Προς μια νέα αστρονομία: Για πρώτη φορά ανιχνεύονται φως και βαρυτικά κύματα από το ίδιο γεγονός στο διάστημα

Στα εκατοντάδες προηγούμενα χρόνια, η αστρονομία εξελίχθηκε από την χαρτογράφηση με το χέρι του νυχτερινού ουρανού στην αποτύπωση συγκλονιστικών εικόνων τηλεσκοπίων του πολύ μακρινού σύμπαντος. Όμως παρόλο που υπήρξε αυτή η αναπτυγμένη τεχνολογία, οι περισσότερες από τις πληροφορίες μας σχετικά με το σύμπαν προέρχονται από τους αγγελιοφόρους που ονομάζονται φωτόνια. Αυτό άλλαξε τον Σεπτέμβριο του 2015 με την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από
συγχώνευση δυο μελανών οπών από το LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), ένα επίτευγμα που αναγνωρίστηκε από την επιστημονική κοινότητα με την απονομή τη φετινή χρονιά, το 2017, του βραβείου Nobel για τη Φυσική.

Το όμοιο με τιτίβισμα σήμα, που προκλήθηκε από μια παραμόρφωση του χωροχρονικού συνεχούς που διαδίδεται, παρέχοντάς μας ένα νέο τρόπο να αισθανόμαστε το σύμπαν, σαν να είμαστε ικανοί να το ακούσουμε, όταν πριν μπορούσαμε μόνο να το δούμε. Τώρα, το LIGO και το αδελφό του πείραμα, Virgo, έχουν πρωτοπορήσει και πάλι με την κοινή τους ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από τη συγχώνευση δυο άστρων νετρονίων (video 1). Αντίθετα από τη συγχώνευση μελανών οπών, που είναι πρακτικά αόρατη, ένα γεγονός συγχώνευσης άστρων νετρονίων συνοδεύεται από εκπομπή στην περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Δεδομένα από πολλά τηλεσκόπια δείχνουν ότι η συγχώνευση που ανιχνεύθηκε παρήγαγε άλλο ένα κοσμολογικό θέαμα, μια σύντομη έκρηξη ακτίνων γάμμα. Αυτή η από καιρό αναμενόμενη ικανότητα ταυτόχρονης σύγκρισης σημάτων και «ήχων» από το ίδιο αντικείμενο του διαστήματος ανοίγει εντελώς νέους δρόμους για να ανιχνευθεί η σχέση μεταξύ βαρύτητας, φωτός και ύλης.

Τα άστρα νετρονίων βρίσκονται ανάμεσα στα πιο εξωτικά αντικείμενα του σύμπαντος. Ένα τυπικό άστρο νετρονίων έχει μάζα μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου μας, αλλά διάμετρο μόλις πάνω από 16,1 χιλιόμετρα. Το συμπαγές αυτό αντικείμενο επίσης περιστρέφεται εξαιρετικά γρήγορα, με ορισμένα να ολοκληρώνουν μια περιστροφή σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Το πρώτο διπλό σύστημα άστρων νετρονίων ανακαλύφθηκε το 1974 από τους Russell Hulse και Joseph Taylor. Παρατηρήσεις παλμών ραδιοκυμάτων από τα άστρα έδειξαν ότι η τροχιά τους συρρικνώνονταν με ρυθμό των 10 χιλιοστών ανά έτος – ακριβώς το ποσό που αναμένονταν εάν το διπλό σύστημα χάνει ενέργεια από την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Οι μετρήσεις αυτές παρείχαν την πρώτη απόδειξη ότι τέτοια κύματα υπάρχουν και το έργο των Hulse και Taylor αναγνωρίστηκε με το Nobel για τη Φυσική του 1993.

Ραδιοεπισκοπήσεις έχουν τώρα αποκαλύψει περίπου μια δωδεκάδα διπλών συστημάτων άστρων νετρονίων, όλα μέσα στον δικό μας Γαλαξία. Κανένα από αυτά τα ζεύγη δεν θα συγχωνευθεί για εκατομμύρια χρόνια, όμως διπλά συστήματα έξω από το Γαλαξία μας σίγουρα υπάρχουν και οι επιστήμονες θεωρούν ότι έχουν έμμεσα στοιχεία, για εξωγαλαξιακές συγχωνεύσεις, με τη μορφή σύντομων εκρήξεων ακτίνων γάμμα (GRBs). Αυτές οι έντονες εκλάμψεις ακτίνων γάμμα διαρκούν περίπου ένα δευτερόλεπτο, όμως μπορούν να περιέχουν τόση ενέργεια όση εκπέμπει ο Ήλιος σε ένα τρισεκατομμύριο χρόνια. Αυτό είναι ποσό ενέργειας όμοιο με αυτό που αναμένεται από ένα διπλό σύστημα άστρων νετρονίων που συγχωνεύονται, πράγμα που δείχνει γιατί οι ερευνητές συνδυάζουν τέτοιες συγχωνεύσεις με τις GRBs.

Απεικόνιση των τελικών σταδίων της συγχώνευσης ενός ζεύγους άστρων νετρονίων (kilonova)

Τα αποτελέσματα των LIGO/Virgo παρέχουν την πρώτη άμεση απόδειξη ότι η υπόθεση αυτή είναι σωστή. Για να ανιχνεύσουν ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα, το LIGO, στις Ηνωμένες Πολιτείες, χρησιμοποιεί δυο σχήματος L συμβολόμετρα που βρίσκονται σε απόσταση 3000 χιλιομέτρων, ενώ το Virgo, στην Ιταλία, χρησιμοποιεί επίσης ένα τέτοιο συμβολόμετρο. Τον Αύγουστο του 2017, εβδομάδες μόλις μετά αφότου το πρόσφατα αναβαθμισμένο Virgo συνδέθηκε με την έρευνα του LIGO, τα δυο πειράματα ανίχνευσαν σήμα ενός βαρυτικού κύματος του οποίου το σχήμα ταίριαζε με αυτό που προβλέπονταν να προέρχεται από τη συγχώνευση των δυο συμπαγών αντικειμένων. Η ανάλυση των συνεργασιών LIGO και Virgo των περίπου 100 δευτερολέπτων δεδομένων δείχνει ότι τα αντικείμενα ήταν μεταξύ 1 και 2 ηλιακών μαζών, συνεπή με γνωστές μάζες άστρων νετρονίων. Σε σύγκριση με την πρώτη ανίχνευση του LIGO, το γεγονός αυτό ήταν πολύ πιο κοντά – 130 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά αντί του ενός δισεκατομμυρίου ετών φωτός – και είχε ως συνέπεια ένα ισχυρότερο σήμα. Επιπλέον, με τα τρία συμβολόμετρα οι επιστήμονες μπόρεσαν να εντοπίσουν το γεγονός της συγχώνευσης σε ένα τμήμα του ουρανού 28 τετραγωνικών μοιρών, το οποίο είναι 20 φορές μικρότερο από τον εντοπισμό της πρώτης ανίχνευσης του LIGO.

Αυτές οι πληροφορίες που σχετίζονται με την κατεύθυνση επέτρεψαν στις ομάδες των LIGO και Virgo να συσχετίσουν το σήμα του βαρυτικού κύματος με την σύντομη GRB, η οποία ανιχνεύτηκε 1,7 δευτερόλεπτα και προέρχεται από την ίδια κατεύθυνση στον ουρανό από δυο τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα, τα Fermi και INTEGRAL. Η σύντομης διάρκειας καθυστέρηση μεταξύ των δυο σημάτων καθαρά συνδέει τις βραχείες GRBs με τις συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων. Επίσης περιορίζει την ταχύτητα των βαρυτικών κυμάτων, τα οποία από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας προβλέφθηκε να έχουν την ταχύτητα του φωτός. Πολλά άλλα τηλεσκόπια επίσης παρακολούθησαν το φωτεινό ίχνος της εκρηκτικής συγχώνευσης σε ραδιοφωνικά, υπέρυθρα, οπτικά και ακτίνων-Χ μήκη κύματος, προσδιορίζοντας την συγχώνευση στον γαλαξία NGC 4993 στον αστερισμό Ύδρα.

Η παρατήρηση από το Hubble του φαινομένου kilonova, στον φακοειδή γαλαξία NGC 4993, που σταδιακά αδυνατίζει κατά τη διάρκεια έξι ημερών, όπως δείχνουν οι παρατηρήσεις που ελήφθησαν μεταξύ 22 και 28 Αυγούστου.

Το γεγονός ότι η μέχρι τώρα ισχυρότερη, πλησιέστερη και ακριβέστερα εντοπισμένη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, έγινε επίσης τόσο σύντομα μετά από τότε που οι συνεργασίες LIGO και Virgo άρχισαν τη συνδεδεμένη τους έρευνα, επιβεβαιώνει ότι είχαν προβλέψει οι επιστήμονες: υπάρχει ένας μεγάλος πληθυσμός συγχωνεύσεων άστρων νετρονίων εκεί έξω για να τις παρατηρήσουμε. Διάφορα ακόμη γεγονότα αναμένονται αυτή τη χρονιά και δεκάδες περισσότερα κατά τη διάρκεια των επόμενων χρόνων. Με το σήμα από κάθε ένα νέο γεγονός, οι ερευνητές θα μπορέσουν να εξάγουν ιδιότητες όπως η μάζα, το σπιν, το μέγεθος και το σχήμα των άστρων που θα οδηγήσουν σε αυστηρότερους περιορισμούς στην εξίσωση κατάστασης του άστρου νετρονίων. Θα μπορέσουν επίσης να ελέγξουν εάν η τελική κατάσταση μιας συγχώνευσης άστρων νετρονίων είναι ένα ακόμη μεγαλύτερο άστρο νετρονίων ή μια μαύρη τρύπα. Επιπροσθέτως, οι ερευνητές μπορεί να πετύχουν μια καλύτερη διαχείριση στο υπόβαθρο από όλες τις συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων στο σύμπαν, που παρέχει μοναδικές πληροφορίες σχετικές με τους αστρικούς πληθυσμούς και τη φυσική των συγχωνεύσεων.

Στον ορίζοντα υπάρχουν επίσης περισσότεροι έλεγχοι γενικής φυσικής. Το βαρυτικό κύμα από μια συγχώνευση είναι μια «τυπική σειρήνα», που σημαίνει ότι όλες οι πηγές έχουν την ίδια εγγενή ακουστότητα. Το σήμα μπορεί έτσι να χρησιμοποιηθεί να βρεθεί η απόσταση του γαλαξία στον οποίο έγινε η συγχώνευση των άστρων νετρονίων. Τέτοιες μετρήσεις μπορούν με τη σειρά να χρησιμοποιηθούν για να προσδιοριστεί η σταθερά Hubble, που περιγράφει την διαστολή του σύμπαντος, αν και απαιτούνται πολύ περισσότερες ανιχνεύσεις για να επιτευχθεί η ακρίβεια των τρεχουσών καλύτερων εκτιμήσεων της σταθεράς. Επίσης, επειδή οι συγχωνεύσεις των άστρων νετρονίων διαρκούν λίγο περισσότερο από ότι οι συγχωνεύσεις των μελανών οπών, επιτρέπουν πολύ περισσότερο ευαίσθητες έρευνες για αποκλίσεις από τη γενική σχετικότητα, που έχουν προβλεφθεί από εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας.

Όμως το αληθινά πρωτοσέλιδο νέο του αποτελέσματος των LIGO/Virgo είναι η ανίχνευση τόσο βαρυτικών κυμάτων όσο και ηλεκτρομαγνητικών σημάτων από την ίδια πηγή. Αυτό θα επιτρέψει τελείως νέους κοσμολογικούς ελέγχους. Για παράδειγμα, μπορούμε τώρα να εξερευνήσουμε πώς επηρεάζονται τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα από αντικείμενα που συγχωνεύονται, από τη μάζα και την περιστροφή των αντικειμένων, δυο ποσότητες που μπορούν να αλιεύονται άμεσα από την ανάλυση των βαρυτικών κυμάτων. Παρομοίως, η φωτεινότητα του ηλεκτρομαγνητικού σήματος και η καθυστέρησή του σχετικά με ένα βαρυτικό κύμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διερευνηθεί η φυσική της βαρύτητας (όπως η αρχή ισοδυναμίας) με τρόπους που δεν ήταν δυνατοί με τον οποιοδήποτε, από τους δυο τύπους παρατήρησης, μόνο του.

Η ταινία μας του σύμπαντος δεν είναι πια βουβή αλλά αντί αυτού συνοδεύεται από μια στριγλιά βαρυτικού κύματος. Εισερχόμαστε στη νέα και πολύ-αναμενόμενη περιοχή της «πολύ-μαντατοφόρας» αστρονομίας, στη οποία μπορούμε να παρατηρούμε μια πηγή μέσω τόσο των βαρυτικών κυμάτων όσο και των φωτονίων. Η ιστορία δείχνει ότι νέα παρατηρησιακά εργαλεία συχνά οδηγούν στην ανακάλυψη φαινομένων που δεν είχαμε ποτέ φανταστεί. Έτσι πάρτε μια πολυθρόνα, πιάστε τις παπαδούλες και απολαύστε αυτό που σίγουρα θα είναι μια μεγάλη παράσταση.

* Το άρθρο είναι της Maura McLaughlin (Department of Physics and Astronomy, West Virginia University)

Πηγή: American Physical Society

Περισσότερα στη δημοσίευση: GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral. Physical Review Letters.