Νέο μηχανισμό εκπομπής βαρυτικών κυμάτων μετά τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων αποκαλύπτουν επιστήμονες

Οι αστέρες νετρονίων είναι τα πυκνότερα σώματα που γνωρίζουμε στο Σύμπαν. Όταν συγχωνεύονται, εκπέμπουν βαρυτικά κύματα που θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν την πραγματική κατάσταση της ύλης στο εσωτερικό τους. Μια διεθνής ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετέχει ο καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ κ. Νικόλαος Στεργιούλας, παρουσίασε νέες προσομοιώσεις του φαινομένου, αποκαλύπτοντας ένα νέο μηχανισμό εκπομπής βαρυτικών κυμάτων. Ο νέος αυτός μηχανισμός βασίζεται σε θερμικές αστάθειες που για πρώτη φορά παρατηρήθηκαν σε τέτοιου είδους προσομοιώσεις. H ενδεχόμενη ανίχνευση αυτών των βαρυτικών κυμάτων μελλοντικά, θα αποτελέσει ένα μοναδικό εργαλείο για τη μελέτη της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται κατά τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων. Η εργασία τους δημοσιεύεται στο έγκριτο περιοδικό Physical Review 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 αστέρων νετρονίων (η πηγή ονομάσθηκε GW170817). Ταυτόχρονα, το φαινόμενο παρατηρήθηκε από πλήθος άλλων τηλεσκοπίων και ανιχνευτών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, εγκαινιάζοντας έτσι τη νέα εποχή της αστρονομίας πολλαπλών αγγελιαφόρων.

Η εικόνα δείχνει ένα στιγμιότυπο από τις προσομοιώσεις της συγχώνευσης δύο αστέρων νετρονίων, στο ισημερινό επίπεδο (αριστερά) και στο κάθετο επίπεδο (δεξιά) του συγχωνευμένου αστέρα νετρονίων. Τα χρώματα αντιστοιχούν σε διαταραχές της πυκνότητα της ύλης, οι οποίες βρέθηκε για πρώτη φορά ότι προκαλούνται από θερμικές αστάθειες. Οι διαταραχές αυτές οδηγούν στην εκπομπή ανιχνεύσιμων βαρυτικών κυμάτων σε συγκεκριμένες συχνότητες.

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων από την Ιταλία, την Ισπανία, τις ΗΠΑ και την Ελλάδα, στην οποία συμπεριλαμβάνεται ο καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ κ. Νικόλαος Στεργιούλας, προχώρησε σε προσομοιώσεις της συγχώνευσης αστέρων νετρονίων για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από οποιαδήποτε άλλη προσομοίωση μέχρι σήμερα. Αυτό οδήγησε στην ανακάλυψη ότι μετά από μια αρχική φάση κατά την οποία εξασθενεί η εκπομπή βαρυτικών κυμάτων, εμφανίζονται θερμικές αστάθειες στον αστέρα. Ουσιαστικά, η ύλη στο εσωτερικό του αστέρα οδηγείται σε βρασμό, λόγω της έντονης θερμοκρασίας που αναπτύσσεται κατά τη σύγκρουση των δύο αρχικών αστέρων. Η διεθνής ομάδα βρήκε ότι ως αποτέλεσμα αυτών των θερμικών ασταθειών, ο αστέρας γίνεται και πάλι μια ισχυρή πηγή βαρυτικών κυμάτων. Τα κύματα αυτά, θα μπορούσαν να ανιχνευθούν από τους ανιχνευτές τρίτης γενιάς, που βρίσκονται τώρα στο στάδιο του σχεδιασμού. Ενδεχόμενη ανίχνευση αυτού του νέου μηχανισμού βαρυτικών κυμάτων στο μέλλον, θα επιτρέψει να εξαχθούν σημαντικά συμπεράσματα για τις θερμικές ιδιότητες της ύλης σε πυκνότητες μεγαλύτερες της πυρηνικής (πυκνότητες που δε μπορούν να αναπαραχθούν στο εργαστήριο). Αυτό θα συμπληρώσει τις γνώσεις μας για τις αλληλεπιδράσεις στοιχειωδών σωματιδίων σε ακραίες πυκνότητες και θερμοκρασίες.

Οι ερευνητές της ομάδας από τα Πανεπιστήμια της Πάρμα και της Βαλένθιας είναι μέλη του Ευρωπαϊκού πειράματος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων VIRGO, ενώ ο ερευνητής από το Πανεπιστήμιο της Λουιζιάνας είναι μέλος του αντίστοιχου πειράματος LIGO στις ΗΠΑ. Ο κ. Στεργιούλας συμμετέχει στη διοίκηση του Επιστημονικού Φόρουμ VESF για την υποστήριξη του ανιχνευτή VIRGO καθώς και σε μια νέα, διεθνή ομάδα εργασίας που μελετά την επιστημονική αξιοποίηση μελλοντικών ανιχνευτών τρίτης γενιάς. Οι προσομοιώσεις έγιναν στον υπερ-υπολογιστή ARIS του Εθνικού Δικτύου Έρευνας και Τεχνολογίας (ΕΔΕΤ) στην Αθήνα και σε υπερυπολογιστές του Ευρωπαϊκού δικτύου PRACE στην Ιταλία. Η διεθνής αυτή συνεργασία υποστηρίχθηκε από υποτροφία της δράσης GWVerse (Gravitational Waves, Black Holes and Fundamental Physics) της Ευρωπαϊκής Συνεργασίας στις Επιστήμες και την Τεχνολογία (COST).

Στοιχεία Δημοσίευσης: “Convective excitation of inertial modes in binary neutron star mergers”, R. De Pietri, A. Feo, J. A. Font, F. Löffler, F. Maione, M. Pasquali, N. Stergioulas, Physical Review Letters, 120, 221101 (2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.221101

Επίσης προδημοσίευση με ελεύθερη πρόσβαση: https://arxiv.org/abs/1802.03288