Τρίτο είδος δημιουργίας βαρυτικών κυμάτων από συγκρούσεις Άστρων Νετρονίων με Μαύρες Τρύπες

21:21 29/6/2021 - Πηγή: Blueskytv

H συνεργασία LIGΟ-VIRGO ανακοίνωσε τον εντοπισμό ενός τρίτου είδους δημιουργίας βαρυτικών κυμάτων από την συγχώνευση Άστρων Νετρονίων με Μαύρες Τρύπες (NSBH), όπως αναφέρει με άρθρο του στα κοινωνικά μέσα ο Επίτιμος Διευθυντής του Ευγενιδείου Πλανηταρίου Διονύσης Π. Σιμόπουλος.

Όπως αναφέρει, το γεγονός εντοπίστηκε για πρώτη φορά σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις στις 5 και 15 Ιανουαρίου του 2020 από τα Εργαστήρια Βαρυτικών Κυμάτων LIGO στην Αμερική και VIRGO στην Ιταλία (το οποίο σημειωτέον διευθύνεται εδώ και τρία χρόνια από τον Έλληνα αστροφυσικό

Σταύρο Κατσανέβα που είναι ένας από τους κορυφαίους φυσικούς στον κόσμο). Από την πρώτη τους καταγραφή τον Σεπτέμβριο του 2015 και μέχρι τα τέλη του 2019 είχαμε παρατηρήσει βαρυτικά κύματα που προέρχονταν από τη συγχώνευση δύο Μαύρων Τρυπών (ΜΤ-BH) ή δύο Άστρων Νετρονίων (ΑΝ-NS). Με την σημερινή όμως ανακοίνωση προστίθεται κι ένας νέος συνδυασμός που είχε προβλέψει η θεωρία και η οποία παρουσιάστηκε και στα Ελληνικά από τον καθηγητή του ΑΠΘ και πρόεδρο της Ελληνικής Εταιρείας Σχετικότητας, Βαρύτητας και Κοσμολογίας Νίκο Στεργιούλα και τους συνεργαζόμενους ερευνητές της ομάδας του που συμμετέχουν στην κοινοπραξία VIRGO.

Την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων είχε ήδη προβλέψει ο Albert Einstein με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας την οποία παρουσίασε για πρώτη φορά στην Πρωσική Ακαδημία Επιστημών στις 25 Νοεμβρίου 1915. Μ’ αυτό του το έργο ο Einstein έδωσε μία διαφορετική τροπή στην εξέλιξη των ιδεών μας για τον χώρο, τον χρόνο και τη βαρύτητα. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, όλοι μας υπάρχουμε μέσα σ’ αυτό που ονόμασε «χωρόχρονο», ενώ η Σχετικότητα μάς λέει επίσης ότι η βαρύτητα δεν είναι μια «πραγματική» δύναμη αλλά το αποτέλεσμα της παραμόρφωσης των τεσσάρων διαστάσεων του χωρόχρονου. Με άλλα λόγια «η ύλη λέει στον χωρόχρονο πώς θα καμπυλωθεί και ο βαθμός καμπύλωσης του χωρόχρονου υπαγορεύει στην ύλη πώς θα κινηθεί», όπως τόσο χαρακτηριστικά έγραφε πριν από χρόνια ο αείμνηστος καθηγητής John Archibald Wheeler.

Ένα από τα ερωτήματα που έθεσε ο Αϊνστάιν εξ αρχής ήταν και το εάν η παραμόρφωση του χωρόχρονου μεταδίδεται με τη μορφή κυμάτων σαν τα κύματα που δημιουργούνται από την πτώση μιας πέτρας στο νερό μιας λίμνης. Ο Einstein υπέθεσε ότι τα κύματα αυτά θα εκπέμπονταν από διάφορα σώματα με τεράστιες μάζες που θα υφίσταντο βίαιες μεταβολές στο Διάστημα. Καταστροφικά κοσμικά φαινόμενα, όπως η εκρηκτική κατάρρευση ενός ετοιμοθάνατου γιγάντιου άστρου, ή η σπειροειδής σύμπτυξη ενός αστρικού ζεύγους θα πρέπει να εκπέμπουν κύματα βαρύτητας στο Διάστημα, με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός. Τα βαρυτικά αυτά κύματα έχουν τη μορφή πτυχώσεων ή ταλαντώσεων στη δομή του χωρόχρονου, αλλά ο Einstein πίστευε ότι τα κύματα βαρύτητας ήταν τόσο αδύναμα, ώστε να μην μπορέσουν να γίνουν ποτέ αντιληπτά, γι’ αυτό άλλωστε και δεν είχαν εντοπιστεί έως τώρα. Κι έτσι η θεωρία του για τα βαρυτικά κύματα παρέμενε χωρίς αποδείξεις.
Μία έμμεση ένδειξη ότι τα βαρυτικά κύματα πρέπει να υπάρχουν εντοπίστηκε το 1974 από τους Αμερικανούς αστροφυσικούς Russel Hulse και Joseph Taylor που τους χάρισε μάλιστα και το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1993. Οι μελέτες που έκαναν τότε σε ένα διπλό σύστημα άστρων νετρονίων (πάλσαρ) παρατήρησαν ότι η περίοδος της τροχιάς τους μειώνονταν γεγονός που πρέπει να οφείλονταν στην εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Αν και οι μεταβολές αυτές ήταν ελάχιστες, εντούτοις αντιστοιχούσαν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προβλέπει η Γενική Σχετικότητα.

Στις 11 Φεβρουαρίου 2016 όμως η έμμεση εκείνη ένδειξη έγινε άμεση με την δημοσίευση των αποτελεσμάτων της πρώτης παρατήρησης βαρυτικών κυμάτων που έγινε στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 από την σύγκρουση δύο “Μαύρων Τρυπών”, η μία με μάζα 36 ηλιακών μαζών και η άλλη με 29 ηλιακές μάζες σε απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Η σύγκρουση εκείνη δημιούργησε μία μεγαλύτερη Μαύρη Τρύπα με μάζα 62 ηλιακές μάζες ενώ οι τρεις “χαμένες” ηλιακές μάζες μετετράπησαν σε ενέργεια βαρυτικών κυμάτων η οποία ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία θα ήταν αντίστοιχη με την ενέργεια που εκπέμπουν 50 φορές όλα τα άστρα του Σύμπαντος! Παρ’ όλα αυτά η παραμόρφωση που κατέγραψαν τα δύο συμβολόμετρα LIGO στη Λουιζιάνα και την Ουάσγκτον (που είχαν δημιουργηθεί γι’ αυτού του είδους τις παρατηρήσεις) δεν υπερέβαινε τα τέσσερα χιλιοστά της διαμέτρου ενός πρωτονίου.

Στις 17 Αυγούστου του 2017 είχαμε τον εντοπισμό μιας εκπομπής βαρυτικών κυμάτων από την σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων που συνέβη στον γαλαξία NGC4993 σε απόσταση 130 εκατομμυρίων ετών φωτός. Μια δεύτερη παρόμοια εκπομπή παρατηρήθηκε στις 25 Απριλίου του 2019 από τα εργαστήρια Βαρυτικών Κυμάτων LIGO και VIRGO. Ενώ έκτοτε τα εργαστήρια αυτά κατόρθωσαν να εντοπίσουν δεκάδες διαφορετικές πηγές βαρυτικών κυμάτων η εμφάνιση των οποίων καταγράφεται πλέον σε εβδομαδιαία βάση. Μέχρι τώρα, λοιπόν, είχαμε την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων που προέρχονταν από την συγχώνευση δύο ΜΤ ή δύο ΑΝ, ενώ με την σημερινή ανακοίνωση για τις δύο παρατηρήσεις συγχώνευσης ΜΤ με ΑΝ συμπληρώνονται όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί.

Στην πρώτη συγχώνευση η οποία συνέβη πριν από 900 εκατομμύρια χρόνια η ΜΤ είχε μάζα 8,9 φορές την μάζα του Ήλιου και το ΑΝ 1,9 ηλιακές μάζες. Στη δεύτερη περίπτωση η ΜΤ είχε 5,7 ηλιακές μάζες και το ΑΝ 1,5 ενώ βρίσκονταν σε απόστασή ενός δισεκατομμυρίου ετών φωτός. Υπολογίζεται ότι τέτοιου είδους συγχωνεύσεις (NSBH) συμβαίνουν 5-15 φορές κάθε χρόνο και σε απόσταση μέχρι ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός. Κι έτσι με τις δύο αυτές ανακαλύψεις συμπληρώθηκαν και τα τρία είδη δημιουργίας Βαρυτικών Κυμάτων από ζεύγη αστρικών λειψάνων που βρίσκονται σε στενή επαφή με αποτέλεσμα να έχουμε την ευκαιρία να μάθουμε τώρα πολύ περισσότερα για την ζωή, την εξέλιξη και των θάνατο των άστρων και για το περιβάλλον στο οποίο δημιουργούνται τέτοιου είδους ζεύγη.

Οι ανιχνευτές LIGO και VIRGO είναι ό,τι καλύτερο διαθέτουμε για τον εντοπισμό των Βαρυτικών Κυμάτων. Καθένας από τους ανιχνευτές αυτούς αποτελείται από δύο κυλινδρικούς βραχίονες, κάθετους μεταξύ τους, με μήκος 4 χλμ. ο καθένας σε απόλυτο σχεδόν κενό που φτάνει να είναι ίσο με το ένα τρισεκατομμυριοστό της ατμοσφαιρικής πίεσης που επικρατεί στην επιφάνεια της θάλασσας. Στο εσωτερικό των κυλίνδρων εκπέμπονται δέσμες ακτίνων λέιζερ που ανακλώνται συνεχώς από καθρέφτες με αποτέλεσμα η απόσταση των 4 χλμ. να αυξάνεται κατά 280 φορές κάνοντας έτσι το μήκος κάθε βραχίονα ουσιαστικά να είναι ίσο με 1.120 χλμ. Μ’ αυτόν τον τρόπο μπορούμε να μετρήσουμε απειροελάχιστες διακυμάνσεις μέχρι και μήκους ενός δεκάκις χιλιοστού της διαμέτρου ενός πρωτονίου.

Στην ουσία οι ανιχνευτές των εργαστηρίων LIGO δεν είναι τίποτε άλλο παρά τεράστια συμβολόμετρα, μιας τεχνικής που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην πιο απλή της μορφή το 1887 στο πείραμα “Michelson-Morley”, αν και το LIGO είναι ουσιαστικά 144.000 φορές μεγαλύτερο εκείνου. Σήμερα η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ευρέως στην Αστρονομία, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση του συστήματος των ραδιοτηλεσκοπίων ALMA του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου που είναι εγκατεστημένα στη Χιλή. Η δημιουργία τέτοιων εργαστηρίων εγκατεστημένων σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους είναι απαραίτητη γιατί οι ανιχνευτές αυτοί είναι τόσο ευαίσθητοι ώστε μπορούν να καταγράψουν τους κραδασμούς από την διέλευση ενός φορτηγού στην περιοχή τους, μέχρι και τις διακυμάνσεις ενός μικρού σεισμού χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά. Η μεγάλη απόστασή τους χρησιμεύει επίσης και στον καλύτερο εντοπισμό της απόστασης της πηγής των βαρυτικών κυμάτων γιατί λόγω της απόστασης καταγράφονται οι ίδιες βαρυτικές ταλαντώσεις, αλλά με μια ελάχιστα μικρή χρονική καθυστέρηση ίση με δέκα χιλιοστά του δευτερολέπτου, ενώ η προσθήκη και του τρίτου εργαστηρίου στην Πίζα της Ιταλίας (VIRGO) βοηθάει ακόμη περισσότερο στον εντοπισμό.

Κι έτσι στο άμεσο μέλλον υπολογίζεται ότι θα υπάρξουν ακόμη πιο μεγάλες δυνατότητες απ’ ό,τι προηγουμένως αφού η έκταση των παρατηρήσεων των ανιχνευτών αυτών θα επεκταθεί με την δημιουργία κι άλλων ανιχνευτών όχι μόνο στην επιφάνεια της Γης αλλά και στο διάστημα (πρόγραμμα LISA). Με την ενεργοποίηση σύντομα δύο νέων παρόμοιων εργαστηρίων στην Ιαπωνία και τις Ινδίες η ευαισθησία τους θα γίνει ακόμη πιο ισχυρή. Στους επόμενους μήνες μάλιστα προβλέπεται ότι θα υπάρξουν πολλές ακόμη καταγραφές βαρυτικών κυμάτων, ενώ στα επόμενα δύο χρόνια τέτοιου είδους καταγραφές αναμένεται ότι θα γίνονται σε καθημερινή βάση εμπλουτίζοντας ουσιαστικά τις γνώσεις μας για το Σύμπαν ανοίγοντάς μας έτσι ένα σπουδαίο νέο παράθυρο ανακαλύψεων για τα τεκταινόμενα στο Σύμπαν.

Γιατί τα βαρυτικά κύματα μπορούν να περιγράψουν τη βίαιη προέλευσή τους, ενώ η συχνότητα και η ένταση τους στο χρόνο μας αποκαλύπτουν την ιστορία της πηγής που τα δημιούργησε, την μάζα, την ταχύτητα περιστροφής, το σχήμα της τροχιάς, την θέση της και την απόστασή της. Κι όχι μόνο, αφού μπορούν επίσης να μας αποκαλύψουν και το τι συνέβη στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη γέννηση του Σύμπαντος. Γιατί, όπως η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου είναι η ηλεκτρομαγνητική υπογραφή της Μεγάλης Έκρηξης, μπορεί να υπάρχει επίσης κι ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων που ίσως να δημιουργήθηκε με την απότομη διόγκωση του Σύμπαντος στην φάση της πληθωριστικής του διαστολής στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του πρώτου δευτερολέπτου της ύπαρξής του.

Τρίτο είδος δημιουργίας βαρυτικών κυμάτων από συγκρούσεις Άστρων Νετρονίων με Μαύρες Τρύπες on BLUE SKY.