Τα βαρυτικά κύματα αποκαλύπτουν το ελάχιστο μέγεθος των αστέρων νετρονίων

Οι αστέρες νετρονίων είναι τα πυκνότερα σώματα που γνωρίζουμε στο Σύμπαν. Ωστόσο, τα ακριβή χαρακτηριστικά τους παραμένουν άγνωστα. Συνδυάζοντας την πρόσφατη παρατήρηση της συγχώνευσης ενός ζεύγους αστέρων νετρονίων με θεωρητικές προσομοιώσεις, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων, στην οποία συμμετέχει ο καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ κ. Νικόλαος Στεργιούλας κατάφερε να υπολογίσει, για πρώτη φορά, ένα αυστηρό όριο για το ελάχιστο δυνατό μέγεθος που μπορεί να έχουν οι αστέρες αυτοί. Η εργασία τους δημοσιεύθηκε στο τεύχος Δεκεμβρίου του περιοδικού Astrophysical Journal Letters.

Όταν ένας κανονικός αστέρας με μεγάλη μάζα εξαντλήσει την ικανότητά του να παράγει ενέργεια, ο πυρήνας του καταρρέει και σχηματίζεται ένας πάρα πολύ συμπαγής αστέρας νετρονίων, ενώ τα εξωτερικά στρώματα του αρχικού αστέρα αποβάλλονται εκρηκτικά Πρόσφατα, παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO και Virgo η συγχώνευση δύο τέτοιων αστέρων νετρονίων, ενώ μετρήθηκε η συνολική μάζα του διπλού συστήματος και βρέθηκε ίση με 2,7 ηλιακές μάζες. Με βάση αυτή την παρατήρηση, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων από τη Γερμανία, την Ελλάδα, και την Ιαπωνία, συμπεριλαμβανομένων του καθηγητή του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ κ. Νικολάου Στεργιούλα, κατάφερε να θέσει ένα αυστηρό όριο στο ελάχιστο μέγεθος των αστέρων νετρονίων, με τη βοήθεια λεπτομερών προσομοιώσεων σε υπερ-υπολογιστή. Λαμβάνοντας υπόψη τη θεωρία της σχετικότητας, οι ερευνητές έδειξαν, για πρώτη φορά, ότι η ακτίνα ενός αστέρα νετρονίων πρέπει να είναι αυστηρώς μεγαλύτερη από 10,7 χιλιόμετρα. Με βάση το αποτέλεσμα αυτό, περιορίζονται οι πιθανές καταστάσεις τις ύλης στο εσωτερικό των αστέρων νετρονίων. Τα αποτελέσματα της διεθνούς ερευνητικής ομάδας δημοσιεύονται στο έγκριτο περιοδικό «Astrophysical Journal Letters».

Οι συγχώνευση ενός ζεύγους αστέρων νετρονίων συμβαίνει εξ’ αιτίας της εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα πολύ βαρύ αστέρι που μπορεί να επιβιώσει για ένα λίγο, πριν καταρρεύσει και μετατραπεί σε περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα. Η ερευνητική ομάδα προσομοίωσε πολλά σενάρια συγχώνευσης αστέρων νετρονίων, χρησιμοποιώντας διάφορες υποθέσεις για τις ακριβείς ιδιότητες της ύλης σε μεγάλες ενέργειες και θερμοκρασίες. Χρησιμοποιώντας τις μάζες που μετρήθηκαν για την πηγή GW170817 που ανιχνεύτηκε πρόσφατα και με δεδομένο ότι η έντονη ακτινοβολία που παρατηρήθηκε μέσω άλλων επίγειων και διαστημικών τηλεσκοπίων δε δικαιολογεί μια άμεση δημιουργία μαύρης τρύπας, προέκυψε το αυστηρό όριο για το ελάχιστο μέγεθος των αστέρων νετρονίων. Η νέα μέθοδος θα επιτρέψει ακόμη καλύτερο περιορισμό της ακτίνας των αστέρων νετρονίων με μελλοντικές παρατηρήσεων συγχώνευσης ζευγών μεγαλύτερης μάζας. Αυτό αναμένεται να επιτευχθεί όταν τεθούν ξανά σε λειτουργία οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO στις ΗΠΑ και Virgo στην Ιταλία. Ο ακριβής προσδιορισμός της ακτίνας των αστέρων νετρονίων θα μπορούσε να επιτευχθεί με ανιχνευτές τρίτης γενιάς.

Ο κ. Στεργιούλας συμμετέχει στη διοίκηση του Επιστημονικού Φόρουμ για την υποστήριξη του ανιχνευτή VIRGO καθώς και σε μια νέα, διεθνή ομάδα εργασίας που μελετά την επιστημονική αξιοποίηση του μελλοντικού ανιχνευτή τρίτης γενιάς Einstein Telescope. Μέρος των προσομοιώσεων έγιναν στο νέο υπερ-υπολογιστή ARIS του Εθνικού Δικτύου Έρευνας και Τεχνολογίας (ΕΔΕΤ) στην Αθήνα. Ο κ. Andreas Bauswein υπήρξε για δύο έτη μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του κ. Στεργιούλα στο ΑΠΘ, μέσω υποτροφίας Marie-Curie Individual Fellowships της Ευρωπαϊκής Επιτροπής και σήμερα είναι ερευνητής στη Χαϊδελβέργη, έχοντας λάβει υποτροφία ERC. Τα αποτελέσματα της εργασίας που δημοσιεύεται σήμερα ανακοινώθηκαν σε ημερίδα με θέμα τους αστέρες νετρονίων και τα βαρυτικά κύματα που διοργανώθηκε στο Αστεροσκοπείο του ΑΠΘ, στα πλαίσια τριετούς ακαδημαϊκής συνεργασίας τεσσάρων καθηγητών του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ με την αντίστοιχη ερευνητική ομάδα του κ. Κόκκοτα στο Πανεπιστήμιo του Tuebingen, με υποστήριξη από το Γερμανικό Ίδρυμα Υποτροφιών DAAD.

Περισσότερα στη δημοσίευση: Neutron-star Radius Constraints from GW170817 and Future Detections. Astrophysical Journal Letters. (ημερομηνία: 1 Δεκεμβρίου 2017)