Πέμπτη, 12 Ιουλίου 2018

Βαρυτικά κύματα από δυαδικά συστήματα μελανών οπών και αστέρων νετρονίων - "Αποκαλύπτουν την Προέλευση του Σύμπαντος καθώς και τη μέλλον του"

"Μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες επικεντρώνονται σε δυαδικά συστήματα αστέρων νετρονίων ως τρόπο μέτρησης της σταθεράς του Χάμπλ με βαρυτικά κύματα", δηλώνει ο Salvatore Vitale, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο MIT. "Έχουμε δείξει ότι υπάρχει και ένας άλλος τύπος πηγής βαρυτικών κυμάτων που μέχρι στιγμής δεν έχει αξιοποιηθεί όσο θα έπρεπε: μαύρες τρύπες και αστέρες νετρονίων που περιστρέφονται σπειροειδώς μεταξύ τους.

Εικόνα 1

"Το συμβολόμετρο LIGO θα αρχίσει και πάλι να λαμβάνει δεδομένα τον Ιανουάριο του 2019, καθώς θα είναι πολύ πιο ευαίσθητο, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να παρατηρήσουμε πολύ μακρινά αντικείμενα. Το LIGO θα πρέπει να παρατηρήσει τουλάχιστον ένα δυαδικό συστήματα μελανών οπών και αστέρων νετρονίων, περίπου 25 από αυτά, τα οποία θα βοηθήσουν στην επίλυση της υφιστάμενης έντασης που υπάρχει σχετικά με τη μέτρηση της σταθεράς του Χάμπλ, ελπίζουμε μες στα επόμενα χρόνια. "

Από την αρχή της δημιουργίας του πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, το Σύμπαν διαστέλλεται,"παρασύροντας" μαζί του εκατοντάδες δισεκατομμύρια γαλαξίες και αστέρια, σαν σταφίδες πάνω σε μια ζύμη που φουσκώνει πάρα πολύ γρήγορα.Στην εικόνα 1, βλέπουμε μια προσομοίωση από ηλεκτρονικό υπολογιστή, η οποία δείχνει το σχηματισμό ενός εσωτερικού δίσκου ύλης και ενός μεγάλου, θερμού δίσκου ύλης 5,5 χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά τη συγχώνευση ενός αστέρα νετρονίων και μιας μαύρης τρύπας. (Κλασική και κβαντική βαρύτητα)


Οι αστρονόμοι έχουν εστιάσει τα τηλεσκόπια τους σε ορισμένα αστέρια και άλλες κοσμικές πηγές για να μετρήσουν την απόστασή τους από τη Γη, καθώς και πόσο γρήγορα απομακρύνονται από μας - δύο παραμέτρους που είναι ουσιώδεις για την εκτίμηση της σταθεράς Χάμπλ, μια μονάδα μέτρησης που περιγράφει το ρυθμό με τον οποίο το σύμπαν διαστέλλεται.

Μέχρι σήμερα, όμως, ακόμα και οι πιο ακριβείς μελέτες έχουν καταλήξει σε πολύ διαφορετικές τιμές της σταθεράς του Χάμπλ, κάτι που δεν προσφέρει καθοριστικές λύσεις στο πόσο γρήγορα στη πραγματικότητα διαστέλλεται το Σύμπαν. Η πληροφορία αυτή, πιστεύουν οι επιστήμονες ,θα μπορούσε να ρίξει φως στην προέλευση του Σύμπαντος, καθώς και στο μέλλον του, και επίσης στο αν θα διαστέλλεται επ 'αόριστον ή τελικά θα καταρρεύσει.


Πρόσφατα επιστήμονες από το MIT και το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έχουν προτείνει έναν πιο ακριβή και ανεξάρτητο τρόπο μέτρησης της σταθεράς του Χάμπλ χρησιμοποιώντας βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται από ένα σχετικά σπάνιο σύστημα: ένα δυαδικό σύστημα μελανής οπής και αστέρα νετρονίων, το οποίο είναι ένα εξαιρετικά ενεργό ζεύγος μιας μαύρης τρύπας και ενός αστέρα νετρονίων τα οποία περιστρέφονται σπειροειδώς μεταξύ τους. Καθώς τα αντικείμενα αυτά κυκλώνουν το ένα το άλλο, θα πρέπει να παράγουν βαρυτικά κύματα τα οποία διαταράσσουν το διάστημα, και μια ριπή φωτός φωτός όταν τελικά συγκρούονται.

Εικόνα 2

Σε άρθρο που δημοσιεύθηκε σήμερα στον ιστότοπο "Physical Review Letters", οι ερευνητές αναφέρουν ότι η ριπή αυτή του φωτός θα δώσει στους επιστήμονες μια εκτίμηση της ταχύτητας του συστήματος, ή πόσο γρήγορα αυτό απομακρύνεται από τη Γη. Τα εκπεμπόμενα βαρυτικά κύματα, εάν εντοπιστούν στη Γη, θα πρέπει να δώσουν μια ανεξάρτητη και ακριβή μέτρηση της απόστασης του συστήματος. Τα δυαδικά αυτά συστήματα από μαύρες τρύπες και αστέρες νετρονίων είναι εξαιρετικά σπάνια. Οι ερευνητές υπολογίζουν ότι η ανίχνευση ακόμη και μερικών από αυτά τα συστήματα θα έπρεπε να δώσει την ακριβέστερη τιμή για τη σταθερά Χάμπλ, καθώς και το ρυθμό ή τον βαθμό αν προτιμάτε, της διαστολής του Σύμπαντος.


"Τα δυαδικά συστήματα με μαύρες τρύπες και αστέρες νετρονίων είναι εξαιρετικά πολύπλοκα συστήματα, για τα οποία ελάχιστα γνωρίζουμε ", δηλώνει ο Vitale, κύριος συγγραφέας της εργασίας. "Αν εντοπίσουμε ένα από αυτά τα συστήματα, το κέρδος θα είναι είναι ότι μπορούν δυνητικά να μας προσφέρουν μια δραματική συνεισφορά στην κατανόησή μας για το Σύμπαν".

Δύο ανεξάρτητες μετρήσεις της σταθεράς του Χάμπλ έγιναν πρόσφατα, μία με τη χρήση του διαστημικού τηλεσκοπίου Χαμπλ της NASA, και μια άλλη με τη χρήση της διαστημοσυσκευής Planck του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος. Οι μετρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble βασίζονται σε παρατηρήσεις ενός τύπου αστέρα γνωστού ως "μεταβλητός Κηφείδης", καθώς και σε παρατηρήσεις Υπερκαινοφανών (Σούπερνόβα). Και τα δύο αυτά αντικείμενα θεωρούνται ως "πρότυπα κηρία", για το προβλέψιμο πρότυπο της φωτεινότητας τους, το οποίο οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να εκτιμήσουν την απόσταση και την ταχύτητα του αστέρα.


Ο άλλος τύπος εκτίμησης βασίζεται σε παρατηρήσεις των διακυμάνσεων στη κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου-την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που παρέμεινε αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη, όταν το Σύμπαν ήταν ακόμα στα...σπάργανα. Ενώ οι παρατηρήσεις και των δύο ανιχνευτών είναι εξαιρετικά ακριβείς, οι εκτιμήσεις τους για τη σταθερά του Χάμπλ διαφέρουν σημαντικά.


"Εδώ είναι που το LIGO μπαίνει στο παιχνίδι", λέει ο Vitale.

Το LIGO ή αλλιώς το Συμβολόμετρο Λέιζερ και Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ανιχνεύει βαρυτικά κύματα στο χωροχρόνο τα οποία παράγονται από κατακλυσμιαία αστροφυσικά φαινόμενα.

"Τα βαρυτικά κύματα παρέχουν έναν πολύ άμεσο και εύκολο τρόπο μέτρησης των αποστάσεων των πηγών τους", δηλώνει ο Vitale. "Αυτό που εντοπίζουμε με το LIGO είναι ένα άμεσο "αποτύπωμα" της απόστασης της Γης από την πηγή, χωρίς καμία επιπλέον ανάλυση."


Το 2017, οι επιστήμονες είχαν την πρώτη τους ευκαιρία να εκτιμήσουν τη σταθερά του Χάμπλ από μια πηγή βαρυτικών κυμάτων, όταν το LIGO και ο Ιταλός "ομόλογός" του το συμβολόμετρο Virgo ανίχνευσαν για πρώτη φορά ένα ζευγάρι συγκρουόμενων αστέρων νετρονίων. Η σύγκρουση απελευθέρωσε μια τεράστια ποσότητα βαρυτικών κυμάτων, την οποία οι ερευνητές μέτρησαν για να προσδιορίσουν την απόσταση του συστήματος από τη Γη. Η συγχώνευση απελευθέρωσε επίσης μια λάμψη φωτός, την οποία οι αστρονόμοι παρατήρησαν με επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια, για να καθορίσουν την ταχύτητα του συστήματος.

Με τις δύο αυτές μετρήσεις, οι επιστήμονες υπολόγισαν μια νέα τιμή για τη σταθερά του Χάμπλ. Ωστόσο, η εκτίμηση αυτή ήλθε με μια σχετικά μεγάλη αβεβαιότητα της τάξης του 14%, πολύ πιο αβέβαιη από τις τιμές που υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και την διαστημοσυσκευή Planck.

Ο Vitale αναφέρει ότι μεγάλο μέρος της αβεβαιότητας αυτής πηγάζει από το γεγονός ότι μπορεί να είναι δύσκολο να ερμηνεύσουμε την απόσταση ενός δυαδικού συστήματος άστρου νετρονίων από τη Γη χρησιμοποιώντας βαρυτικά κύματα τα οποία εκπέμπει αυτό το συγκεκριμένο σύστημα.


"Μετράμε την απόσταση βλέποντας πόσο "θορυβώδες" είναι το βαρυτικό κύμα, που σημαίνει το πόσο σαφές είναι στα δεδομένα μας" λέει ο Vitale. "Αν είναι πολύ σαφές, μπορούμε να δούμε πόσο δυνατό είναι και αυτό μας δίνει την ζητούμενη απόσταση. Όμως αυτό είναι μόνο εν μέρει αληθές για τα δυαδικά συστήματα αστέρων νετρονίων".

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα συστήματα αυτά, τα οποία δημιουργούν ένα στροβιλιζόμενο δίσκο ενέργειας, όπως δύο αστέρες νετρονίων, περιστρέφονται ο ένας με τον άλλο, και εκπέμπουν βαρυτικά κύματα κατά τρόπο ανομοιογενή. Η πλειοψηφία των βαρυτικών κυμάτων εκτοξεύεται κατευθείαν από το κέντρο του δίσκου αυτού, ενώ ένα πολύ μικρότερο μέρος ξεφεύγει από τις άκρες. Εάν οι επιστήμονες ανιχνεύσουν ένα σήμα "δυνατού, ηχηρού" βαρυτικού κύματος, αυτό θα μπορούσε να υποδηλώνει ότι συμβαίνει ένα από δύο πιθανά σενάρια: Είτε τα ανιχνευθέντα κύματα προέρχονταν από την άκρη ενός συστήματος πολύ κοντά στη Γη, είτε τα κύματα αυτά προερχόταν από το κέντρο ενός πολύ απομακρυσμένου συστήματος.


"Με τα δυαδικά συστήματα αστέρων νετρονίων, είναι πολύ δύσκολο να γίνει διάκριση μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων", λέει ο Vitale.


Το 2014, πριν το LIGO πραγματοποιήσει την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, ο Vitale και οι συνεργάτες του παρατήρησαν ότι ένα δυαδικό σύστημα που αποτελείται από μια μαύρη τρύπα και ένα άστρο νετρονίων θα μπορούσε να δώσει μια πιο ακριβή μέτρηση απόστασης σε σύγκριση με τα δυαδικά συστήματα με άστρα νετρονίων. Η ομάδα διερεύνησε πόσο μπορούσε να μετρήσει με ακρίβεια την περιστροφή μιας μαύρης τρύπας, δεδομένου ότι τα αντικείμενα αυτά είναι γνωστό ότι περιστρέφονται στους άξονες τους, όπως και η Γη, αλλά πολύ πιο γρήγορα.

Οι ερευνητές προσομοίασαν μια ποικιλία συστημάτων με μαύρες τρύπες, συμπεριλαμβανομένων και των δυαδικών συστημάτων μαύρης τρύπας - αστέρας νετρονίων, καθώς και των δυαδικών συστημάτων με αστέρες νετρονίων. Ως υποπροϊόν της προσπάθειας αυτής, η ομάδα παρατήρησε ότι ήταν σε θέση να προσδιορίσει με μεγαλύτερη ακρίβεια την απόσταση των δυαδικών συστημάτων μαύρης τρύπας - αστέρας νετρονίων, σε σύγκριση με τα δυαδικά συστήματα με άστρα νετρονίων. Ο Vitale λέει ότι αυτό οφείλεται στην περιστροφή της μαύρης τρύπας γύρω από το άστρο νετρονίων, κάτι που μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να εντοπίσουν καλύτερα στο σύστημα την πηγή εκπομπής των βαρυτικών κυμάτων.

"Λόγω αυτής της καλύτερης μέτρησης απόστασης, σκέφτηκα ότι τα δυαδικά συστήματα που αποτελούνται από μια μαύρη τρύπα και ένα άστρο νετρονίων θα μπορούσαν να είναι ένας ανταγωνιστικός "ερευνητής" για τη μέτρηση της σταθεράς του Χάμπλ ", λέει ο Vitale. "Από τότε, έχουν συμβεί πολλά με το LIGO και την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων, και όλα αυτά απέκτησαν δευτερεύουσα προτεραιότητα".


Ο Vitale επέστρεψε πρόσφατα στην αρχική του παρατήρηση, και σε αυτή τη νέα εργασία, έθεσε ένα θεωρητικό ερώτημα:


"Είναι το γεγονός ότι κάθε δυαδικό σύστημα που αποτελείται από μια μαύρη τρύπα και ένα άστρο νετρονίων θα μου δώσει μια καλύτερη απόσταση η οποία θα αντισταθμίζει το γεγονός ότι δυνητικά, υπάρχουν πολύ λιγότερες από αυτά τα συστήματα στο Σύμπαν από τα δυαδικά συστήματα με άστρα νετρονίων;" Λέει ο Vitale.


Για να απαντηθεί το ερώτημα αυτό, η ομάδα πραγματοποίησε προσομοιώσεις για να προβλέψει την εμφάνιση και των δύο τύπων δυαδικών συστημάτων στο Σύμπαν, καθώς και την ακρίβεια των μετρήσεων απόστασης τους από τη Γη. Από τους υπολογισμούς τους, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι, ακόμη και αν τα δυαδικά συστήματα με αστέρες νετρονίων ξεπέρασαν τα 50 προς ή 50-1, το τελευταίο θα απέδιδε μια σταθερά του Χάμπλ παρόμοια στην ακρίβεια με την πρώτη.

Πιο αισιόδοξα, εάν τα δυαδικά συστήματα που αποτελούνται από μια μαύρη τρύπα και ένα άστρο νετρονίων ήταν λίγο πιο...συνηθισμένα, αλλά ακόμα πιο σπάνια από τα δυαδικά συστήματα με αστέρες νετρονίων, το πρώτο θα δώσει μια σταθερά του Χάμπλ που είναι τέσσερις φορές πιο ακριβής.


Ο ιστότοπος Daily Galaxy μέσω του Massachusetts Institute of Technology


--------------------*--------------------


Ενημερωθείτε για θέματα Αστρονομίας και Επιστήμης στις ομάδες μας στο Facebook:

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