ΒΑΡΥΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

Φτιάχνοντας το γενεαλογικό δέντρο των μαύρων τρυπών

Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων LIGO στο Χάνφορντ (Ουάσιγκτον) των ΗΠΑ. Πηγή: ligo.caltech.edu

Ο χορός δύο πελώριων μαύρων τρυπών μέχρι τελικής πτώσης αποτελεί το πιο πρόσφατο εύρημα των ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων LIGO και Virgo. Οπως ακριβώς προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, η περιφορά της μίας μαύρης τρύπας γύρω από την άλλη οδηγεί στην εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Ετσι, το υπέρβαρο ζευγάρι, που ζύγιζε όσο 85 και 66 Ηλιοι αντίστοιχα, ήταν καταδικασμένο να συγκρουστεί και να γεννήσει μια νέα μαύρη τρύπα, με μάζα 142 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ηλιου. Η τελική μαύρη τρύπα αποτελεί μάλιστα τη μεγαλύτερη που έχει παρατηρηθεί έως σήμερα μέσω βαρυτικών κυμάτων. Το σήμα που έφτασε στους ανιχνευτές είχε διάρκεια μόλις ενός δεκάτου του δευτερολέπτου, διάστημα στο οποίο εκπέμφθηκε ενέργεια εννιαπλάσια από το συνολικό ενεργειακό απόθεμα του Ηλιου, υπό μορφή βαρυτικών κυμάτων.

Κυματισμοί χώρου και χρόνου

Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν κυμάνσεις του ίδιου του χώρου (και του χρόνου!), προκαλώντας στο διάβα τους την περιοδική διαστολή και συστολή του. Οπως η μεταβολή ενός ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου προκαλεί την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (δηλαδή φωτός), έτσι και η μεταβολή ενός βαρυτικού πεδίου οδηγεί στην εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Η ίδια η βαρύτητα ερμηνεύτηκε, πριν από περίπου έναν αιώνα, από τον Αλμπερτ Αϊνστάιν και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, ως η καμπύλωση του χωροχρόνου. Το τεντωμένο σεντόνι του χωροχρόνου παραμορφώνεται λόγω της παρουσίας ενός αστεριού ή ενός πλανήτη, ασκώντας έτσι έλξη σε γειτονικά σώματα.

Καλλιτεχνική αναπαράσταση ζεύγους μαύρων τρυπών που πρόκειται να συγκρουστούν. Πηγή: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)

Οι μαύρες τρύπες παραμορφώνουν τον χωροχρόνο σε τέτοιο βαθμό που ούτε το ίδιο το φως μπορεί να διαφύγει από το βαρυτικό τους πεδίο. Πρόκειται για υπέρπυκνες συγκεντρώσεις ύλης οι οποίες προέρχονται από τη βαρυτική κατάρρευση ενός αστέρα πολύ μεγάλης μάζας. Στη διάρκεια της ζωής του, ένα αστέρι παράγει ενέργεια μέσα από τη διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης, με την καύσιμη ύλη του να αποτελείται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο. Οταν τα στοιχεία αυτά εξαντληθούν, η κατάληξη του αστέρα εξαρτάται κυρίως από το μέγεθός του. Ενας μέσος αστέρας, με μέγεθος όσο του Ηλιου, αποβάλλει σταδιακά τα εξωτερικά του στρώματα, δημιουργώντας ένα νεφέλωμα αερίων, στο κέντρο του οποίου απομένει ο ανενεργός πια πυρήνας του αστέρα, μια αστρική στάχτη που ονομάζεται χαρακτηριστικά «λευκός νάνος». Εάν το αστέρι είναι πολύ μεγαλύτερο από τον Ηλιο (με μάζα δεκάδες φορές μεγαλύτερη), τότε το τέλος της ζωής του σηματοδοτείται από ένα πολύ πιο φαντασμαγορικό γεγονός, μία έκρηξη υπερκαινοφανούς (σουπερνόβα). Το απομεινάρι αυτής της έκρηξης είναι είτε ένας αστέρας νετρονίων, όπου ο ανενεργός πυρήνας του αστέρα συμπιέζεται στον υπέρτατο βαθμό, είτε μια μαύρη τρύπα, όπου ο αστέρας καταρρέει κυριολεκτικά κάτω από το ίδιο του το βάρος, αφήνοντας πίσω μια βαρυτική «τρύπα».

© Australian Astronomical Obse

Αριστερά: Ο υπερκαινοφανής SN 1987A στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου, δορυφόρο του δικού μας Γαλαξία. Δεξιά: Το ίδιο αστέρι πριν εκραγεί. Πηγή: David Malin, Australian Astronomical Observatory

Σε πυκνοκατοικημένες περιοχές των γαλαξιών οι μαύρες τρύπες βρίσκουν συχνά «συνοδούς», εγκλωβίζοντας στο βαρυτικό τους πεδίο άλλες μαύρες τρύπες. Η παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων από τέτοια ζεύγη μαύρων τρυπών αποτελεί πλέον ρουτίνα για τους δύο ανιχνευτές LIGO στις ΗΠΑ και τον ανιχνευτή Virgo στην Ιταλία, παρότι η πρώτη ανίχνευση έλαβε χώρα μόλις το 2015. Το πρόσφατο σήμα GW190521 προστίθεται στη λίστα των υπόλοιπων 12 επιβεβαιωμένων ανιχνεύσεων βαρυτικών κυμάτων από ζεύγη μαύρων τρυπών, μαζί και με τις 2 επιβεβαιωμένες ανιχνεύσεις από ζεύγη αστέρων νετρονίων. Δεκάδες ακόμα σήματα έχουν φτάσει στους ανιχνευτές, τα οποία είτε απαιτούν περαιτέρω ανάλυση είτε δεν είναι αρκετά ισχυρά για να συμπεριληφθούν στον κατάλογο των ανιχνεύσεων.

Η πρόσφατη ανίχνευση συνιστά το πιο μακρινό σήμα βαρυτικών κυμάτων που έχει φτάσει στους ανιχνευτές έως σήμερα, καθώς, τη στιγμή που καταγράφηκε η σύγκρουσή του, το ζευγάρι των μαύρων τρυπών βρισκόταν σε απόσταση 17 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.

Ιδιαιτερότητα μάζας

Αυτό όμως που καθιστά το παρόν σήμα τόσο ενδιαφέρον είναι οι μάζες των δύο μαύρων τρυπών, καθώς τα μοντέλα αστρικής εξέλιξης δείχνουν πως τέτοιες μαύρες τρύπες δεν μπορούν να παραχθούν από τη βαρυτική κατάρρευση ενός αστέρα. Οι συνθήκες στο εσωτερικό ορισμένων αστέρων πολύ μεγάλης μάζας, όταν βρίσκονται σε προχωρημένο στάδιο της εξέλιξής τους, επιτρέπουν τη μετατροπή της παραγόμενης (μέσω πυρηνικής σύντηξης) ακτινοβολίας σε ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων (υποατομικών σωματιδίων που απαρτίζουν την ύλη). Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται «δίδυμη γένεση» και καθιστά το αστέρι ασταθές, με αποτέλεσμα η επικείμενη έκρηξη υπερκαινοφανούς να το καταστρέφει πλήρως, χωρίς να αφήνει πίσω του μαύρη τρύπα. Ετσι, λόγω της αστάθειας δίδυμης γένεσης σε ορισμένους αστέρες πολύ μεγάλης μάζας, δεν είναι δυνατή η δημιουργία μαύρων τρυπών με μάζα από 65 έως 120 μάζες Ηλιου.

Το γεγονός ότι και οι δύο μαύρες τρύπες της πρόσφατης παρατήρησης έχουν μάζα μεγαλύτερη από 65 μάζες Ηλιου (η μία βέβαια οριακά) πρέπει με κάποιον τρόπο να εξηγηθεί. Η απλούστερη και ίσως πιο ενδιαφέρουσα θεωρία είναι πως μαύρες τρύπες με τέτοιες μάζες προέρχονται από τη συγχώνευση μικρότερων μαύρων τρυπών. Με άλλα λόγια, πρόκειται για μαύρες τρύπες δεύτερης (ή ανώτερης) γενιάς, σε σχέση με τις μαύρες τρύπες που παράγονται απευθείας από τη βαρυτική κατάρρευση αστέρων. Αν η υπόθεση αυτή είναι αληθής, θα πρέπει μελλοντικά να παρατηρηθούν ακόμα μεγαλύτερες μαύρες τρύπες, με μάζες εκατοντάδες και χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από αυτήν του Ηλιου. Με τον τρόπο αυτό δύναται να καλυφθεί όλο το πιθανό εύρος μαζών, μέχρι τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα ενεργών γαλαξιών, με μάζες εκατομμυρίων και δισεκατομμυρίων Ηλιων που δύσκολα εξηγούνται με διαφορετικό τρόπο.

Μελλοντικές παρατηρήσεις παρόμοιων συστημάτων θα οδηγήσουν στην παραπέρα εμβάθυνση των υπαρχόντων μοντέλων αστρικής και γαλαξιακής εξέλιξης. Επιπλέον, θα βοηθήσουν στην περαιτέρω κατανόηση της βαρύτητας ως δύναμης, μέσα από τη μελέτη της ακρίβειας των προβλέψεων της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, η οποία μέχρι στιγμής φαίνεται να περνάει με άριστα όλα τα τεστ. Οσο οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων αναβαθμίζονται, ο αριθμός των παρατηρήσεων και των επιβεβαιωμένων ανιχνεύσεων θα αυξάνεται ολοένα και περισσότερο, ενώ παράλληλα αναμένονται και ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων από διαφορετικές πηγές, όπως οι εκρήξεις υπερκαινοφανούς και οι ταχέως περιστρεφόμενοι αστέρες νετρονίων. Ο ιαπωνικός ανιχνευτής KAGRA θα τεθεί επίσης σύντομα σε ισχύ, ενώ ήδη υπάρχουν σχέδια για την επόμενη γενιά επίγειων και διαστημικών ανιχνευτών, καθιερώνοντας έτσι τα βαρυτικά κύματα σημαντικό κομμάτι της σύγχρονης αστρονομίας.

Παντελής ΠΝΙΓΟΥΡΑΣ
Μεταδιδακτορικός ερευνητής, Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον, Ηνωμένο Βασίλειο