Βαρυτικά κύματα και αστέρες νετρονίων: Γιατί η ανακάλυψη της NASA είναι τόσο σημαντική

Πριν από δύο εβδομάδες, το Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε στους τρεις κορυφαίους επιστήμονες της ερευνητικής ομάδας 1.000 και πλέον μελών, η οποία ανίχνευσε για πρώτη φορά τα βαρυτικά κύματα, αυτές τις μικροσκοπικές «ρυτιδώσεις» στο υλικό του χωροχρόνου.

Τα βαρυτικά κύματα εντοπίστηκαν για πρώτη φορά το 2015. Έκτοτε έχουν ανιχνευθεί ακόμη τρεις φορές. Τώρα, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων κατάφερε να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα από μια νέα πηγή: Την κατακλυσμική «σύγκρουση» αστέρων νετρονίων, των μικρότερων και πιο πυκνών άστρων στο σύμπαν.

Ωστόσο, αυτή δεν είναι απλώς η πέμπτη περίπτωση ανίχνευσης, αλλά κάτι πολύ πιο σημαντικό: Μια συγκλονιστική ανακάλυψη που σηματοδοτεί μια νέα εποχή στην αστρονομία, αλλάζει τα δεδομένα και μπορεί να συγκριθεί σε σπουδαιότητα ακόμα και με το τεράστιο επίτευγμα των τριών νομπελιστών επιστημόνων.

Οι λόγοι για τα παραπάνω είναι πολλοί. Η ανακάλυψη που ανακοινώθηκε εχθές με ταυτόχρονες συνεντεύξεις και στις δύο πλευρές του Ατλαντικού σε Ουάσιγκτον, Λονδίνο και Γκάρτσινγκ Γερμανίας συνοδεύεται για πρώτη φορά από έναν τεράστιο όγκο δεδομένων που ανοίγουν έναν καινούργιο «παράθυρο» στο σύμπαν και αναμένεται να φέρουν την επανάσταση σε αρκετούς επιστημονικούς τομείς τα επόμενα χρόνια.

Ακολουθούν έξι λόγοι για τους οποίους η ανακάλυψη που έκαναν από κοινού επιστήμονες από τις ΗΠΑ και την Ευρώπη συγκαταλέγεται στις σημαντικότερες των τελευταίων ετών στον κλάδο της αστρονομίας, και όχι μόνο.

1. Η πρώτη ένδειξη βαρυτικών κυμάτων προήλθε από αστέρες νετρονίων

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν προέβλεψε ότι αν δύο αστέρια κινούνταν σε τροχιά το ένα γύρω από το άλλο, θα παρήγαγαν μια εντεινόμενη «έκρηξη» βαρυτικών κυμάτων, λίγο πριν την σύγκρουσή τους.

Ο αστέρας νετρονίων είναι ο μικρός, πυκνός πυρήνας που απομένει μετά την βαρυτική κατάρρευση ενός αστέρα μεγάλης μάζας. Επειδή ο μέσος αστέρας νετρονίων συγκεντρώνει μάζα ίση με δύο ήλιων σε έκταση που δεν ξεπερνά εκείνη μιας μικρής πόλης, είναι επίσης το τέλειο «εργαστήριο» για τη μελέτη ακραίων συνθηκών βαρύτητας.

Καθώς οι αστέρες νετρονίων είναι πολύ μικροί για να ανιχνεύονται στον ουρανό ως άστρα, το γεγονός ότι γνωρίζουμε την ύπαρξή τους το οφείλουμε στους αστρονόμους που τους ταύτισαν με τα πάλσαρ, αστέρες με ισχυρό μαγνητικό πεδίο που περιστρέφονται ταχύτατα γύρω από άξονα και εκπέμπουν ανιχνεύσιμη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με τη μορφή ραδιοφωνικών κυμάτων.



Το 1974, οι αστρονόμοι Russell Alan Hulse και Joseph Hooton Taylor Jr εντόπισαν έναν νέο τύπο «δυαδικού» πάλσαρ, που πήγαζε από ένα ζευγάρι αστέρων νετρονίων σε τροχιά το ένα γύρω από το άλλο, μια ανακάλυψη που «άνοιξε το δρόμο για νέες δυνατότητες στη μελέτη της βαρύτητας» και χάρισε στους δύο επιστήμονες το Νόμπελ Φυσικής το 1993.

Επρόκειτο για την πρώτη έμμεση «ένδειξη» βαρυτικών κυμάτων που άνοιξε νέους ορίζοντες στην αστρονομία, σύμφωνα με τον καθηγητή Matthew Bailes, διευθυντή του ARC Centre of Excellence for Gravitational Waves.

«Πριν από περίπου 30 χρόνια κάποιοι άνθρωποι συνέλαβαν την ιδέα για την κατασκευή ενός συμβολόμετρου, δηλαδή ενός οργάνου που θα μπορούσε να ανιχνεύσει αστέρες νετρονίων να "καταβροχθίζουν" ο ένας τον άλλο σε ένα εκατομμύριο γαλαξίες γύρω μας», εξηγεί ο καθηγητής.

Αργότερα, η κατασκευή αυτού του οργάνου πέρασε από τη θεωρία στην πράξη και οι δίδυμοι ανιχνευτές των παρατηρητηρίων LIGO (Advanced Laser Interferometry Gravitational Waves Observatories) ανίχνευσαν επιτέλους βαρυτικά κύματα το 2015, αλλά όχι από σύγκρουση αστέρων.

«Όταν ενεργοποίησαν τα όργανα ανακάλυψαν ότι, αντί για αστέρες νετρονίων, αυτό που συγχωνευόταν ήταν μαύρες τρύπες. Επρόκειτο για μια μεγάλη έκπληξη για τους ερευνητές», προσθέτει ο καθηγητής.

Έκτοτε, όλες οι άλλες «εκρήξεις» βαρυτικών κυμάτων που ανιχνεύθηκαν είχαν ως πηγή προέλευσης τη συγχώνευση μαύρων τρυπών. Λόγω του σημαντικά μικρότερού τους μεγέθους, οι συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων αποδείχθηκαν εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστούν, ακόμα και από επιστήμονες που γνώριζαν ακριβώς τι έψαχναν.

Τώρα, μετά από δεκαετίες έρευνας, οι ερευνητές δεν κατάφεραν μόνο να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα από αστέρες που περιστρέφονταν προς τον θάνατό τους, αλλά για πρώτη φορά έγιναν μάρτυρες της εκρηκτικής συγχώνευσής τους και των συνεπειών της.

2. Για πρώτη φορά παρατηρήσαμε την πηγή των βαρυτικών κυμάτων

Η συγκεκριμένη ανακάλυψη σηματοδοτεί την πρώτη φορά που ένα σώμα στο σύμπαν ανιχνεύτηκε μέσα από συνδυασμό βαρυτικών και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Επομένως «εγκαινιάζει» έναν νέο τύπο αστρονομίας, εκείνη των «πολλαπλών μηνυμάτων».

Όπως και στις προηγούμενες ανακαλύψεις το αρχικό σήμα ανιχνεύτηκε από τα παρατηρητήρια LIGO. Τα δύο παρατηρητήρια που βρίσκονται στις ΗΠΑ σε απόσταση 3.000 χλμ το ένα από το άλλο χρησιμοποιούν συμβολόμετρα λέιζερ για να εντοπίζουν μικροσκοπικές κινήσεις κατά μήκος δύο ακτίνων, οι οποίες έχουν μήκος αρκετά χλμ και σχηματίζουν μεταξύ τους ορθή γωνία.

Ενώνοντας τις δυνάμεις τους με τον επίγειο ανιχνευτή VIRGO στην Πίζα, τα LIGO μπορούν - μέσω του τριγωνισμού των σημάτων από το διάστημα - να υπολογίζουν κατά προσέγγιση την πηγή προέλευσης των βαρυτικών κυμάτων, ώστε να στρέφουν στη συνέχεια προς τα εκεί τα μεγάλα συμβατικά τηλεσκόπια.

Ωστόσο, στην περίπτωση της συγχώνευσης των μαύρων τρυπών, η παρατήρηση των «συνεπειών» της σύγκρουσης είναι ουσιαστικά ανούσια, αφού υπάρχει μονάχα «σκοτάδι» και δεν υπάρχουν δεδομένα τα οποία μπορούν να καταγράψουν τα τηλεσκόπια.

Αντίθετα, όταν δύο αστέρες νετρονίων καταστρέψουν ο ένας τον άλλον, η έκρηξη παράγει φως και ραδιοκύματα, τα οποία μπορούν να καταγραφούν. Πρόκειται ουσιαστικά για ένα «σόου με πυροτεχνήματα» που παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον για τους επιστήμονες.

3. Μπορεί να μας δώσει μια πιο ακριβή εικόνα για το μέγεθος του σύμπαντος

Τα ευρήματα που αναφέρονται παραπάνω ανοίγουν τον δρόμο για πιο ακριβείς μετρήσεις του μεγέθους του σύμπαντος, σύμφωνα με τον καθηγητή David Blair του Πανεπιστημίου της Δυτικής Αυστραλίας. Οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να προσδιορίσουν το ακριβές μέγεθος του σύμπαντος, αλλά αυτό είναι σχεδόν ακατόρθωτο με την χρήση της παραδοσιακή αστρονομίας.

Η περίπλοκη φόρμουλα που χρησιμοποιούσαν μέχρι στιγμής (κοσμική κλίμακα) έχει πολλούς περιορισμούς. Τα βαρυτικά κύματα, ωστόσο, παράγουν έναν χαρακτηριστικό ήχο που σου αποκαλύπτει πόσο μακριά βρίσκεται η πηγή τους, και πλέον οι ερευνητές μπορούν να ταυτίσουν αυτήν την πηγή και με μια σύγκρουση σε έναν συγκεκριμένο γαλαξία.

Κατά συνέπεια, μπορούν πλέον να έχουν μια πολύ πιο σαφή εικόνα για την απόσταση αυτού του γαλαξία από τη Γη. «Για πρώτη φορά έχουμε στη διάθεσή μας μια "μεζούρα" που μπορεί να μας βοηθήσει να υπολογίσουμε το μέγεθος του σύμπαντος και είναι απαλλαγμένη από τις αβεβαιότητες της παραδοσιακής αστρονομίας», εξηγεί ο καθηγητής Blair.

Ακόμη, οι επιστήμονες βρήκαν ένα νέο τρόπο για να μετρήσουν τη «σταθερά του Χαμπλ», που περιγράφει τον ρυθμό επέκτασης του σύμπαντος. Η νέα εκτίμηση είναι, ότι το σύμπαν επεκτείνεται με ρυθμό περίπου 70 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο ανά παρσέκ, που συμβαδίζει με τις έως τώρα εκτιμήσεις.

4. Γίναμε μάρτυρες της δημιουργίας του χρυσού στο σύμπαν

Εδώ και πολλά χρόνια, οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι ατομικές εκρήξεις που προκαλούνται από συγκρούσεις αστέρων νετρονίων είχαν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία των βαρύτερων χημικών στοιχείων (μολύβδου, χρυσού, πλατίνας κα) στο σύμπαν.

Ειδικότερα, σύμφωνα με τα θεωρητικά μοντέλα, πυρηνικές αντιδράσεις συμβαίνουν στην ύλη που εκτινάσσεται στο διάστημα κατά τη σύγκρουση των εν λόγω αστέρων, παράγοντας έτσι ατομικούς πυρήνες βαρύτερους από τον σίδηρο.

Αυτή η καυτή ραδιενεργή ύλη ξεχύνεται στο διάστημα εκπέμποντας φως σε πολλά μήκη κύματος, ένα φαινόμενο γνωστό ως «κιλονόβα». Πρόκειται για μια διαδικασία που παράγει στο σύμπαν βαριά στοιχεία και η οποία έως τώρα ήταν μόνο θεωρητική, αλλά πλέον πιστεύεται ότι παρατηρήθηκε για πρώτη φορά και έτσι επιβεβαιώθηκε.



«Αυτά τα σπάνια μέταλλα που βρίσκονται στη Γη δεν δημιουργήθηκαν σε κανονικά αστέρα, ούτε κατά το Big Bang. Αντίθετα, πιστεύουμε ότι σχηματίστηκαν σε συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων που έλαβαν χώρα πολύ πριν σχηματιστεί η Γη μέσα από ένα κοσμικό νέφος» εξηγεί ο Δρ. Christian Wolf από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Αυστραλίας.

Για έως και 4 μέρες μετά τον εντοπισμό των βαρυτικών κυμάτων και την πρώτη έκρηξη ακτίνων γάμμα, οι επιστήμονες συνέχιζαν να καταγράφουν τη λάμψη που παρήγαγε η σύγκρουση ώστε να προσδιορίσουν τη χημική της σύνθεση. «Αυτό που μετράει δεν είναι τα πρώτα λεπτά μετά τη συγχώνευση των αστέρων, αλλά το γεγονός ότι πλέον μπορούμε να καταγράψουμε τις συνέπειες για μεγαλύτερο διάστημα», εξηγεί ο Dr. Wolf.

5. Λύσαμε το μυστήριο πίσω από τις εκρήξεις των ακτίνων γάμμα

Μόλις δύο δευτερόλεπτα μετά την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi της NASA κατέγραψε μια σύντομη αλλά ισχυρότατη έκρηξη ακτίνων γάμμα (GRB) σε μια περιοχή από όπου εκτιμάται ότι προήλθαν τα βαρυτικά κύματα.

Πρόκειται για μια σαφή ένδειξη ότι τα δύο συμβάντα συνδέονταν.

Πολλοί αστρονόμοι εκτιμούν ήδη ότι τα νέα δεδομένα λύνουν το μυστήριο της έκρηξης των ακτίνων γάμμα, αφού επιβεβαιώνουν ότι μερικές τουλάχιστον GRBs γεννιούνται (παράλληλα με τα βαρυτικά κύματα) από τέτοια κατακλυσμικά κοσμικά φαινόμενα.

6. Ο Αϊνστάιν είχε δίκιο. Για μια ακόμη φορά

Ο συνδυασμός της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων και της παραδοσιακής αστρονομίας για μια ακόμη φορά «έβγαλε σωστό» τον Αϊνστάιν. Το 1915, ο ιδιοφυής επιστήμονας προέβλεψε ότι η βαρύτητα θα πρέπει να ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός και όχι με «άπειρη ταχύτητα», όπως υπέθετε ο Νεύτωνας. Αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητα της βαρύτητας (σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας) είναι κατά προσέγγιση 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Οι διαφορετικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για αυτή τη σημαντική ανακάλυψη έδωσαν στους επιστήμονες την ευκαιρία να αντιπαραβάλλουν τις δύο ταχύτητες και να διαπιστώσουν... ότι οι μετρήσεις ταίριαζαν.

Επρόκειτο για μια μέτρηση μικρής κλίμακας που ωστόσο μας αποκάλυψε, με απίστευτη ακρίβεια, ότι αυτοί οι δύο τύποι κυμάτων ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα, εξηγούν οι αστρονόμοι.