Physics Geek
Του
Μιχάλη Σαρρή

Το σύμπαν όσο περισσότερο το ερευνούμε τόσο συνεχίζει να μας εντυπωσιάζει με τα μυστικά του. Το Σεπτέμβριο του 2015 με το LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) σημειώθηκε μία πρωτοφανή ανακάλυψη, αυτή των βαρυτικών κυμάτων, η οποία επάξια χάρισε το φετινό βραβείο Nobel στους αντίστοιχους ερευνητές. Τώρα, ένα καινούργιο εύρημα ταράζει τα νερά της επιστήμης αφού τώρα ανιχνεύθηκαν βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση δύο αστρών νετρονίων.

Άστρα νετρονίων ονομάζουμε κατάλοιπα αστέρων μεγαλύτερης μάζας από του ηλίου τα οποία προχώρησαν σε ένα υπερκαινοφανή τύπου ΙΙ αλλά μπορεί και από τύπους Ιa και Ιb. Η μάζα τους κυμαίνεται από 1,34 έως 2.5 μάζες Ηλίου αλλά με διάμετρο μόλις μερικών χιλιομέτρων. Αποκτούν τεράστια πυκνότητα και λόγω των εξαιρετικών πιέσεων τα περισσότερα πρωτόνια εκφυλίζονται με την επαφή τους με τα ηλεκτρόνια δημιουργώντας νετρόνια. Έχουν εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία και ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Περιστρέφονται με περιόδους μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου έως και μερικών δευτερολέπτων. Ταυτίζονται γενικότερα με τα πάλσαρ τα οποία είναι γνωστά ως ισχυρές παλλόμενες ραδιοπηγές.

Τι είναι τα βαρυτικά κύματα;

Ήδη από το λύκειο μπορεί να έρθει κάποιος αντιμέτωπος με την έννοια του βαρυτικού πεδίου. Μόλις μία μάζα εμφανιστεί στο χώρο δημιουργείται ένα βαρυτικό πεδίο και κάθε άλλη μάζα που θα τοποθετηθεί σε αυτόν τον χώρο πρόκειται να αλληλεπιδράσει μαζί της και να δεχθούν δυνάμεις ίσες και αντίθετες βάση του τρίτου νόμου του Νεύτωνα, των οποίων το μέτρο υπολογίζεται από το νόμο της παγκόσμιας έλξης. Ο ίδιος λέει ότι η δύναμη που θα δεχθεί το σώμα είναι ανάλογη του γινομένου των μαζών και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της αποστάσεως.

Νόμος παγκόσμιας έλξης

Μετά από αρκετά χρόνια η βαρύτητα πρόκειται να αποκτήσει μια τελείως διαφορετική φύση και αυτό χάρη στον Einstein. Με τη γενική θεωρία της σχετικότητας ο Einstein καταφέρνει κάτι το συγκλονιστικό. Ο τετρασδιάστατος χωρόχρονος δεν είναι απλώς ένα στατικό πράγμα. Αλληλεπιδρά και είναι ευλύγιστος. Τώρα η μάζα διαστρεβλώνει και καμπυλώνει τον χωροχρόνο και αυτή η καμπύλωση δημιουργεί την βαρύτητα. Λόγω του τρόπου που συμπεριφέρεται ο χωροχρόνος οι μάζες μπορούν και δημιουργούν κύματα, ακριβώς με τον τρόπο που ένα βότσαλο δημιουργεί κύματα στην επιφάνεια του νερού. Οποιαδήποτε μάζα δημιουργεί πρακτικά βαρυτικά κύματα τα οποία απλώς είναι πρακτικά αδύνατο να ανιχνευτούν. Όταν όμως ένα ιδιαίτερα βίαιο γεγονός συμβεί υπάρχει η απαιτούμενη ενέργεια ώστε αυτά τα κύματα να μπορούν να εντοπιστούν από τους ανιχνευτές.

Η εξίσωση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας- Από πίσω κρύβονται άλλες 10 διαφορετικές εξισώσεις που                       περιγράφουν τις αλληλεπιδράσεις της βαρύτητας ως αποτέλεσμα ενός καμπυλωμένου χωροχρόνου

Ποια είναι η διαφορά αυτή τη φορά;

Τα βαρυτικά κύματα, την πρώτη φορά αλλά και τις επακόλουθες, δημιουργήθηκαν από τη συγχώνευση δύο μελανών οπών. Οπότε δεν υπήρχε τρόπος να εξαχθούν παραπάνω δεδομένα για αυτό το γεγονός αφού δεν υπάρχει τρόπος για την άμεση παρατήρηση τους. Αυτή τη φορά όμως ο ουρανός πλημύρρισε με ακτινοβολία, δίνοντας μας την ευκαιρία να συλλέξουμε πλήθος στοιχείων. Η πηγή των βαρυτικών κυμάτων GW170817 , η οποία βάση των δεδομένων προκλήθηκε από τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων, μπόρεσε να παρατηρηθεί και ηλεκτρομαγνητικά με αποτέλεσμα να είναι το πρώτο τέτοιο συμβάν που εξετάζεται με τόσους διαφορετικούς τρόπους ενώ ταυτόχρονα προσφέρει υλικό για την μελέτη υπέρπυκνης ύλης.

Στις 17 Αυγούστου 2017 οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO και Virgo εντόπισαν ένα συμβάν πιθανότατα από ένα διπλό σύστημα αστέρων νετρονίων συνολικής μάζας 2.7(+0.04/-0.01) Μάζες Ηλίου με πιθανότητα λάθους λιγότερη από μία στα 8*10^4 χρόνια. Η απόσταση του υπολογίστηκε στα 40(+8/-14)Mpc και η τοποθεσία του προσδιορίστηκε σε μία περιοχή της τάξης των 28deg^2 με αποτέλεσμα να είναι το πιο κοντινό και με επιτυχία εντοπισμένο συμβάν που έχουμε παρατηρήσει. Μετά από 1.7 s το τηλεσκόπιο Fermi κατέγραψε την έκλαμψη ακτίνων γ GRB 170817A προσφέρωντας για πρώτη φορά την άμεση σύνδεση μεταξύ των γεγονότων αυτών και των εκλάμψεων ακτίνων γ. Παράλληλα επιβεβαίωσε για άλλη μια φορά την γενική θεωρία της σχετικότητας η οποία προβλέπει ότι αυτά τα κύματα εξαπλώνονται με την ταχύτητα του φωτός.  Έπειτα όργανα παρατήρησης που από όλα τα τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος εντόπισαν την πηγή στον γαλαξία NGC 4993 στον αστερισμό της Ύδρας ταυτοποιόντας το συμβάν ως την συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων.

APS/Alan Stonebraker, adapted from simulations by NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla

Το γεγονός αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για τους αστρονόμους καθώς προσφέρει χώρο για διερεύνηση σε μεγάλα ερωτήματα της αστροφυσικής. Το υλικό το οποίο εκτοξεύθηκε προς τα έξω προκάλεσε μία έντονη λάμψη γνωστή ως κιλονόβα. Εκεινή τη στιγμή η ύλη που εκτινάχθηκε συμμετείχε σε μία r-process nucleosynthesis (γνωστή και ως rapid neutron-capture process).  Χάρη σε αυτή υπολογίζεται ότι σχηματίστηκε το μεγαλύτερο ποσοστό στοιχείων βαρύτερων του σιδήρου. Μία τέτοια διαδικασία λαμβάνει χώρα σε περιοχές όπου υπάρχει ιδιαίτερα μεγάλη πυκνότητα νετρονίων. Έτσι πυρήνες μεγαλύτεροι του σιδήρου, οι οποίοι μπορούν να δημιουργήσουν σταθερά ισότοπα αιχμαλωτίζοντας 6-10 νετρόνια. Η διαδικασία γίνεται ύπο ακραίες τιμές θερμοκρασίας και πίεσης ώστε οι πυρήνες να μην προλάβουν να προβούν σε ραδιενεργή διάσπαση πριν αιχμαλωτίσουν άλλο ένα νετρόνιο για αυτό το λόγω χρειάζεται γεγονότα όπως κατάρρευση ενός πυρήνα σε ένα σουπερνόβα ή η εκτίναξη υλικών κατά τη διάρκεια της συγχώνευσης ενός διπλού συστήματος νετρονίων.

Αφού η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων επέτρεψε να τεθούν όρια για τις ιδιότητες της εκτοξευμένης μάζας, η παρατήρηση της μεταβολής της φωτεινότητας και του φάσματος που διήρκεσε μία  εβδομάδα επέτρεψε να εξαχθούν συμπεράσματα για το κατά πόσο τα γεγονότα αυτά συνεισφέρουν στην κατανομή των βαρύτερων στοιχείων μέσα στο σύμπαν. Το φάσμα ξεκίνησε από μπλε ρουαγιάλ και κατέληξε βυσσινί καθώς τα πιο ελαφρά χημικά στοιχεία έδιναν τη θέση τους στα βαρύτερα όπως ο χρυσός, η πλατίνα και το ασήμι. Τέλος, επιβεβαίωσε τις υποψίες των αστροφυσικών ότι τέτοια συμβάντα πρέπει να είναι αρκετά συχνά.

Περισσότερα δεδομένα αναμένεται να ανιχνευθούν στο σύντομο μέλλον από παρόμοια συμβάντα διευρύνοντας ακόμα περισσότερο τις γνώσεις μας στους αστέρες νετρονίων, στην κατάσταση του υλικού στο εσωτερικό τους καθώς και στο πιθανό αποτέλεσμα της συγχώνευσής τους.

Βιβλιογραφία:

Predicting the aftermath of the neutron star collision that produced GW170817 :https://www.ligo.org/science/Publication-GW170817Kilonova/flyer.pdf

GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101