Δύο άστρα νετρονίου γέννησαν μια νέα αστρονομία. LIGO and Virgo make first detection of gravitational waves produced by colliding neutron stars

Η παρατήρηση του φαινομένου οδήγησε σε μια σειρά νέων σημαντικών ανακαλύψεων για την λειτουργία του Σύμπαντος. Artist’s illustration of two merging neutron stars. The rippling space-time grid represents gravitational waves that travel out from the collision, while the narrow beams show the bursts of gamma rays that are shot out just seconds after the gravitational waves. Swirling clouds of material ejected from the merging stars are also depicted. The clouds glow with visible and other wavelengths of light. Credit: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Επιστήμονες από τις ΗΠΑ και την Ευρώπη ανακοίνωσαν ότι για πρώτη φορά ανίχνευσαν στη Γη βαρυτικά κύματα από το διάστημα, τα οποία προέρχονται από τη συγχώνευση δύο άστρων νετρονίων (πάλσαρ) και όχι μαύρων τρυπών, όπως είχε συμβεί σε όλες τις προηγούμενες περιπτώσεις.

12 ώρες μετά την ανίχνευση του βαρυτικού κύματος από τους ανιχνευτές LIGO – Virgo, τα τηλεσκόπια είχαν εντοπίσει την πηγή του γεγονότος μέσα στον γαλαξία NGC 4993. Σ’ αυτή την εικόνα του διαστημικού τηλεσκοπίου του Hubble βλέπουμε την παραχθείσα έκλαμψη που ονομάζεται kilonova (στο τετράγωνο πλαίσιο).

Swope and Magellan telescope optical and near-infrared images of the first optical counterpart to a gravitational-wave source, SSS17a, in its galaxy, NGC 4993. The left image is from August 17, 2017, 11 hours after the LIGO-Virgo detection of the gravitational-wave source, and contains the first optical photons from the source. The right image is from four days later, when SSS17a—the aftermath of a neutron star merger—faded significantly and its color became much redder. Credit: 1M2H/UC Santa Cruz and Carnegie Observatories/Ryan Foley

Οι επιστήμονες ανακοίνωσαν επίσης ότι για πρώτη φορά εντόπισαν και παρατήρησαν με τηλεσκόπια την ισχυρή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που συνόδευε το κοσμικό αυτό φαινόμενο.

A map of the approximately 70 light-based observatories that detected the gravitational-wave event called GW170817. On August 17, the LIGO and Virgo detectors spotted gravitational waves from two colliding neutron stars. Light-based telescopes around the globe observed the aftermath of the collision in the hours, days, and weeks following. They helped pinpoint the location of the neutron stars and identified signs of heavy elements, such as gold, in the collision's ejected material. Credit: LIGO-Virgo

Οι ερευνητές των δύο αμερικανικών ανιχνευτών LIGO και του ευρωπαϊκού Virgo έκαναν την ανίχνευση των ίδιων των βαρυτικών κυμάτων, αλλά στη συνέχεια 70 επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια κατέγραψαν το φως που εκπέμφθηκε από τη πηγή των βαρυτικών κυμάτων τις επόμενες ώρες, μέρες και εβδομάδες. Το επίτευγμα αυτό, όπως τονίσθηκε από τους επιστήμονες, σηματοδοτεί τη γέννηση μιας νέου τύπου αστρονομίας.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει τον εντοπισμό του βαρυτικού κύματος από τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων (τους δύο LIGO και τον Virgo), καθώς επίσης και από τα διαστημικά τηλεσκόπια ακτίνων γ Ferrmi και INTEGRAL, αλλά και από επίγεια οπτικά τηλεσκόπια όπως το τηλεσκόπιο Swope.

Οι έγχρωμες περιοχές δείχνουν τον εντοπισμό της πηγής των κυμάτων στον ουρανό. Με μπλε χρώμα οι περιοχές που προσδιορίζονται από τα παρατηρητήρια ακτίνων γάμμα και με πράσινο χρώμα από τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων. Οι δυο ασπρόμαυρες εικόνες στο ένθετο δείχνουν τον γνωστό γαλαξία NGC4993: στην πάνω, βλέπουμε το φαινόμενο που καταγράφηκε περίπου 11 ώρες μετά την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων και των ακτίνων γάμμα, κάτι που δεν υπήρχε τρεις εβδομάδες πριν συμβεί το γεγονός (κάτω).

Δυο από τις (ιστορικές πλέον) επιστημονικές δημοσιεύσεις που περιγράφουν την ανακάλυψη έχουν τίτλο: «Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger» και «Ιlluminating gravitational waves: A concordant picture of photons from a neutron star merger».

Η σύγκρουση των άστρων νετρονίων αφήνει πολλά «ίχνη»: ραδιοσήματα, υπέρυθρο, ορατό φως, υπεριώδες, ακτίνες Χ, ακτίνες γ και βαρυτικά κύματα! (όχι σαν τις συγκρούσεις μαύρων τρυπών που παράγουν μόνο βαρυτικά κύματα).

Το σήμα του βαρυτικού κύματος που ανιχνεύθηκε είχε πολύ μεγαλύτερη διάρκεια, περίπου 100 δευτερόλεπτα, σε σχέση με τα προηγούμενα βαρυτικά κύματα από συγχώνευση μαύρων τρυπών, τα οποία διαρκούσαν κλάσματα του δευτερολέπτου. Και γι αυτό αποδίδεται σε σύγκρουση άστρων νετρονίων. 

Η εκτίμηση των μαζών των δύο συγχωνευθέντων άστρων νετρονίων.

Οι μάζες των άστρων νετρονίων που συγχωνεύθηκαν δεν μπορούν να προσδιοριστούν με μεγάλη ακρίβεια. Θα μπορούσαν να είναι 0,86 και 2,26 ηλιακές μάζες ή στην περίπτωση που τα δυο αντικείμενα περιστρέφονται πιο αργά, 1,17 και 1,60 ηλιακές μάζες. Σε κάθε περίπτωση οι μάζες αυτές ταιριάζουν με τις συνήθεις μάζες άστρων νετρονίων.

The sequence starts with a broad view of the night sky. We then zoom in towards the constellation of Hydra. This was the direction from which gravitational waves were detected by LIGO-Virgo on 17 August 2017. The blue region shows the large area in which the source was expected to lie. Once identified many ESO telescopes and instruments scrutinised the region around the galaxy NGC 4993, where a transient source had been spotted. These included VISTA, the VST, the GROND instrument on the MPG/ESO 2.2-metre telescope and VIMOS and other instruments on the VLT. The final sequence shows how VISTA monitored this source, a kilonova created by the merging of two neutron stars, as it brightened and then became must redder in colour and faded. Credit: N. Risinger (skysurvey.org), LIGO-Virgo, Digitized Sky Survey 2, ESO. Music: Johan B. Monell (www.johanmonell.com)

Μια άλλη ιδιότητα που μπορεί να μετρηθεί καλά από τα δεδομένα των βαρυτικών κυμάτων κύματα είναι η απόσταση του σημείου στο οποίο έγινε η σύγκρουση των άστρων νετρονίων. Υπολογίστηκε περίπου 40 megaparsecs (περίπου 130 εκατομμύρια έτη φωτός), κάτι που συμφωνεί με την απόσταση του γαλαξία NGC 4993. Διαθέτοντας τόσο την μέτρηση της απόστασης όσο και την οπτική αναγνώριση του γαλαξία, μπορούμε για πρώτη φορά να πραγματοποιήσουμε μια κοινή μέτρηση της σταθεράς Hubble.

Και άλλες ανακαλύψεις

This spectrogram shows the characteristic “chirp” of a gravitational wave signal seen by LIGO as both the signal’s frequency and intensity rise sharply in the final moments of the death spiral of two colliding neutrons stars. Image credit: Alex Nitz

Όπως αναφέρει σε δημοσίευμά του το ΑΠΕ-ΜΠΕ χάρη στις νέες παρατηρήσεις, προέκυψαν μια σειρά από άλλες ανακαλύψεις, όπως η λύση στο μυστήριο των εκρήξεων ακτίνων γάμα (Gamma-Ray Bursts - GRBs), καθώς από την ίδια πηγή των βαρυτικών κυμάτων, τη συγχώνευση των δύο άστρων νετρονίων, καταγράφηκε μια τέτοια έκρηξη ισχυρής ακτινοβολίας. Αυτό, κατά τους αστροφυσικούς, σημαίνει ότι τουλάχιστον μερικές GRBs γεννιούνται, παράλληλα με τα βαρυτικά κύματα (τις «ρυτιδώσεις» στον ιστό του χωροχρόνου), από τέτοια κατακλυσμικά κοσμικά φαινόμενα. 

Στο βίντεο με αχνή απόχρωση απεικονίζονται τα βαρυτικά κύματα που παράγονται από την συγχώνευση των δύο άστρων. Με κόκκινο-μωβ χρωμα (ματζέντα) απεικονίζεται η ακτινοβολία γάμμα. Με βιολετί χρώμα απεικονίζεται η υπεριώδης ακτινοβολία, με γαλαζόλευκη και ερυθρή απόχρωση η υπέρυθρη ακτινοβολία και με μπλε απόχρωση η ακτινοβολία Χ που αποτελούν προϊόν της συγχώνευσης. Doomed neutron stars whirl toward their demise in this animation. Gravitational waves (pale arcs) bleed away orbital energy, causing the stars to move closer together and merge. As the stars collide, some of the debris blasts away in particle jets moving at nearly the speed of light, producing a brief burst of gamma rays (magenta). In addition to the ultra-fast jets powering the gamma-rays, the merger also generates slower moving debris. An outflow driven by accretion onto the merger remnant emits rapidly fading ultraviolet light (violet). A dense cloud of hot debris stripped from the neutron stars just before the collision produces visible and infrared light (blue-white through red). The UV, optical and near-infrared glow is collectively referred to as a kilonova. Later, once the remnants of the jet directed toward us had expanded into our line of sight, X-rays (blue) were detected. This animation represents phenomena observed up to nine days after GW170817. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab. Music: “Exploding Skies” from Killer Tracks.

Ακόμη, άλλοι επιστήμονες μπόρεσαν να ρίξουν φως στην προέλευση των βαρύτερων χημικών στοιχείων (μολύβδου, χρυσού, πλατίνας κ.ά.), αλλά και να κάνουν μια νέα εκτίμηση του ρυθμού επέκτασης του σύμπαντος. Η νέα εκτίμηση είναι, ότι το σύμπαν επεκτείνεται με ρυθμό περίπου 70 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο ανά παρσέκ, που συμβαδίζει με τις έως τώρα εκτιμήσεις. Το παρσέκ αντιστοιχεί σε περίπου 3,26 έτη φωτός, το οποίο είναι περίπου 30,9 τρισεκατομύρια χιλιόμετρα.

Πηγές: https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817 - https://physicsgg.me/2017/10/16/ - http://www.tovima.gr/science/physics-space/article/?aid=908310