ΑΣΤΕΡΕΣ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Οταν η βαρύτητα αντάμωσε το φως

virgo-gw.eu

Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων «Virgo» στην Πίζα της Ιταλίας

Πέρυσι, στις 14 του Φλεβάρη, στην ίδια στήλη αναφερθήκαμε στην πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από ζεύγος συγκρουόμενων μαύρων τρυπών, σε απόσταση ενός δισεκατομμυρίου ετών φωτός από τη Γη. Οι μαύρες τρύπες, υπολείμματα μεγάλων αστέρων που έχουν εξαντλήσει τα καύσιμά τους, περιφέρονταν η μία γύρω από την άλλη με ιλιγγιώδεις ταχύτητες, διαταράσσοντας το τοπικό βαρυτικό πεδίο. Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, μία τέτοια μεταβολή του βαρυτικού πεδίου διαδίδεται στο χώρο με τη μορφή ακτινοβολίας, που ονομάζεται βαρυτικό κύμα. Η εκπομπή βαρυτικών κυμάτων από το κοσμικό αυτό ντουέτο οδηγεί σταδιακά τα δύο σώματα στη σύγκρουση και στη δημιουργία, τελικά, μίας νέας μαύρης τρύπας.
Εκτοτε, ακόμη τρία (πιθανώς και τέσσερα) παρόμοια συμβάντα έχουν καταγραφεί από τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής, διαλύοντας πλέον κάθε αμφιβολία για την ορθότητα της πρόβλεψης του Αϊνστάιν περί «παλλόμενου χωροχρόνου», σε τέτοιο βαθμό, μάλιστα, ώστε το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε από κοινού στους Ράινερ Βάις, Μπάρυ Μπάρις και Κιπ Θορν, «για τη συμβολή τους στους ανιχνευτές LIGO και στην παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων».
Στις 17 Αυγούστου 2017, δύο μόλις βδομάδες πριν διακόψουν τη λειτουργία τους προκειμένου να αναβαθμιστούν, οι ανιχνευτές LIGO και ο ανιχνευτής Virgo στην Ιταλία «άκουσαν» ένα αλλιώτικο σήμα, ένα σήμα που οι αστρονόμοι σε όλο τον κόσμο περίμεναν από το 1974. Τότε, οι Ράσελ Χαλς και Τζόζεφ Τέιλορ ανακάλυψαν το πρώτο ζεύγος αστέρων νετρονίων, το οποίο, όπως και τα ζεύγη μαύρων τρυπών, αναμένεται να εκπέμπει βαρυτικά κύματα έως ότου οι δύο αστέρες συγκρουστούν βίαια, αφήνοντας πίσω τους είτε ένα νέο υπερμεγέθη αστέρα νετρονίων είτε μία μαύρη τρύπα. Το γεγονός όμως που καθιστά αυτό το συμβάν ακόμα πιο φαντασμαγορικό, είναι ότι, εκτός από το να το «ακούσουμε», μέσω των βαρυτικών κυμάτων, μπορούμε και να το δούμε, μέσω του φωτός!

fermi.gsfc.nasa.gov

Το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα «Fermi»

Πράγματι, σχεδόν ταυτόχρονα με τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, το διαστημικό τηλεσκόπιο «Fermi» της NASA εντόπισε μία έκλαμψη ακτίνων γάμμα (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, φως δηλαδή, πολύ υψηλής ενέργειας), προερχόμενη από το ίδιο σημείο στον ουρανό, στον αστερισμό της Υδρας στο νότιο ημισφαίριο της Γης. Η απόσταση του μακρινού γαλαξία στον οποίο συγκρούστηκαν οι δύο αστέρες νετρονίων υπολογίζεται στα 130 εκατομμύρια έτη φωτός, αρκετά πιο κοντά σε σύγκριση με τα ζεύγη μαύρων τρυπών που έχουν ανιχνευτεί μέχρι σήμερα. Μετά την επιβεβαίωση πως τα βαρυτικά κύματα και οι ακτίνες γάμμα προέρχονται από την ίδια πηγή, ενημερώθηκαν περίπου 70 επίγεια και διαστημικά παρατηρητήρια, ούτως ώστε να στρέψουν την προσοχή τους προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση του ουρανού. Τις βδομάδες που ακολούθησαν, οι παρατηρήσεις όλων αυτών των τηλεσκοπίων έδειξαν πως η εν λόγω πηγή είναι ορατή σε όλο το μήκος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος: ραδιοκύματα, υπέρυθρη ακτινοβολία, ορατό φως, υπεριώδης ακτινοβολία, ακτίνες Χ, ακτίνες γάμμα. Αν προσθέσουμε και τα βαρυτικά κύματα, πρόκειται για την πρώτη αστρονομική παρατήρηση στην ιστορία της ανθρωπότητας που έλαβε χώρα με κάθε διαθέσιμο μέσο!
Το σήμα βαρυτικών κυμάτων που ανιχνεύτηκε από το ζεύγος των αστέρων νετρονίων είχε διάρκεια σχεδόν 100 δευτερολέπτων, σε αντίθεση με τα αντίστοιχα σήματα από ζεύγη μαύρων τρυπών που έχουν διάρκεια μερικά κλάσματα του δευτερολέπτου. Στο διάστημα αυτό, οι αστέρες νετρονίων ολοκλήρωσαν περίπου 1.500 περιφορές ο ένας γύρω από τον άλλο, προτού τελικά συγκρουστούν. Δύο δευτερόλεπτα αργότερα παρατηρήθηκε η έκλαμψη ακτίνων γάμμα, η οποία συνήθως αποδίδεται στην ταχύτατη εκτίναξη ύλης μετά τη σύγκρουση των δύο αστέρων, σε μορφή πίδακα, και αποτελεί ένα από τα πιο πλούσια σε παραγωγή ενέργειας φαινόμενα στο σύμπαν. Κατόπιν, η εκπομπή φωτός από τη ραδιενεργό διάσπαση βαρέων στοιχείων που δημιουργούνται μετά τη σύγκρουση, σε μια διαδικασία που ονομάζεται «κιλονόβα», ήρθε να επιβεβαιώσει άλλη μία πρόβλεψη της θεωρίας: Τα βαρέα στοιχεία της φύσης δημιουργούνται από συγκρούσεις αστέρων νετρονίων στους γαλαξίες.

ligo.caltech.edu

Καλλιτεχνική απεικόνιση της σύγκρουσης δύο αστέρων νετρονίων

Μέχρι σήμερα, αποτελεί κοινώς αποδεκτή διαπίστωση πως χημικά στοιχεία ελαφρύτερα του σιδήρου παράγονται μέσω πυρηνικής σύντηξης στο εσωτερικό των αστέρων και απελευθερώνονται στο διάστημα μέσα από το κύκνειο άσμα τους, μία θεαματική έκρηξη υπερκαινοφανούς («σουπερνόβα»). Τα βαρύτερα στοιχεία όμως (των οποίων τα άτομα αποτελούνται από δεκάδες πρωτόνια και νετρόνια, τους δομικούς λίθους της ύλης) απαιτούν περιβάλλοντα ακόμα υψηλότερων ενεργειών προκειμένου να δημιουργηθούν. Η παρατήρηση φασμάτων βαρέων στοιχείων, όπως ο χρυσός και ο λευκόχρυσος, μετά τη σύγκρουση των δύο αστέρων νετρονίων δίνει πλέον βάση στην εικασία πως αυτές οι συγκρούσεις συνιστούν εργοστάσια παραγωγής χημικών στοιχείων της φύσης. Είναι χαρακτηριστικό ότι οι ποσότητες χρυσού και λευκόχρυσου που παρήχθησαν από το συγκεκριμένο γεγονός υπολογίζεται ότι είναι ίσες με δέκα φορές τη μάζα του πλανήτη μας (αν και θα είναι δύσκολο να «εξορυχτούν»)!
Η σημασία όμως της ανίχνευσης δεν τελειώνει εδώ. Οι παρατηρήσεις συγκρουόμενων αστέρων νετρονίων προβλέπεται να ρίξουν φως σε ένα ακόμα άλυτο ερώτημα της σύγχρονης Φυσικής: Πώς συμπεριφέρεται η ύλη σε ακραίες συνθήκες. Επίγεια πειράματα, όπως η σύγκρουση υποατομικών σωματιδίων σε γιγάντιους επιταχυντές στο CERN της Ελβετίας, μπορούν να δώσουν ένα μέρος της απάντησης. Από την άλλη, οι αστέρες νετρονίων συνιστούν τις πιο πυκνές συγκεντρώσεις ύλης που γνωρίζουμε, όντας έτσι κατάλληλοι για τη μελέτη της ύλης σε συνθήκες που δεν μπορούν να αναπαραχθούν σε πειράματα.
Οπως και οι μαύρες τρύπες, οι αστέρες νετρονίων αποτελούν υπολείμματα αστέρων οι οποίοι, έχοντας εξαντλήσει τα καύσιμά τους, εκρήγνυνται, αφήνοντας πίσω τους μία «στάχτη» νετρονίων με μάζα περίπου 1-2 φορές τη μάζα του Ηλιου, συμπιεσμένη σε μία σφαίρα διαμέτρου 20 χιλιομέτρων - συγκριτικά, η διάμετρος του Ηλιου είναι πάνω από ένα εκατομμύριο χιλιόμετρα! Οι αστέρες νετρονίων είναι τόσο πυκνοί που ένα κουταλάκι από την ύλη τους ζυγίζει περισσότερο από ολόκληρο τον πληθυσμό της Γης! Παρ' όλα αυτά, παραμένει άγνωστη η ακριβής μορφή της ύλης στο εσωτερικό τους, η λεγόμενη «καταστατική εξίσωσή» τους.
Οι συγκρούσεις αστέρων νετρονίων αποτελούν ιδανικά «εργαστήρια» μελέτης της ύλης σε υψηλές ενέργειες και πυκνότητες. Ηδη από την πρώτη αυτή ανίχνευση, οι επιστήμονες έχουν τη δυνατότητα να θέσουν κάποιους περιορισμούς στο πώς συμπεριφέρεται η ύλη σε ακραίες συνθήκες, μελετώντας την επίδραση των παλιρροϊκών δυνάμεων μεταξύ των αστέρων στο σήμα των βαρυτικών κυμάτων. Παρά τη σπανιότητα τέτοιων συμβάντων (υπολογίζεται ότι σε ένα γαλαξία όπως ο δικός μας, λαμβάνει χώρα μία περίπου σύγκρουση αστέρων νετρονίων ανά δέκα χιλιάδες χρόνια), οι ανιχνευτές παρατηρούν ταυτόχρονα εκατομμύρια γαλαξίες, αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα να εντοπίσουν κάποιο ενδιαφέρον σήμα.
Σε περίπου ένα χρόνο, όταν ολοκληρωθούν οι εργασίες αναβάθμισης στους ανιχνευτές, αναμένεται η παρατήρηση και άλλων παρόμοιων συμβάντων, τα οποία θα προσφέρουν ακόμα περισσότερες πληροφορίες για όλα τα παραπάνω, και όχι μόνο. Θεωρίες που επιχειρούν να συμπληρώσουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας, αλλά και πτυχές της σύγχρονης κοσμολογίας, μπορούν να ελεγχθούν μέσω τέτοιων παρατηρήσεων. Οι περίπου 70 ερευνητικές εργασίες που δημοσιεύτηκαν την επομένη της ανακοίνωσης της ανίχνευσης, αποτελούν μόνο την αρχή της νέας εποχής στην οποία εισήλθε η αστρονομία, με την ταυτόχρονη παρατήρηση βαρυτικών και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Από την εποχή των Μιλησίων φιλοσόφων έως σήμερα, η επιστήμη προχωράει δίνοντας απαντήσεις, μα και γεννώντας νέες ερωτήσεις. Φαίνεται όμως πως αυτή η διαρκής αναζήτηση συνιστά κομμάτι μιας αδήριτης ανάγκης. Οπως άλλωστε τόσο εύγλωττα είχε πει ο γνωστός αστρονόμος Καρλ Σάγκαν, είμαστε φτιαγμένοι από αστρόσκονη, από στοιχεία που τα αστέρια σκορπούν στο διάστημα, κάνοντάς μας έτσι μία έκφανση, έναν τρόπο του σύμπαντος να γνωρίσει τον εαυτό του.

Παντελής ΠΝΙΓΟΥΡΑΣ
Μεταδιδακτορικός ερευνητήςστο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον, Αγγλία