GW190814: Το μυστήριο ενός αστρονομικού αντικειμένου 2,6 ηλιακών μαζών. GW190814—The mystery of a 2.6 solar mass compact object

Ανακάλυψη αγνώστου ως τώρα κοσμικού αντικειμένου: Τι μπορεί να είναι και τι σημαίνει για την επιστήμη. The population of compact objects (black holes and neutron stars) observed with gravitational waves and with electromagnetic astronomy, including a few which are uncertain. GW170814 is highlighted. It is not clear if its lighter component is a black hole or neutron star.

Όταν ένα πραγματικά γιγαντιαίο άστρο «πεθαίνει», καταρρέει κάτω από την ίδια του τη βαρύτητα και αφήνει πίσω του μαύρη τρύπα. Όταν λιγότερο μεγάλα άστρα καταρρέουν, εκρήγνυνται σε σουπερνόβα και αφήνουν πίσω εξαιρετικά πυκνά, «νεκρά» απομεινάρια, τους αστέρες νετρονίων. Ωστόσο, επί δεκαετίες επιστήμονες αναρωτιούνταν τι συμβαίνει στο «κενό» ανάμεσα στα άστρα νετρονίων και τις μαύρες τρύπες: Ο βαρύτερος γνωστός αστέρας νετρονίων δεν έχει πάνω από 2,5 φορές τη μάζα του ήλιου μας, και η ελαφρύτερη γνωστή μαύρη τρύπα έχει περίπου 5 ηλιακές μάζες. Οπότε προκύπτει το ερώτημα: Υπάρχει κάτι ενδιάμεσα;

Time–frequency plots for GW190814 as measured by LIGO Hanford, LIGO Livingston and Virgo. The chirp of a binary coalescence is clearest in Livingston. For long signals, like GW190814, it is usually hard to pick out the chirp by eye. Figure 1 of the GW190814 Discovery Paper.

Στο πλαίσιο νέας μελέτης από το LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) του NSF (National Science Foundation) στις ΗΠΑ και το Virgo στην Ευρώπη, επιστήμονες ανακοίνωσαν την ανακάλυψη ενός κοσμικού αντικειμένου 2,6 ηλιακών μαζών, που βρίσκεται απόλυτα στο αποκαλούμενο «mass gap» (κενό μάζας) που προαναφέρθηκε. Το αντικείμενο αυτό βρέθηκε στις 14 Αυγούστου 2019, καθώς συγχωνευόταν με μια μαύρη τρύπα 23 ηλιακών μαζών, παράγοντας μια έκλυση βαρυτικών κυμάτων που ανιχνεύθηκε στη Γη από τα LIGO και Virgo. Σχετικό επιστημονικό άρθρο δημοσιεύτηκε την Τρίτη στο The Astrophysican Journal Letters.

«Τέτοιες ανακαλύψεις είναι αινίγματα, και μας αναγκάζουν να ξύσουμε λίγο το κεφάλι μας» είπε ο Ντέιβιντ Ράιτζε, εκτελεστικός διευθυντής του LIGO Laboratory στο Caltech. «Έχουμε παρατηρήσει τον μεγαλύτερο αστέρα νετρονίων ή την ελαφρύτερη μαύρη τρύπα; Η διαπίστωση της πραγματικής φύσης αυτού του αντικειμένου θα απαιτεί περισσότερες παρατηρήσεις, μα αυτές οι παρατηρήσεις αδιαμφισβήτητα θα ρίξουν νέο φως σε ένα μέρος του σύμπαντος που ως τώρα δεν μας ήταν προσβάσιμο».

«Αυτό θα αλλάξει το πώς οι επιστήμονες μιλούν για αστέρες νετρονίων και μαύρες τρύπες» είπε ο Πάτρικ Μπρέιντι, καθηγητής στο University of Wisconsin, Milwaukee, και εκπρόσωπος του LIGO Scientific Collaboration. «Το mass gap μπορεί να μην υπάρχει καν, μα μπορεί και να οφειλόταν και σε περιορισμούς στις δυνατότητες παρατήρησης. Ο χρόνος και περισσότερες παρατηρήσεις θα δείξουν».

Sky localizations for GW190814’s source. The blue dashed contour shows the preliminary localization using only LIGO Livingston and Virgo data, and the solid orange shows the preliminary localization adding in Hanford data. The dashed green contour shows and updated localization used by many for their follow-up studies. The solid purple contour shows our final result, which has an area of just  . All contours are for 90% probabilities. Figure 2 of the GW190814 Discovery Paper.

Η κοσμική συγχώνευση που περιγράφεται στη μελέτη, ένα γεγονός ονόματι GW190814, κατέληξε σε μια τελική μαύρη τρύπα περίπου 25 φορές η μάζα του ήλιου (μέρος της μάζας μετετράπη σε μια έκλυση ενέργειας υπό τη μορφή βαρυτικών κυμάτων). Η νεοσχηματιθείσα μαύρη τρύπα βρίσκεται σε απόσταση περίπου 800 εκατ. ετών φωτός από τη Γη.

Estimated masses for the two components in the binary m_i \geq m_2. We show results several different waveform models (which include spin precession and higher order multiple moments). The two-dimensional shows the 90% probability contour. The one-dimensional plot shows individual masses; the dotted lines mark 90% bounds away from equal mass. Estimates for the maximum neutron star mass are shown for comparison with the mass of the lighter component m_2. Figure 3 of the GW190814 Discovery Paper.

Πριν τη συγχώνευση των δύο αντικειμένων, οι μάζες τους διέφεραν κατά πολύ- 9 φορές, τη μεγαλύτερη αναλογία που είναι γνωστή για γεγονός βαρυτικών κυμάτων. Ένα άλλο πρόσφατο γεγονός, το GW190412, έλαβε χώρα μεταξύ δύο μαύρων τρυπών με αναλογία μάζας 4:1.

Η εν λόγω έρευνα έχει και ελληνική συμμετοχή: Πρόκειται για την Ελληνίδα αστροφυσικό Βίκυ Καλογερά, καθηγήτρια στο Northwestern University. Όπως είπε η κα Καλογερά, «είναι πρόκληση για τα σημερινά θεωρητικά μοντέλα να σχηματίζουν συγχωνευόμενα ζεύγη συμπαγών αντικειμένων με τόσο μεγάλες αναλογίες μάζας, όπου το χαμηλής μάζας μέλος του ζευγαριού βρίσκεται στο “mass gap”. Αυτή η ανακάλυψη υποδεικνύει πως αυτά τα γεγονότα λαμβάνουν χώρα πολύ πιο συχνά από ό,τι προβλέπαμε, καθιστώντας το ένα πραγματικά ενδιαφέρον αντικείμενο χαμηλής μάζας».

Constraints on the neutron star equation of state, showing how density changes with pressure $p$. The blue curve just uses GW170817, implicitly assuming that GW190814 is from a binary black hole, while the orange shows what happens if we include GW190814, assuming it is from a neutron star–black hole binary. The 90% and 50% credible contours are shown as the dark and lighter bands, and the dashed lines indicate the 90% region of the prior. Figure 8 of the GW190814 Discovery Paper.

Όπως πρόσθεσε η κα Καλογερά, το μυστηριώδες αυτό αντικείμενο μπορεί να είναι αστέρας νετρονίων που συγχωνεύεται με μια μαύρη τρύπα- «ένα συναρπαστικό ενδεχόμενο που αναμένεται θεωρητικά, αλλά δεν έχει ακόμα επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά. Ωστόσο, με μάζα 2,6 φορές αυτήν του ήλιου μας, υπερβαίνει τις σύγχρονες προβλέψεις για τη μέγιστη μάζα των αστέρων νετρονίων, και ίσως αντ’αυτού να είναι η ελαφρύτερη μαύρη τρύπα που έχει εντοπιστεί ποτέ».

Όταν οι επιστήμονες των LIGO και Virgo εντόπισαν τη συγχώνευση αυτή, ενημέρωσαν άμεσα την αστρονομική κοινότητα. Δεκάδες τηλεσκόπια άρχισαν έρευνες για κύματα φωτός από το γεγονός, ωστόσο μέχρι τώρα δεν έχουν εντοπιστεί σήματα. Μέχρι τώρα, τέτοια φωτεινά αντίστοιχα στα σήματα βαρυτικών κυμάτων έχουν θεαθεί μόνο μία φορά, στο γεγονός GW170817. Tο γεγονός εκείνο περιελάμβανε μια σύγκρουση μεταξύ δύο αστέρων νετρονίων η οποία εθεάθη από δεκάδες τηλεσκόπια στη Γη και στο διάστημα. Οι συγκρούσεις μεταξύ αστέρων νετρονίων έχουν αποτέλεσμα την εκτόξευση μάζας προς πάσα κατεύθυνση, και ως εκ τούτου εκπέμπουν φως. Αντίστοιχα, οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών, στις περισσότερες περιπτώσεις, θεωρείται πως δεν παράγουν φως.

Visualisation of the coalescence of two black holes that inspiral and merge, emitting gravitational waves. One black hole is 9.2 times more massive than the other and both objects are non-spinning. The high mass-ratio amplifies gravitational-wave overtones in the emitted signal. The gravitational-wave signal produced is consistent with the observation made by the LIGO and Virgo gravitational-wave detectors on August 14th, 2019 (GW190814). Credit: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Σύμφωνα με τους επιστήμονες των LIGO και Virgo υπάρχουν μερικοί πιθανοί λόγοι που το συμβάν της 19ης Αυγούστου δεν εθεάθη από τηλεσκόπια που λειτουργούν με το φως. Πρώτον, το γεγονός αυτό ήταν έξι φορές πιο μακριά από αυτό που παρατηρήθηκε το 2017. Δεύτερον, εάν η σύγκρουση περιελάμβανε δύο μαύρες τρύπες, τότε δεν θα έβγαζε φως. Τρίτον, εάν το ένα αντικείμενο ήταν αστέρας νετρονίων, ο εννεαπλάσιας μάζας «σύντροφός» του μπορεί να το «κατάπιε» ολόκληρο: Ένας αστέρας νετρονίων που «καταβροχθίζεται» από μια μαύρη τρύπα δεν θα εξέπεμπε φως.

«Σκέφτομαι τον Pac-Man να τρώει μια μικρή κουκκίδα» είπε η κα. Καλογερά. «Όταν οι μάζες είναι πολύ ασύμμετρες, ο μικρότερος αστέρας νετρονίων μπορεί να “φαγωθεί” με μια δαγκωματιά».

Estimated orientation and magnitude of the two component spins. The distribution for the more massive component is on the left, and for the lighter component on the right. The probability is binned into areas which have uniform prior probabilities, so if we had learnt nothing, the plot would be uniform. The maximum spin magnitude of 1 is appropriate for black holes. On account of the mass ratio, we get a good measurement of the spin of the more massive component, but not the lighter one. Figure 6 of the GW190814 Discovery Paper.

Όσον αφορά στο πώς θα διαπιστωθεί εάν το μυστηριώδες αντικείμενο ήταν αστέρας νετρονίων ή μαύρη τρύπα, θα ακολουθήσουν περισσότερες παρατηρήσεις με τα LIGO και Virgo, καθώς και άλλα τηλεσκόπια, προκειμένου να βρεθεί εάν υπάρχουν επιπλέον αντικείμενα στο «κενό μάζας».

«Είναι η πρώτη ματιά σε αυτό που θα μπορούσε να είναι ένας ολόκληρος νέος πληθυσμός συμπαγών δυαδικών αντικειμένων» είπε ο Τσάρλι Χόι, του LIGO Scientific Collaboration και τελειόφοιρος του Cardiff University. «Αυτό που είναι συναρπαστικό είναι πως είναι μόνο η αρχή. Καθώς τα μέσα γίνονται όλο και πιο ευαίσθητα, θα παρατηρούμε όλο και περισσότερα τέτοια σήματα, και θα είμαστε σε θέση να εξακριβώνουμε τους πληθυσμούς αστέρων νετρονίων και μαύρων τρυπών στο σύμπαν».

Όπως είπε ο Πέδρο Μαρονέτι, του NSF, το κενό μάζας αποτελούσε ένα ενδιαφέρον αίνιγμα για δεκαετίες, και τώρα έχει βρεθεί ένα αντικείμενο που βρίσκεται ακριβώς εκεί. «Αυτό δεν μπορεί να εξηγηθεί χωρίς να αψηφήσουμε την κατανόησή μας ως προς την εξαιρετικά πυκνή ύλη ή αυτά που γνωρίζουμε για την εξέλιξη των άστρων. Αυτή η παρατήρηση είναι άλλο ένα παράδειγμα των δυνατοτήτων του πεδίου της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων» είπε χαρακτηριστικά.

Πηγές:  GW190814: Gravitational waves from the coalescence of a 23 solar mass black hole with a 2.6 solar mass compact object
Journal: Astrophysical Journal Letters; 896(2):L44(20); 2020 - The curious case of GW190814: The coalescence of a stellar-mass black hole and a mystery compact object - https://cplberry.com/2020/06/23/gw190814/ - https://www.naftemporiki.gr/story/1612465/anakalupsi-agnostou-os-tora-kosmikou-antikeimenou-ti-mporei-na-einai-kai-ti-simainei-gia-tin-epistimi