Μαύρες τρύπες συνελήφθησαν για πρώτη φορά να καταβροχθίζουν άστρα νετρονίων

Αστροφυσικοί σε όλο τον κόσμο περίμεναν για χρόνια το πολυπόθητο σήμα που ανιχνεύθηκε τον Ιανουάριο του 2020: κύματα στον χωροχρόνο που δημιουργήθηκαν όταν μια μαύρη τρύπα κατάπιε ένα άστρο νετρονίων, το λείψανο ενός μεγάλου άστρου που έπαψε να λάμπει.

Το πρώτο σήμα ήταν όμως μόνο η αρχή: δέκα ημέρες αργότερα, το πρωτοφανές φαινόμενο καταγράφηκε για δεύτερη φορά σε άλλη γειτονιά του Σύμπαντος.

«Είναι η πρώτη φορά που μπορέσαμε να ανιχνεύσουμε τη σύγκρουση ανάμεσα σε μαύρες τρύπες και άστρα νετρονίων οπουδήποτε στο Σύμπαν» δήλωσε ο Πάτρικ Μπρέιντι του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν, εκπρόσωπος του αμερικανικού προγράμματος LIGO.

Τις τελευταίες δεκαετίες οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει διάφορα «δυαδικά συστήματα», όπως άστρα που κινούνται σε τροχιά γύρω από άλλα άστρα, άστρα νετρονίων που γυροφέρνουν άλλα άστρα νετρονίων, καθώς και μαύρες τρύπες που περιφέρονται γύρω από άλλες μελανές οπές. Εδώ και 50 χρόνια υποψιάζονταν ότι υπάρχουν και δυαδικά συστήματα που αποτελούνται από μια μαύρη τρύπα και ένα άστρο νετρονίων, μέχρι σήμερα όμως η υποψία παρέμενε ανεπιβεβαίωτη.

Το μοτίβο των βαρυτικών κυμάτων από τη συγχώνευση μαύρης τρύπας με άστρο νετρονίων ( S.V. Chaurasia & T. Dietrich)

Ρυτιδώσεις στον χωροχρόνο

Οι δύο ανιχνευτές LIGO που λειτουργούν σε διαφορετικές τοποθεσίες των ΗΠΑ σχεδιάστηκαν για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, ενός φαινομένου που είχε προβλεφθεί το 1916 από τον Άλμπερτ Άινσταιν ως συνέπεια της γενικής σχετικότητας

Ο μεγάλος φυσικός είχε υπολογίσει ότι η επιτάχυνση σωμάτων μεγάλης μάζας, όπως μαύρες τρύπες και άστρα νετρονίων που πέφτουν σπειροειδώς το ένα προς το άλλο και τελικά συγκρούονται, πρέπει να δημιουργούν ομόκεντρα κύματα στο χωροχρόνο, τα οποία ονομάστηκαν βαρυτικά κύματα επειδή παραμορφώνουν το χωροχρόνο όπως η βαρύτητα.

Ουσιαστικά, τα βαρυτικά κύματα τεντώνουν το χώρο σε μια διάσταση (ας πούμε κατά μήκος) και τον συμπιέζουν σε μια άλλη (ας πούμε κατά πλάτος).

Η πρόβλεψη του Αϊνστάιν παρέμενε ανεπιβεβαίωτη μέχρι το 2015, όταν οι ανιχνευτές LIGO ανίχνευσαν βαρυτικά κύματα από τη σύγκρουση δύο μελανών οπών. Η ανακάλυψη τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής του 20178, καθώς άνοιξε τον δρόμο για την παρατήρηση του Σύμπαντος με ένα νέο εργαλείο.

Έκτοτε, το LIGO έχει ανιχνεύσει πολυάριθμες συγκρούσεις ανάμεσα σε ουράνια σώματα, όχι όμως και συγκρούσεις μελανών οπών με άστρα νετρονίων.

Η νέα μελέτη, η οποία δημοσιεύεται στο έγκριτο The Astrophysical Journal από ομάδα 1.000 και πλέον ερευνητών, επιβεβαιώνει ότι ζευγάρια μελανών οπών και άστρων νετρονίων όντως υπάρχουν.

Το πρώτο σήμα καταγράφηκε στις 5 Ιανουαρίου 2020. Ήταν βαρυτικά κύματα που διαδίδονται στο Σύμπαν εδώ και 900 εκατομμύρια χρόνια, όταν μια μαύρη τρύπα με μάζα 8,9 φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου κατάπιε ένα άστρο νετρονίων με μάζα 1,9 φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου.

Το δεύτερο σήμα ανιχνεύθηκε στις 15 Ιανουαρίου του 2020 και υπολογίζεται ότι προήλθε από τη σύγκρουση μιας μαύρης τρύπας με 5,7 ηλιακές μάζες και ενός άστρου νετρονίων με μιάμιση ηλιακή μάζα.

Ένα από τα δύο σήματα καταγράφηκε όχι μόνο από το LIGO αλλά και από τον ιταλικό ανιχνευτή VIRGO και τον ιαπωνικό KARGA, κάτι που επιβεβαιώνει την ανακάλυψη.

Κοσμικά ζευγάρια

Πώς όμως έτυχε να συγκρουστούν οι μαύρες τρύπες με τα άστρα νετρονίων;

Και τα δύο αυτά σώματα σχηματίζονται από την κατάρρευση μεγάλων άστρων που έχουν εξαντλήσει τα πυρηνικά καύσιμά τους. Όταν η μάζα του ετοιμοθάνατου άστρου είναι μεγαλύτερη από ένα όριο, το άστρο εκρήγνυται και μετατρέπεται σε μαύρη τρύπα. Αν η μάζα είναι λίγο μικρότερη προκύπτει ένα άστρο νετρονίων, ένα μικρό αλλά εξαιρετικά πυκνό σώμα που εκπέμπει ασθενική μόνο ακτινοβολία.

Θεωρητικά, μια μαύρη τρύπα θα μπορούσε να τύχει να συναντήσει στον δρόμο της ένα άστρο νετρονίων, οπότε η βαρύτητα ενώνει τα δύο σώματα σε ζευγάρι. Πιο συχνά, δύο άστρα διαφορετικής μάζας που κινούνται σε τροχιά το ένα γύρω από το άλλο πεθαίνουν το ένα μετά το άλλο, οπότε το πρώτο δίνει μια μαύρη τρύπα και το δεύτερο ένα άστρο νετρονίων.

Η ανίχνευση των δύο πρώτων συγκρούσεων επιβεβαιώνει οριστικά τα μοντέλα της κοσμολογίας, τα οποία προβλέπουν την ύπαρξη τέτοιων ζευγαριών, λένε οι ερευνητές.

Περισσότερες πληροφορίες για αυτά τα κοσμικά ζεύγη αναμένονται τα επόμενα χρόνια. Ο ανιχνευτής VIRGO αναβαθμίζεται για να αυξηθεί η ευαισθησία του και πρόκειται να αξιοποιηθεί για νέο γύρο παρατηρήσεων σε συνεργασία με το LIGO που προγραμματίζεται να ξεκινήσει τον Ιούνιο του 2021 το νωρίτερο. Ακόμα ένας ανιχνευτής προγραμματίζεται να εγκατασταθεί στην Ινδία.