Ανάλυση της νέας σημαντικής ανακοίνωσης από τον Διονύση Π. Σιμόπουλο, Επίτιμο διευθυντή Ευγενιδείου Πλανηταρίου
Σε μία ιδιαίτερα σημαντική συνέντευξη ανακοινώθηκε ο εντοπισμός για πρώτη φορά της σύγχρονης εκπομπής βαρυτικών και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που προέρχονταν από την σύγκρουση και ενσωμάτωση δύο πάλσαρ με μάζα 1,1 και 1,6 ηλιακές μάζες. Η σύγκρουση συνέβη στον γαλαξία NGC 4993 σε απόσταση 130 εκατομμυρίων ετών φωτός προς την κατεύθυνση του αστερισμού της Ύδρας και παρατηρήθηκε στις 3:41 μ.μ. (ώρα Ελλάδος) της 17ης του περασμένου Αυγούστου. Λίγο πριν από τη σύγκρουση και επί 100 περίπου δευτερόλεπτα εκπέμπονταν βαρυτικά κύματα λόγω της γρήγορης περιφοράς των δύο πάλσαρ, ενώ τα βαρυτικά κύματα που είχαν παρατηρηθεί στις τέσσερις προηγούμενες περιπτώσεις (από την σύγκρουση μαύρων τρυπών) είχαν διάρκεια μικρότερη του ενός δευτερολέπτου.
Η σπουδαία αυτή ανακάλυψη για ένα νέο είδος βαρυτικών κυμάτων ανακοινώθηκε τη Δευτέρα, 16 Οκτωβρίου, στις 5:00 μ.μ. ώρα Ελλάδος, σε συνέντευξη τύπου που έδωσε στην Ουάσιγκτον το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ με την συμμετοχή εκπροσώπων από τα επιστημονικά εργαστήρια του LIGO, του VIRGO, της NASA, της ESA και 70 αστεροσκοπείων απ’ όλο τον κόσμο. Οι παρατηρήσεις αυτές μάς έχουν προσφέρει εξαιρετικές νέες πληροφορίες για διάφορες ειδικότητες (πυρηνική φυσική, αστροφυσική, κοσμολογία, βαρύτητα) καθώς και για την επίλυση διαφόρων αινιγμάτων του Σύμπαντος, όπως είναι οι εκλάμψεις ακτίνων γάμα, ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος με τον καλύτερο προσδιορισμό της σταθεράς του Hubble, οι ιδιότητες των πάλσαρ, η δημιουργία βαρέων χημικών στοιχείων όπως είναι ο χρυσός και η πλατίνα, καθώς και τα χαρακτηριστικά των βαρυτικών κυμάτων.
Όπως είναι γνωστό ο πρώτος εντοπισμός βαρυτικών κυμάτων έγινε στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, έναν αιώνα μετά την πρόβλεψη της ύπαρξής τους από τον Albert Einstein, γεγονός μάλιστα που οδήγησε στις αρχές του τρέχοντος μήνα στην βράβευση των υπευθύνων του εντοπισμού τους με το Νόμπελ Φυσικής 2017. Αν και η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων προβλέπεται από την Γενική Σχετικότητα, ο Einstein πίστευε ότι αφού η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, με ισχύ 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης (δύναμης), η ένταση των βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει να είναι εξ ίσου αδύναμη οπότε δεν θα μπορούσαν ποτέ να γίνουν αντιληπτά. Κι έτσι η θεωρία για τα βαρυτικά κύματα παρέμενε χωρίς αποδείξεις! Οι μελέτες όμως των δύο τελευταίων ετών απέδειξαν την πραγματικότητα της ύπαρξής τους, ενώ εκατοντάδες εργασίες έχουν δημοσιευθεί μέχρι τώρα περιγράφοντας με λεπτομέρεια τα τέσσερα σήματα βαρυτικών κυμάτων που έχουν εντοπιστεί από τις συγκρούσεις μαύρων τρυπών.
Κι ενώ τα βαρυτικά κύματα της σημερινής ανακοίνωσης καταγράφηκαν κανονικά από τα δύο σχετικά εργαστήρια LIGO στις ΗΠΑ και το VIRGO στην Ιταλία, για πρώτη φορά εντοπίστηκε συγχρόνως και μία τεράστια έκλαμψη με την μορφή ακτίνων γάμα. Την ακτινοβολία αυτή κατέγραψαν και τα Διαστημικά Τηλεσκόπια Fermi (NASA) και INTEGRAL (ESA), δύο περίπου δευτερόλεπτα μετά την άφιξη των βαρυτικών κυμάτων. Τις ημέρες και εβδομάδες που ακολούθησαν 70 διαφορετικά αστεροσκοπεία στο Διάστημα και σ’ ολόκληρο τον κόσμο (όπως το Αμερικανικό Gemini, το VLT του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble) παρατήρησαν όλα τα είδη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ακτίνες γάμα και Χ, υπεριώδη, ορατή, υπέρυθρη και ραδιοακτινοβολία) που προέρχονταν από εκείνο το σημείο της σύγκρουσης. Οι παρατηρήσεις αυτές μας αποκάλυψαν επίσης και την παρουσία χημικών στοιχείων βαρύτερων του σιδήρου, όπως είναι ο χρυσός και η πλατίνα, που προήλθαν από την σύγκρουση των δύο πάλσαρ. Τα αποτελέσματα των μελετών που θα γίνουν στο άμεσο μέλλον με τα διάφορα ευαίσθητα όργανα των τηλεσκοπίων μας θα μπόρεσαν να καταγράψουν με λεπτομέρεια την περιεκτικότητα των “προϊόντων” τέτοιων συγκρούσεων.
Η ύπαρξη των πάλσαρ είναι αποτέλεσμα της απότομης και υπερβολικά γρήγορης βαρυτικής κατάρρευσης των υλικών της καρδιάς ενός γιγάντιου άστρου. Η κατάρρευση αυτή οδηγεί στη τρομαχτική συμπίεση του αστρικού πυρήνα, έτσι ώστε, όταν στο τέλος της ζωής ενός άστρου τα υλικά που έχουν απομείνει κυμαίνονται μεταξύ 1,4 και 3 ηλιακών μαζών, τότε η συμπίεση των υλικών του εξαναγκάζει τα ηλεκτρόνια να συγχωνευτούν με τα πρωτόνια του πυρήνα με αποτέλεσμα την δημιουργία νετρονίων και νετρίνων. Κι ενώ τα νετρίνα δραπετεύουν άμεσα από το άστρο, μεταφέροντας μάλιστα και αρκετή από την ενέργειά του, τα νεοσχηματισμένα νετρόνια παραμένουν εκεί και ενώνονται με τα ήδη υπάρχοντα νετρόνια των ατομικών πυρήνων. Αποτέλεσμα αυτής της συμπίεσης είναι η δημιουργία μιας σφαίρας μερικών χιλιομέτρων με την πιο λεία, στερεή επιφάνεια που έχει γνωρίσει ποτέ το Σύμπαν. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι μ’ ένα άστρο νετρονίων που περιστρέφεται σαν σβούρα δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Τα άστρα αυτά σε κάθε περιστροφή τους εκπέμπουν τεράστιες ποσότητες ακτινοβολιών από τους μαγνητικούς τους πόλους σαν απόκοσμοι φάροι του Διαστήματος.
Ένα τέτοιο άστρο είναι πραγματικά κάτι το αδιανόητο. Υλικά από ένα τέτοιο άστρο με μέγεθος όσο είναι το κεφάλι μιας καρφίτσας, θα “ζύγιζαν” ένα εκατομμύριο τόνους, όσο δέκα σύγχρονα αεροπλανοφόρα, ενώ ένα μωρό 5 κιλών στην επιφάνειά του θα “ζύγιζε” 50 εκατομμύρια τόνους! Αν η Γη μας είχε συμπιεστεί σε μια σφαίρα με την πυκνότητα που έχει ένα τέτοιο άστρο θα χωρούσε άνετα στο εσωτερικό του κλειστού Σταδίου “Ειρήνης και Φιλίας”. Η πυκνότητα ενός πάλσαρ είναι τόσο μεγάλη ώστε αν ένα κομμάτι του με μέγεθος ενός κόκκου άμμου έπεφτε πάνω στη Γη μας θα την διαπερνούσε τελείως από την μιαν άκρη στην άλλη, με την ίδια ευκολία που μια υπερθερμασμένη καυτή σιδερόβεργα διαπερνάει ένα λεπτό διαφανές φύλλο νάιλον. Επί πλέον, αν ρίχναμε έναν σπόρο σταριού πάνω σ’ ένα τέτοιο άστρο θα δημιουργούσε τόση ενέργεια όση και η ατομική βόμβα που έπεσε στη Χιροσίμα. Για να μπορέσουμε μάλιστα να πούμε ότι πλησιάσαμε κάπως την φανταστική πυκνότητα ενός τέτοιου άστρου τότε ολόκληρος ο σημερινός πληθυσμός του πλανήτη μας, 7,5 δισεκατομμύρια άνθρωποι, θάπρεπε να συμπιέζονταν στο μέγεθος μιας σταγόνας νερού. Κι όμως, αυτού του είδους τα άστρα υπάρχουν αν και ανακαλύφτηκαν μόλις πρόσφατα πριν από μερικές μόλις δεκαετίες.
Τον Αύγουστο του 1967 Άγγλοι ραδιοαστρονόμοι (ο καθηγητής Α. Hewish, Νόμπελ Φυσικής 1974, και η ερευνήτρια Jocelyn S. Bell) παρατήρησαν στον ουρανό μερικούς παράξενους ραδιοπαλμούς. Οι παλμοί αυτοί ήσαν τόσο απόλυτα σταθεροί ώστε στην αρχή θεωρήθηκαν ότι ήσαν τα σήματα κάποιου τεχνολογικά προηγμένου διαστημικού πολιτισμού και τους έδωσαν μάλιστα τον χαρακτηρισμό LGM (Little Green Men=Πράσινα Ανθρωπάκια). Αργότερα όμως ανακαλύφτηκαν παρόμοια σήματα και σε άλλα σημεία τ’ ουρανού, ονομάστηκαν παλλόμενες ραδιοπηγές και έγιναν γνωστές με τη διεθνή συγκεκομμένη ονομασία τους: Πάλσαρ (pulsating radio source=pulsar). Ποιος ήταν άραγε ο “μηχανισμός” εκείνος που επέτρεπε στα πάλσαρ να εκπέμπουν τις ραδιοακτινοβολίες τους με ρυθμό δεκάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο και με τόση απόλυτη σταθερότητα; Την λύση έδωσε ο αστρονόμος Thomas Gold, του Πανεπιστημίου Κορνέλ, ο οποίος ταύτισε τα πάλσαρ με τα άστρα νετρονίων των θεωριών που είχαν διατυπώσει την δεκαετία του 1930 οι Robert Oppenheimer και Lev Landau.
Σύμφωνα με την άποψη του Gold η συμπίεση των υλικών του άστρου το κάνει να μικραίνει όλο και πιο πολύ. Αλλά όσο μικραίνει το άστρο τόσο μεγαλώνει ο ρυθμός της περιστροφής του. Συμβαίνει δηλαδή ακριβώς το ίδιο που κάνει μια μπαλαρίνα, η οποία όταν μαζεύει τα απλωμένα χέρια της πλησιέστερα στο σώμα της, περιστρέφεται όλο και πιο γρήγορα. Καθώς όμως το άστρο περιστρέφεται μεγάλες ποσότητες από τα αιχμαλωτισμένα ηλεκτρόνια κατορθώνουν να διαφύγουν δραπετεύοντας από τους μαγνητικούς πόλους του. Επειδή συνήθως οι μαγνητικοί πόλοι δεν συμπίπτουν με τους πόλους της περιστροφής ενός άστρου, η διασπορά των ηλεκτρονίων στο διάστημα εντοπίζεται μόνο με κάθε εμφάνιση των δύο μαγνητικών του πόλων. Τα διαφεύγοντα ηλεκτρόνια, λόγω της ύπαρξης του μαγνητικού πεδίου, χάνουν ενέργεια με την μορφή μικροκυμάτων, και επειδή τα μικροκύματα δεν επηρεάζονται από μαγνητικά πεδία κατορθώνουν να διασκορπιστούν σαν πίδακες ακτινοβολίας στο διάστημα.
Κάθε άστρο νετρονίων λοιπόν εκπέμπει μ’ αυτό τον τρόπο πίδακες ραδιοκυμάτων από τους μαγνητικούς του πόλους. Αλλά ένα μόνο πάλσαρ στα εκατό είναι τοποθετημένο “σωστά” σε σχέση με τη Γη, ώστε η περιστροφή των μαγνητικών του πόλων να στέλνει στη Γη μας παρατηρήσιμες ραδιοεκπομπές. Έτσι από τα 200.000 πάλσαρ που υπολογίζεται ότι πρέπει να υπάρχουν στον Γαλαξία μας έχουν ήδη εντοπιστεί πάνω από 1.000 εκ των οποίων τα 200 είναι ταχύτατα περιστρεφόμενα πάλσαρ (millisecond pulsars). Το πρώτο ταχύτατα περιστρεφόμενο πάλσαρ με 641 στροφές το δευτερόλεπτο ανακαλύφτηκε το 1982, ενώ ένα άλλο ανακαλύφτηκε μόλις πρόσφατα, στις 5 Σεπτεμβρίου 2017. Το πάλσαρ αυτό περιστρέφεται 707 φορές το δευτερόλεπτο (42.420 στροφές το λεπτό) και είναι το δεύτερο ταχύτερο πάλσαρ που έχει εντοπιστεί μέχρι τώρα, βρίσκεται σε απόσταση 3.200-5.700 ετών φωτός, περιλαμβάνει υλικά λίγο πάνω από 1,4 ηλιακές μάζες και περιφέρεται γύρω από ένα άστρο με μάζα 20 φορές μεγαλύτερη της μάζας του πλανήτη Δία μια φορά κάθε 6,42 ώρες.
Λόγω της μικρής απόστασης που χωρίζουν τα δύο αυτά μικροσκοπικά άστρα, το πάλσαρ με την τεράστια βαρυτική του έλξη αποσπά υλικά από τον σύντροφό του κι έτσι σιγά-σιγά η ταχύτητα περιστροφής του έχει αυξηθεί στα τωρινά επίπεδα. Λόγω της ομοιότητάς τους μάλιστα με την γνωστή αράχνη που “καταβροχθίζει” τον σύντροφό της, αυτού του είδους τα πάλσαρ είναι γνωστά με την επωνυμία “μαύρη χήρα”. Το ταχύτερο πάλσαρ που έχει εντοπιστεί μέχρι τώρα ανακαλύφτηκε το 2005 και περιστρέφεται 716 φορές το δευτερόλεπτο (42.960 στροφές το λεπτό). Υπολογίζεται (θεωρητικά τουλάχιστον) ότι η ανώτατη ταχύτητα περιστροφής ενός πάλσαρ δεν μπορεί να υπερβεί τις 1.500 στροφές το δευτερόλεπτο, αν και στην ουσία κανένα πάλσαρ δεν θα μπορούσε να υπερβεί τις 1.000 στροφές λόγω της χαμένης του ενέργειας από την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων.
Όταν λοιπόν δύο τέτοια άστρα νετρονίων βρεθούν το ένα δίπλα στο άλλο, αρχίζει ένας ναπολιτάνικος χορός που αργά ή γρήγορα θα καταλήξει στην σύγκρουσή τους και στη δημιουργία ενός μεγαλύτερου άστρου νετρονίων ή μιας Μαύρης Τρύπας με το 90% των υλικών των δύο πάλσαρ. Κατά την διάρκεια δηλαδή της σύγκρουσης μία ποσότητα υλικών ίση με χίλιες φορές τα υλικά της Γης μετατρέπονται σε βαρέα χημικά στοιχεία όπως η πλατίνα και ο χρυσός. Γι’ αυτό, η πρώτη ύλη που δημιούργησε το χρυσό σας δαχτυλίδι, το βραχιόλι, το περιδέραιο ή οτιδήποτε άλλο χρυσό αντικείμενο έχετε στη διάθεσή σας, προέρχεται μάλλον από τις συγκρούσεις τέτοιων διπλών πάλσαρ οι οποίες, μαζί με την δημιουργία ενός υπέρπυκνου αντικειμένου, την εκπομπή τεραστίων ποσοτήτων βαρυτικών κυμάτων, εκλάμψεων ακτίνων γάμα και άλλων ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών, δημιουργούν επίσης και το σπάνιο και πανάκριβο αυτό χημικό στοιχείο. Φυσικά ο τρόπος δημιουργίας των βαρέων χημικών στοιχείων δεν επιτυγχάνεται αποκλειστικά και μόνο από συγκρούσεις άστρων νετρονίων. Γιατί στη διαδικασία μετατροπής ενός γιγάντιου άστρου σε σουπερνόβα το κρουστικό κύμα που κατευθύνεται από το κέντρο του άστρου προς την επιφάνεια διάφορες πυρηνικές αντιδράσεις μετατρέπουν τα ελαφρά χημικά στοιχεία σε βαρύτερα.
Στο άμεσο μέλλον υπολογίζεται ότι θα υπάρξουν ακόμη πιο μεγάλες δυνατότητες καταγραφής βαρυτικών κυμάτων απ’ ό,τι μέχρι τώρα αφού η έκταση των παρατηρήσεων των ανιχνευτών LIGO θα επεκταθεί με την δημιουργία κι άλλων ανιχνευτών όχι μόνο στην επιφάνεια της Γης αλλά και στο διάστημα (LISA). Οι ανιχνευτές LIGO και VIRGO όμως είναι ό,τι καλύτερο διαθέτουμε σήμερα για τον εντοπισμό 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. Η διακύμανση αυτή είναι τόσο απειροελάχιστη ώστε η διαφοροποίηση της μέτρησης της απόστασης μεταξύ της Γης και του πλησιέστερου σ’ εμάς άστρου μετά τον Ήλιο (που βρίσκεται σε απόσταση 40 τρισεκατομμυρίων χλμ.) να μην υπερβαίνει το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας!
Στην ουσία οι ανιχνευτές των εργαστηρίων LIGO δεν είναι τίποτε άλλο παρά τεράστια συμβολόμετρα, με τα οποία μελετάμε φαινόμενα συμβολής κυμάτων, μια τεχνική που σήμερα χρησιμοποιείται ευρέως στην Αστρονομία. Πρόκειται δηλαδή για την ίδια τεχνική που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην πιο απλή της μορφή το 1887 στο πείραμα “Michelson-Morley”, αν και το LIGO είναι 144.000 φορές μεγαλύτερο εκείνου. Η δημιουργία δύο τέτοιων εργαστηρίων LIGO, στη Λουϊζιάνα και στην Ουάσιγκτον σε απόσταση 3.000 χλμ. 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.
Σε τελική ανάλυση η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων του LIGO μάς ανοίγει ένα καινούργιο παράθυρο ανακαλύψεων αφού μπορούμε να “ακούσουμε” για πρώτη φορά τους ψιθύρους του Σύμπαντος να μάς “μιλάνε”, μια και οι συχνότητες των βαρυτικών αυτών κυμάτων είναι συχνότητες που μπορεί να ακούσει το ανθρώπινο αυτί. 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. Στους επόμενους μήνες προβλέπεται ότι θα υπάρξουν πολλές ακόμη καταγραφές βαρυτικών κυμάτων, ενώ στα επόμενα μερικά χρόνια τέτοιου είδους καταγραφές αναμένεται ότι θα γίνονται σε καθημερινή βάση εμπλουτίζοντας ουσιαστικά τις γνώσεις μας για το Σύμπαν.
Οι πληροφορίες της νέας ανακάλυψης δημοσιεύτηκαν σήμερα στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters [“GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star merger”] ενώ δεκάδες ακόμη εργασίες δημοσιεύτηκαν ή πρόκειται να δημοσιευτούν τους επόμενους μερικούς μήνες σε διάφορα άλλα διεθνή επιστημονικά περιοδικά.
