Κυριακή, 29 Οκτωβρίου 2017

Η Αργοπορία του…φωτός


Γιατί το φως έφτασε 1,7 δευτερόλεπτα μετά τα βαρυτικά κύματα κατά τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων;

Από το πρόγραμμα : Ask Ethan το οποίο απαντά σε ερωτήσεις του κοινού σε θέματα αστρονομίας και αστροφυσικής από τον αστροφυσικό Ethan Siegel.

Καλλιτεχνική απεικόνιση δύο αστέρων νετρονίων που συγχωνεύτηκαν. Το κυματιστό πλέγμα του χωροχρόνου αντιπροσωπεύει τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται από τη σύγκρουση, ενώ οι στενές δέσμες είναι ακτίνες Γάμμα (γ) που εκτοξεύονται μόλις λίγα  δευτερόλεπτα μετά τα βαρυτικά κύματα (ανιχνεύονται από τους αστρονόμους ως εκλάμψεις ακτίνων Γάμμα).
Εικόνα: NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Στις 17 Αυγούστου, μετά από ένα ταξίδι που διήρκεσε 130 εκατομμύρια χρόνια, το σήμα από τα βαρυτικά κύματα των δύο αστέρων νετρονίων, που περιστρέφονται σπειροειδώς πλησιάζοντας μεταξύ τους, βρισκόμενα στα τελικά στάδια της συγχώνευσης τους, έφτασε τελικά στη Γη. Καθώς συγκρούστηκαν οι επιφάνειες των δύο αστεριών, το σήμα διακόπηκε απότομα και μετά δεν υπήρξε τίποτα. Αν και αυτά τα αστρικά ¨πτώματα¨, με διάμετρο πιθανόν τα 20 χιλιόμετρα , κινούνταν στο 30% περίπου της ταχύτητας του φωτός, δεν παρατηρήθηκε τίποτα αμέσως μετά τη σύγκρουση. Μόλις 1,7 δευτερόλεπτα αργότερα έφτασε το πρώτο σήμα: φως με τη μορφή ακτίνων Γάμμα. Γιατί συνέβη αυτή η καθυστέρηση; Είναι μια απίστευτη ερώτηση και αυτό που ο Joel Mills θέλει να ξέρει:

¨Παρακαλώ εξηγήστε μου τη σημασία της διαφοράς του 1,7 δευτερολέπτων στο χρόνο άφιξης μεταξύ των βαρυτικών κυμάτων (GW) και της έκλαμψης ακτίνων Γάμμα για το πρόσφατο γεγονός των αστέρων Νετρονίων¨.

Ας ρίξουμε μια ματιά σε αυτό που είδαμε και ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε γιατί συνέβη αυτή η καθυστέρηση.


Οι αστέρες νετρονίων, όταν συγχωνεύονται, μπορούν και εκπέμπουν σχεδόν ταυτόχρονα βαρυτικά κύματα και ηλεκτρομαγνητικά σήματα. Οι λεπτομέρειες όμως της συγχώνευσης είναι αρκετά αινιγματικές, καθώς τα θεωρητικά μοντέλα δεν ταιριάζουν με αυτό που παρατηρήσαμε.
Εικόνα: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

Καθώς τα αστέρια νετρονίων ακολούθησαν μια σπειροειδή κίνηση και τελικά συγχωνεύτηκαν, το σήμα από τα βαρυτικά κύματα γινόταν ολοένα και πιο ισχυρό. Σε αντίθεση με τις συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες, δεν υπάρχει ορίζοντας γεγονότων και καμία μοναδικότητα (singularity ) στον πυρήνα. Για τα άστρα νετρονίων, υπάρχει μια "σκληρή" επιφάνεια που παράγεται κυρίως από νετρόνια (90%) και άλλους ατομικούς πυρήνες (και λίγα ηλεκτρόνια) στα άκρα της επιφάνειας αυτής . Όταν αυτές οι δύο επιφάνειες συγκρούονται μεταξύ τους, αναμένεται ότι θα συμβεί μια σημαντικής ισχύος πυρηνική αντίδραση, η οποία θα έχει ως αποτέλεσμα:
. Την αποβολή μιας σημαντικής ποσότητας ύλης, πολλές φορές όσο τη μάζα του Δία, 
. Το σχηματισμό ενός υπό κατάρρευση κεντρικού αντικειμένου, πιθανώς μια μαύρη τρύπα μετά από όχι περισσότερο από μερικές εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου για αυτές τις συγκεκριμένες μάζες, 
. Και στη συνέχεια την επιτάχυνση και την εκτόξευση του υλικού που περιβάλλει τα υπό συγχώνευση αντικείμενα . 

Γνωρίζαμε ότι όταν δύο άστρα νετρονίων συγχωνεύονται, όπως προσομοιάζονται στην εικόνα, δημιουργούν εκλάμψεις ακτίνων Γάμμα, καθώς και άλλα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Αλλά γιατί αυτή η έκλαμψη ακτίνων Γάμμα συνέβη 1.7 δευτερόλεπτα μετά τη βαρυτική συγχώνευση των άστρων νετρονίων δεν έχει ακόμα μια οριστική απάντηση.
Εικόνα: NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz and L. Rezzolla



Γνωρίζουμε τώρα, χάρη στις παρατηρήσεις που συλλέχθηκαν από πάνω από 70 τηλεσκόπια και δορυφόρους, από ακτίνες Γάμμα μέχρι τα ραδιοκύματα, ότι από εκεί προέρχεται η πλειονότητα των βαρύτερων στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Γνωρίζουμε ότι ένας ταχέως περιστρεφόμενος αστέρας νετρονίων πιθανότατα σχηματίστηκε στον πυρήνα για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, και κατόπιν κατέρρευσε σε μια μαύρη τρύπα. Γνωρίζουμε επίσης ότι το πρώτο ηλεκτρομαγνητικό σήμα από τη συγχώνευση αυτή - οι ακτίνες Γάμμα υψηλής ενέργειας - έφτασε μόλις 1,7 δευτερόλεπτα μετά την ολοκλήρωση της άφιξης των σημάτων από τα βαρυτικά κύματα. Σε μια χρονική κλίμακα 130 εκατομμυρίων ετών στην οποία ταξιδεύει το φως, συμπεραίνεται ότι τα βαρυτικά κύματα και τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα ταξίδεψαν με την ίδια ταχύτητα συγχρονισμένα περισσότερο από ένα μέρος στο ένα τετράκις εκατομμύριο: 1 επί 1015


Στις τελευταίες στιγμές της συγχώνευσης, δύο άστρα νετρονίων δεν εκπέμπουν απλώς βαρυτικά κύματα, αλλά μια καταστροφική έκρηξη που αντηχεί σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Η διαφορά του χρόνου άφιξης μεταξύ φωτός και βαρυτικών κυμάτων μας δίνει τη δυνατότητα να μάθουμε πολλά για το Σύμπαν.
Εικόνα: University of Warwick / Mark Garlick



Αλλά γιατί  οι ακτίνες Γάμμα έφθασαν με καθυστέρηση; Γιατί δεν έφτασαν απλώς ταυτόχρονα με τα βαρυτικά κύματα; Υπάρχουν δύο πιθανά σενάρια:

1- Οι ακτίνες Γάμμα εκπέμφθηκαν 1,7 δευτερόλεπτα μετά την πρώτη επαφή των επιφανειών των άστρων νετρονίων,

2 - Ή οι ακτίνες Γάμμα εκπέμφθηκαν σχεδόν αμέσως, αλλά  καθυστέρησαν καθώς πέρασαν μέσα από το περιβάλλον υλικό.

Αυτές οι δύο δυνατότητες κρύβουν έναν περιορισμό, μια αμφισβήτηση τρόπο τινά, για το ότι η αληθινή απάντηση θα μπορούσε να είναι ένας συνδυασμός και των δύο αυτών παραγόντων ή μια απίθανη εναλλακτική λύση που εμπεριέχει ενδεχομένως μια αλλόκοτη, μια εξωτική φυσική (όπως μια ελαφρώς διαφορετική ταχύτητα για τα βαρυτικά και ηλεκτρομαγνητικά κύματα). Ας εξετάσουμε λοιπόν πώς τα δύο αυτά σενάρια ή πιθανότητες αν προτιμάτε, μπορούν να διαδραματίσουν ένα ενεργό ρόλο στη αργοπορία αυτή του φωτός.


Κατά τη διάρκεια της σπειροειδούς κίνησης δύο άστρων νετρονίων, και της συγχώνευσης των, θα πρέπει να απελευθερωθεί μια τεράστια ποσότητα ενέργειας, μαζί με βαρέα στοιχεία, βαρυτικά κύματα, και ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα, όπως απεικονίζεται εδώ.
Εικόνα: NASA / JPL

Καθυστέρηση εκπομπής ακτίνων Γάμμα:  όταν δύο αστέρια νετρονίων συγκρούονται, γνωρίζουμε ότι παράγουν ακτίνες Γάμμα. Είναι από καιρό η κορυφαία θεωρία - για πάνω από 20 χρόνια - ότι η προέλευση των βραχύβιων εκλάμψεων ακτίνων Γάμμα είναι για τα συγκρουόμενα αστέρια νετρονίων, μια εικόνα που επιβεβαιώθηκε θεαματικά από το συμβάν GW170817. Αλλά οι ακτίνες Γάμμα παράγονται:

1ον  στην επιφάνεια των άστρων νετρονίων;

2ον από τη σύγκρουση του εκτοξευόμενου υλικού με την περιβάλλουσα ύλη;

ή 3ον μέσα στους πυρήνες των άστρων  νετρονίων;

Αν πρόκειται για τις δύο τελευταίες περιπτώσεις, αυτές οι ακτίνες Γάμμα θα έπρεπε να καθυστερήσουν να φθάσουν στα παρατηρητήρια μας. Χρειάζεται χρόνος για να συγχωνευθούν τα αστέρια νετρονίων, να εκτοξευθούν υλικά, να συγκρουστούν τα υλικά αυτά με την περιβάλλουσα ύλη, και στη συνέχεια, για αυτό το εξαιρετικά ενεργητικό υλικό, να εκπεμφθούν ακτίνες Γάμμα. Αν το υλικό βρίσκεται σε μια σημαντική απόσταση μακριά από το αστέρι νετρονίων, δεκάδες ή εκατοντάδες χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά, αυτό θα εξηγούσε πολύ απλά, την καθυστέρηση αυτή.



Εναλλακτικά, εάν οι ακτίνες Γάμμα δεν παράγονται στην επιφάνεια, αλλά στα ενδότερα των υπό σύγκρουση αστέρων νετρονίων, θα περίμενε κανείς ότι θα υπάρξει καθυστέρηση καθώς το φως χρειάζεται χρόνο να …αναρριχηθεί έως στην επιφάνεια του αστέρα νετρονίων, όπου μετέπειτα θα μπορούσε τελικά να απελευθερωθεί προς το διαστρικό χώρο. Τα βαρυτικά κύματα δεν καθυστερούν, γιατί δεν χρειάζεται να ταξιδεύουν μέσα από πυκνή ύλη, όμως το φως έχει αυτό τον περιορισμό. Αυτό θα ήταν εξαιρετικά ανάλογο με αυτό που παρατηρήσαμε κατά τη διάρκεια του υπερκαινοφανούς (Supernova) που είδαμε το 1987, όπου τα νετρίνα (στα οποία δεν ανακόπτεται η ορμή τους περνώντας μέσα από την ύλη) έφτασαν τέσσερις ώρες πριν από τα πρώτο φως του συμβάντος, εξαιτίας του γεγονότος ότι το φως επιβραδύνθηκε από την ανάγκη του να περάσει μέσα από μια μεγάλη ποσότητα ύλης. Μία από αυτές τις ερμηνείες θα μπορούσε να εξηγήσει την καθυστέρηση στην εκπομπή των ακτίνων Γάμμα.


Καλλιτεχνική απεικόνιση μιας ταχύτατης έκλαμψης ακτίνων Γάμμα, η οποία προέρχεται από τη συγχώνευση άστρων νετρονίων. Το πλούσιο σε αέριο περιβάλλον που τις περιβάλλει θα μπορούσε να καθυστερήσει την άφιξη τους.
Εικόνα: ESO


Άμεση εκπομπή, αλλά καθυστερημένη άφιξη των ακτίνων Γάμμα: αυτό είναι το άλλο μείζον σενάριο. Ακόμη και αν εκπεμφθούν αμέσως ακτίνες Γάμμα, θα πρέπει ακόμα να περάσουν μέσα από το πλούσιο σε ύλες περιβάλλον που κυκλώνει το άστρο νετρονίων. Πρέπει να είναι πλούσιο σε υλικά, επειδή με τα αστέρια νετρονίων να κινούνται τόσο γρήγορα (κοντά στην ταχύτητα του φωτός) μέσα στο διάστημα, και με τα έντονα μαγνητικά πεδία που παράγουν, η μοίρα του υλικού είναι να εκτοξευθεί και να απογυμνωθεί καθώς τα άστρα νετρονίων κινούνται σε σπειροειδή μεταξύ τους κίνηση πλησιάζοντας συνεχώς το ένα το άλλο, οπού τελικά συγχωνεύονται. Αυτός ο …Ναπολιτάνικος χορός συντελείται για μεγάλο χρονικό διάστημα, έτσι ώστε να δημιουργούνται τόσο μεγάλα ποσά ύλης που το φως πρέπει να ταξιδέψει ανάμεσα τους πριν να φτάσει στα μάτια μας. Υπάρχει αρκετή ύλη σε αυτή τη Συμπαντική γωνιά, που μπορεί να προκαλέσει καθυστέρηση 1,7 δευτερολέπτου; Θα μπορούσε να υπάρξει τέτοια περίπτωση και αυτή είναι το άλλο μείζον σενάριο.



Το Πάλσαρ των Ιστίων, όπως και όλα τα Πάλσαρς, είναι ένα παράδειγμα ενός νεκρού αστέρα νετρονίου. Το αέριο και η ύλη που το περιβάλλει είναι αρκετά συνηθισμένα, και γύρω από τα αστέρια νετρονίων που παρατηρούνται στο GW170817, ίσως ευθύνονται για την καθυστέρηση της άφιξης των ακτίνων Γάμμα στα παρατηρητήριά μας.
Εικόνα: NASA / CXC / PSU / G.Pavlov et αϊ.


Ο τρόπος με τον οποίο θα φτάσουμε στην απάντηση περιλαμβάνει έναν συνδυασμό εξέτασης περισσότερων γεγονότων σε μια ποικιλία αστρικών μαζών που κυμαίνονται: κάτω από μια συνδυασμένη μάζα 2,5 ηλιακών μαζών (όπου θα πρέπει να έχουμε ένα σταθερό άστρο νετρονίων), μεταξύ 2,5 και 3ων ηλιακών μαζών (όπως το συμβάν που είδαμε, όπου εδώ έχουμε ένα προσωρινό αστέρι νετρονίων που τελικά μετατρέπεται σε μια μαύρη τρύπα), και πάνω από 3 ηλιακές μάζες (όπου έχουμε τον άμεσο σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας), καθώς και τη δυνατή μέτρηση των φωτεινών σημάτων που προέρχονται από αυτές τις πηγές. Επίσης, θα μάθουμε περισσότερα, αν συλλάβουμε ταχύτερα την φάση της σπειροειδούς κίνησης, και να είμαστε σε θέση να απεικονίσουμε την αναμενόμενη πηγή πριν από τη συγχώνευση. Καθώς οι συμβολομετρικοί ανιχνευτές LIGO / Virgo, και άλλοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων επικοινωνούν σε απευθείας σύνδεση, και γίνονται ακόμα πιο ευαίσθητοι, θα γίνουμε ολοένα και καλύτεροι πάνω σε αυτό τον τομέα.


Το κατάλοιπο του Υπερκαινοφανούς 1987α, που βρίσκεται στο Μεγάλο Μαγγελανικό νέφος περίπου 165.000 έτη φωτός μακριά. Το γεγονός ότι τα νετρίνα έφθασαν λίγες ώρες πριν το πρώτο φωτεινό σήμα μας διδάσκει περισσότερα για τη διάρκεια που χρειάζεται το φως για να διαδοθεί μέσα από τα στρώματα των υπερκαινοφανών αστέρων, απ’ ό, τι συνέβαινε για τη ταχύτητα με την οποία ταξιδεύουν τα νετρίνα, και η οποία δεν μπορούσε να διακριθεί με σαφήνεια από την ταχύτητα του φωτός.
Εικόνα: Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator


Εξωτικές, αλλόκοτες ιδέες, όπως μια διαφορετική ταχύτητα για τη βαρύτητα και το φως, είναι εντελώς περιττές για να εξηγήσουν αυτή την παρατήρηση. Πολλές διαφορετικές γραμμές σκέψης που αφορούν τη συμβατική φυσική θα μπορούσαν να είναι επιτυχείς στην περιγραφή του γιατί συνέβη μια μικρή καθυστέρηση 1,7 δευτερολέπτων. Ενώ τα βαρυτικά κύματα απλώς περνούν μέσα από την ύλη αδιατάρακτα, το φως αλληλοεπιδρά με αυτή ηλεκτρομαγνητικά, κάτι που θα μπορούσε να είναι η πιο σημαντική διαφορά. Σε αντίθεση όμως με τους Υπερκαινοφανείς, τα αντικείμενα (αστέρια νετρονίων) που δημιουργούν εκλάμψεις ακτίνων Γάμμα είναι μικροσκοπικά, και έτσι όπου και να βρίσκεται η λύση, θα πρέπει να κατανοήσουμε ένα τέτοιο κατακλυσμικό συμβάν σε εξαιρετικά σύντομες χρονικές κλίμακες. Ενώ οι θεωρητικοί φυσικοί αγωνίζονται να καλύψουν τη διαφορά, τα δεδομένα είναι ήδη εδώ. Το επόμενο γεγονός θα μπορούσε να κάνει τη μεγάλη διαφορά, και ίσως μια μεγάλη αποκάλυψη.





Πηγές υπάρχουν επίσης και στις παραπομπές του κειμένου (οι λέξεις με τα μπλε γράμματα)

Απόδοση στα Ελληνικά : Δημήτρης Γκίκας.
 Για διορθώσεις μετάφρασης ως προς το πρότυπο κείμενο, απορίες, ή συμπληρώματα, γράψτε μας: gikasd63@hotmail.com  η αφήστε μήνυμα inbox στη Σελίδα:
 

 Επίσης εάν θέλετε να δημοσιευτεί στο μπλόγκ μας κάποια δική σας εργασία, άρθρο, ή paper σχετικά με την επιστήμη, αποστείλατε τα άρθρα αυτά συνοδευόμενα απαραίτητα από τη σχετική βιβλιογραφία, και την σχετική έντυπη άδεια σας για δημοσίευση στο μπλόγκ μας, στη διεύθυνση: gikasd63@hotmail.com  .
 Η δημοσίευση είναι εντελώς δωρεάν.

Εάν, κατά την άποψή σας, υπάρχουν επιστημονικά λάθη στο πρότυπο κείμενο η ομάδα μας δεν μπορεί να παρέμβει και να το αλλάξει χωρίς την συναίνεση του αρθρογράφου. Για οποιαδήποτε τέτοια αλλαγή επικοινωνήστε με την πηγή του άρθρου.

 Το κείμενο υπόκειται σε επικαιροποίηση αν υπάρξουν έγκυρες διορθώσεις ή νέα στοιχεία που αφορούν το θέμα του άρθρου. 

Για την ομάδα : @Aratosastronomy