 2,5 millió forintba került. 2012 szeptemberétől újra fogadjuk a látogatókat.
(Meteor csillagászati évkönyv 2014, Magyar Csillagászati Egyesület, Bp. 2013)
