Ξημερώματα της 17ης Αυγούστου 2017, στις 8:41 π.μ. ανατολική ώρα, ένα βαρυτικό κύμα χτυπά τον ανιχνευτή Virgo στην Ιταλία και 22 χιλιοστά του δευτερολέπτου αργότερα, τον ανιχνευτή LIGO στο Λίβινγκστον των ΗΠΑ. Στον κόσμο της Αστρονομίας σημαίνει συναγερμός. Εβδομήντα τηλεσκόπια σαρώνουν εναγωνίως τον ουρανό. Η αγωνία των αστρονόμων επιβεβαιώνεται. Τα τηλεσκόπια καταγράφουν τα αποτελέσματα της συγχώνευσης δύο αστέρων νετρονίων (αστρικά πτώματα, όταν ένα είδος αστέρος πεθαίνει). Η αστρονομία εισέρχεται σε νέα εποχή.
Τη Δευτέρα 16 Οκτωβρίου, σε ταυτόχρονες συνεντεύξεις σε Ευρώπη και ΗΠΑ, αναγγέλθηκε η έναρξη της εποχής αυτής.
Μετά την ιστορική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 από το πείραμα LIGO στις ΗΠΑ και την επιβεβαίωση της Γενικής Θεωρίας του Αϊνστάιν, η ανίχνευση της 17ης Αυγούστου αποτελεί μια ακόμη επανάσταση.
Ο καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ Νίκος Στεργιούλας
Ποια η διαφορά μεταξύ Σεπτεμβρίου 2015 και Αυγούστου 2017; Τον Σεπτέμβριο του 2015 ανιχνεύθηκε βαρυτικό κύμα που προήλθε από τη συγχώνευση δύο μελανών οπών. Οι μελανές οπές είναι και αυτές υπολείμματα αστέρων με τεράστια μάζα και πυκνότητα που δεν αφήνουν τίποτε να ξεφύγει. Το βαρυτικό κύμα καταγράφηκε, αλλά πέραν αυτού ουδέν. Ό,τι άλλο παρήγαγε η συγχώνευση των δύο μελανών οπών, το κατάπιαν οι ίδιες. Τον Αύγουστο του 2017 το βαρυτικό κύμα προήλθε από τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων. Η μάζα και η πυκνότητά τους είναι κατά πολύ μικρότερη των μελανών οπών. Ό,τι παράγεται κατά τη συγχώνευσή τους, εμφανίστηκε στον ουρανό και παρατηρήθηκε από τους αστρονόμους.
Η διαφορά είναι τεράστια και μας την εξηγεί στη συνέντευξη που ακολουθεί ο καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΑΠΘ Νίκος Στεργιούλας, ο οποίος είναι και διευθυντής του Εργαστηρίου Αστρονομίας ΑΠΘ.
Τι καινούριο ανακαλύφθηκε;
Η ανακάλυψη της πηγής βαρυτικών κυμάτων GW170817 συνοδεύτηκε από πολλές πρωτιές: Ανιχνεύτηκαν για πρώτη φορά βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση ενός ζεύγους αστέρων νετρονίων. Επιβεβαιώθηκε πλήρως ότι οι συγχωνεύσεις αυτές προκαλούν το φαινόμενο των εκρήξεων ακτίνων γ μικρής διάρκειας, καθώς και ότι προκαλούν την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από την ευρύτερη περιοχή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (φαινόμενο που ονομάστηκε kilonova), λόγω της ταχείας πυρηνοσύνθεσης βαρέων στοιχείων. Ανιχνεύτηκε για πρώτη φορά οπτική ακτινοβολία (χρώματος μπλε, που αργότερα έγινε κόκκινο) από ένα τέτοιο φαινόμενο.
Η εικόνα στα αριστερά, που λήφθηκε από το τηλεσκόπιο Hubble, δείχνει τον γαλαξία NGC4993 τον Απρίλιο. Η εικόνα στα δεξιά απεικονίζει τον ίδιο γαλαξία στις 17 Αυγούστου. Η τελεία στην επάνω αριστερή γωνία του γαλαξία είναι η θέση της σύγκρουσης αστέρος νετρονίων (φωτ.: Swope Supernova Survey μέσω της UC Santa Cruz)
Μετρήθηκε για πρώτη φορά η παραμόρφωση που προκάλεσε ο κάθε αστέρας στον συνοδό του, μέσω της βαρύτητάς του, πριν ακόμη συγχωνευθούν. Επιβεβαιώθηκε για πρώτη φορά με πάρα πολύ μεγάλη ακρίβεια ότι η ταχύτητα διάδοσης των βαρυτικών κυμάτων συμπίπτει με την ταχύτητα διάδοσης του φωτός στο κενό. Μετρήθηκε η σταθερά του Hubble (που καθορίζει την ταχύτητα με την οποία διαστέλλεται στο σύμπαν) με έναν εντελώς νέο τρόπο, ανεξάρτητο από προηγούμενες μεθόδους. Και ακόμη, πρόκειται για την πιο κοντινή πηγή βαρυτικών κυμάτων από όλες όσες έχουν ανιχνευτεί μέχρι σήμερα, αλλά και για την πιο κοντινή έκρηξη ακτίνων γ μικρής διάρκειας.
Σε τι διαφέρει από τις προηγούμενες ανακαλύψεις;
Είναι η πρώτη φορά που ένα αστρονομικό γεγονός παρατηρήθηκε με τόσα πολλά και διαφορετικά τηλεσκόπια, καλύπτοντας ουσιαστικά όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (ραδιοφωνικό, υπέρυθρο, οπτικό, υπεριώδες, ακτίνες Χ και ακτίνες γ). Και αυτό έγινε από την πρώτη στιγμή, επιτρέποντας να παρατηρηθεί ολόκληρη η εξέλιξη του φαινομένου με μεγάλη λεπτομέρεια.
Η αρχική ανίχνευση στα βαρυτικά κύματα (και σχεδόν ταυτόχρονα στις ακτίνες γ) σήμανε συναγερμό στις συνεργαζόμενες ομάδες αστρονόμων, με αποτέλεσμα να παρατηρηθεί η συγχώνευση από 70 διαφορετικά τηλεσκόπια, διάσπαρτα σε όλες τις ηπείρους, επτά εκ των οποίων βρίσκονται στο διάστημα, σε τροχιά γύρω από τη Γη. Μία από τις πολλές εργασίες που δημοσίευσε η διεθνής αυτή συνεργασία μεταξύ των πειραμάτων LIGO/Virgo και παραδοσιακών αστρονόμων έχει 4.500 συγγραφείς, αριθμός που ισοδυναμεί με το ένα τρίτο όλων των επαγγελματιών αστρονόμων παγκοσμίως. Οι προηγούμενες ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων (με πρώτη την ιστορική ανίχνευση της 14ης Σεπτεμβρίου 2015, για την οποία απονεμήθηκε πριν λίγες ημέρες το Νόμπελ Φυσικής στους πρωτεργάτες του πειράματος LIGO), προκλήθηκαν από ζεύγη μελανών οπών και μάλιστα με μάζα δεκάδες φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου. Αυτή τη φορά, το ζεύγος αποτελούνταν από δύο αστέρες νετρονίων, οι οποίοι είναι αστέρες που περιέχουν ύλη σε μεγάλες πυκνότητες, έχουν μάζα περίπου μιάμιση φορά τη μάζα του Ήλιου και ακτίνα περίπου 12 χιλιόμετρα.
Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων Virgo, στην Πίζα της Ιταλίας, μετρούσε μόλις λίγες εβδομάδες λειτουργίας όταν ανιχνεύτηκε η πηγή GW170817.
Η ευαισθησία αυτού του νέου ανιχνευτή δεν έχει φθάσει ακόμη στο επίπεδα της ευαισθησίας των δύο ανιχνευτών LIGO στις ΗΠΑ, όμως η λειτουργία του Virgo επέτρεψε τον αρχικό εντοπισμό της θέση της πηγής GW170817 σε μια μικρή περιοχή του ουρανού. Σε συνδυασμό με τις παρατηρήσεις στις ακτίνες γ, ταυτοποιήθηκε τελικά ένας συγκεκριμένος γαλαξίας στον αστερισμό της Ύδρας, σε απόσταση 130 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.
Γιατί είναι τόσο σοβαρή αυτή η νέα ανακάλυψη;
Η ταυτόχρονη παρατήρηση της εξέλιξης της σύγκρουσης των αστέρων νετρονίων σε ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα καθώς και στα βαρυτικά κύματα προσέφερε έναν θησαυρό γνώσεων που θα χρειαστεί πολλούς μήνες για να αξιοποιηθεί.
Ο γαλαξίας NGC 4993, περίπου 130 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Το kilonova (εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από την ευρύτερη περιοχή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα) είναι πάνω και ελαφρώς στο αριστερό κέντρο του γαλαξία. Το όργανο MUSE επιτρέπει να είναι ορατή η εκπομπή λαμπερού αερίου το οποίο εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα εδώ και αποκαλύπτει μια εκπληκτική δομή σπειροειδούς. (ESO / J.D. Lyman, Α. J. Levan, Ν.Ρ. Tanvir)
Είναι βέβαιο ότι θα ακολουθήσει μια χιονοστιβάδα από επιστημονικές δημοσιεύσεις οι οποίες θα χρησιμοποιούν τα δεδομένα που συλλέχθηκαν. Οι αναλύσεις των δεδομένων θα επικεντρωθούν στη σύγκριση των παρατηρήσεων με θεωρητικές προβλέψεις για την ταχεία πυρηνοσύνθεση βαρέων στοιχείων. Αυτό θα επιτρέψει να μάθουμε με ακρίβεια την αναλογία των βαρέων στοιχείων που δημιουργούνται σε συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων, σε σχέση με αυτά που δημιουργούνται μετά από την κατάρρευση ενός άστρου μεγάλης μάζας.
Οι συγχωνεύσεις των αστέρων νετρονίων επηρέασαν καταλυτικά τη χημεία του σύμπαντος, εμπλουτίζοντας τον μεσοαστρικό χώρο με βαρέα στοιχεία όπως είναι ο χρυσός, η πλατίνα, το ουράνιο, το πλουτώνιο και το ιώδιο.
Η ραδιενέργεια των βαρέων στοιχείων συμβάλλει στη λάμψη της περιοχής γύρω από την έκρηξη ακτίνων γ. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, κατά τη συγχώνευση των δύο αστέρων νετρονίων ενδέχεται να δημιουργήθηκε ποσότητα χρυσού ίση με 50 έως 100 φορές τη μάζα της Γης.
Παρόλο που η έκρηξη που καταγράφηκε στις ακτίνες γ ήταν σύντομης διάρκειας, η περιοχή γύρω από το υπόλειμμα της συγχώνευσης εξακολουθεί να «λάμπει» σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος, και πιθανόν αυτό να συνεχιστεί για αρκετούς μήνες ακόμη. Ενδέχεται σε λίγο καιρό να εμφανισθούν και οι πρώτες εικόνες που θα απεικονίζουν την περιοχή με πολύ καλή ανάλυση, χρησιμοποιώντας μεγάλα δίκτυα ραδιοτηλεσκοπίων, όπως το VLA.
Το γεγονός ότι η πρώτη παρατήρηση της συγχώνευσης δύο αστέρων νετρονίων έγινε τόσο νωρίς και σε τόσο κοντινή απόσταση είναι πολύ ελπιδοφόρο, καθώς μπορεί να σημαίνει ότι οι συγχωνεύσεις αυτές είναι πολύ πιο συχνές από ό,τι ήταν αναμενόμενο.
Σε περίπου έναν χρόνο από σήμερα, που θα λειτουργήσουν ξανά οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων (έπειτα από μια νέα αναβάθμισή τους που θα διαρκέσει ένα ολόκληρο έτος), υπάρχει σοβαρή πιθανότητα να έχουμε έναν σημαντικό αριθμό παρατηρήσεων τέτοιων συγχωνεύσεων, ο οποίος θα επιτρέψει να γίνουν και στατιστικές αναλύσεις. Ξεκινά λοιπόν με τον καλύτερο δυνατό τρόπο (και πέρα από κάθε προσδοκία) η εποχή της αστρονομίας πολλαπλής πληροφορίας (multi-messenger astronomy). Οι αστρονόμοι ζουν το όνειρό τους.
