Ο Τελικός Χορός του Άστρου Νετρονίων και της Μαύρης Τρύπας παρατηρήθηκε για πρώτη φορά

Οι αστροφυσικοί παρατήρησαν επιτέλους τη σπειροειδή συγχώνευση μεταξύ ενός αστέρα νετρονίων και μιας μαύρης τρύπας. Το κατακλυσμικό γεγονός έγινε μάρτυρας σε ένα σήμα βαρυτικού κύματος από τη συνεργασία LIGO/Virgo/KAGRA και είναι η πρώτη φορά που ένα από αυτά τα άπιαστα αλλά τιτάνια «μεικτά» συμβάντα συγχώνευσης έχει εντοπιστεί και επιβεβαιώνεται η φύση του. Και όπως τα λεωφορεία, περιμένεις να έρθει μια ηλικία και μετά φτάνουν δύο ταυτόχρονα.

Οι ερευνητές εντόπισαν επίσης ένα σήμα βαρυτικού κύματος από ένα άλλο συμβάν της ίδιας φύσης μόλις δέκα ημέρες μετά το πρώτο, με τα σήματα που ελήφθησαν από το LIGO/Virgo στις 5 Ιανουαρίου 2020 και στις 15 Ιανουαρίου 2020 αντίστοιχα.

Το εύρημα είναι σημαντικό λόγω των τριών τύπων συγχωνεύσεων μεταξύ δυαδικών αστρικών υπολειμμάτων – συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων/αστέρων νετρονίων, συγχωνεύσεις μαύρης τρύπας/μαύρης τρύπας και αστέρα νετρονίων/μαύρης τρύπας ή μικτές συγχωνεύσεις – αυτή η τελευταία Η κατηγορία είναι η μόνη που δεν είχαμε εντοπίσει μέχρι τώρα και έχει αποδειχθεί αρκετά άπιαστη.

«Με αυτή τη νέα ανακάλυψη των συγχωνεύσεων αστεριών νετρονίων-μαύρης τρύπας έξω από τον γαλαξία μας, βρήκαμε τον τύπο δυαδικού που λείπει», λέει η Astrid Lamberts, ερευνήτρια του CNRS στο Observatoire de la Côte d'Azur, στη Νίκαια της Γαλλίας. "Μπορούμε επιτέλους να αρχίσουμε να καταλαβαίνουμε πόσα από αυτά τα συστήματα υπάρχουν, πόσο συχνά συγχωνεύονται και γιατί δεν έχουμε δει ακόμη παραδείγματα στον Γαλαξία μας."

Αυτές οι ανιχνεύσεις σημάτων από ξεχωριστά συμβάντα μικτών συγχωνεύσεων έρχονται μόλις έξι χρόνια αφότου η συνεργασία LIGO/Virgo ανίχνευσε για πρώτη φορά τα βαρυτικά κύματα που επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις σχετικά με κυματισμούς στο ιστό του χωροχρόνου από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν έναν αιώνα πριν.

Αν και απαιτούνται περαιτέρω παρατηρήσεις, τα αποτελέσματα που παρήγαγε η ομάδα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους αστρονόμους και τους αστροφυσικούς να βελτιώσουν τις γνώσεις τους για τα συστήματα στα οποία συμβαίνουν αυτές οι άπιαστες συγχωνεύσεις, καθορίζοντας τόσο τον τρόπο σχηματισμού αυτών των μικτών δυαδικών ζευγών όσο και τη συχνότητα των συστατικών τους να ενώνονται και να συγχωνεύονται.

«Τα βαρυτικά κύματα μας επέτρεψαν να ανιχνεύσουμε συγκρούσεις ζευγών μαύρων οπών και ζεύγη άστρων νετρονίων, αλλά η μικτή σύγκρουση μιας μαύρης τρύπας με ένα αστέρι νετρονίων ήταν το άπιαστο κομμάτι που λείπει από την οικογενειακή εικόνα των συγχωνεύσεων συμπαγών αντικειμένων», λέει ο Chase. Kimball, μεταπτυχιακός φοιτητής του Northwestern University. «Η συμπλήρωση αυτής της εικόνας είναι ζωτικής σημασίας για τον περιορισμό του πλήθους αστροφυσικών μοντέλων σχηματισμού συμπαγών αντικειμένων και δυαδικής εξέλιξης. Εγγενείς σε αυτά τα μοντέλα είναι οι προβλέψεις τους για τους ρυθμούς που οι μαύρες τρύπες και τα αστέρια νετρονίων συγχωνεύονται μεταξύ τους.

Ο Kimball είναι συν-συγγραφέας μιας μελέτης που δημοσιεύτηκε στο Astrophysical Journal Letters και μέρος μιας ομάδας που περιλαμβάνει ερευνητές από το έργο LIGO Scientific Collaboration (LSC), Virgo Collaboration και Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA).

Ένα σήμα βαρυτικού κύματος Ένα δισεκατομμύριο χρόνια στη δημιουργία

Ένα από τα πιο εκπληκτικά πράγματα σχετικά με την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων είναι το πόσο ακριβές πρέπει να είναι ένα κομμάτι του εξοπλισμού για να ανιχνεύσει αυτούς τους μικροσκοπικούς κυματισμούς στον ιστό του χωροχρόνου. Από εκείνη την πρώτη βασική ανίχνευση το 2015, οι χειριστές του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών (NSF) στο συμβολόμετρο λέιζερ LIGO και οι αντίστοιχοι τους στον ανιχνευτή Virgo στην Ιταλία ανίχνευσαν πάνω από 50 σήματα βαρυτικών κυμάτων από συγχωνεύσεις μεταξύ ζευγών μαύρων οπών και δυαδικών αστεριών νετρονίων.

Η πρώτη συγχώνευση άστρου νετρονίων/μαύρης τρύπας που εντοπίστηκε από τη συνεργασία στις 5 Ιανουαρίου πιστεύεται ότι είναι το αποτέλεσμα μιας συγχώνευσης μιας μαύρης τρύπας έξι φορές μεγαλύτερης της μάζας του Ήλιου και ενός αστέρα νετρονίων με μάζα 1,5 φορές μεγαλύτερη από αυτή του αστεριού μας. Το συμβάν που έχει χαρακτηριστεί GW200105 συνέβη 900 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη και λήφθηκε ως ισχυρό σήμα στον ανιχνευτή LIGO που βρίσκεται στο Livingstone της Λουιζιάνα.

Ο ανιχνευτής συνεργάτη του LIGO Livingstone που βρίσκεται στο Hanford της Ουάσιγκτον, έχασε το σήμα καθώς ήταν εκτός σύνδεσης εκείνη τη στιγμή. Από την άλλη, η Παρθένος έπιασε το σήμα, αλλά ήταν κάπως συγκαλυμμένο από τον θόρυβο. «Αν και βλέπουμε ένα ισχυρό σήμα μόνο σε έναν ανιχνευτή, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι είναι πραγματικός και όχι απλώς θόρυβος ανιχνευτή», λέει ο Harald Pfeiffer, επικεφαλής της ομάδας στο τμήμα Αστροφυσικής και Κοσμολογικής Σχετικότητας στο Max Planck Institute for Gravitational Physics (AEI). Πότσνταμ, Γερμανία. "Περιέχει όλους τους αυστηρούς ποιοτικούς ελέγχους μας και ξεφεύγει από όλα τα συμβάντα θορύβου που βλέπουμε στην τρίτη παρακολούθηση παρατήρησης."

Το γεγονός ότι το GW200105 συλλέχθηκε έντονα μόνο από έναν ανιχνευτή καθιστά δύσκολο τον εντοπισμό ο ουρανός με τη διεθνή ομάδα μόνο να μπορεί να εξακριβώσει ότι προήλθε από μια περιοχή περίπου 34 χιλιάδες φορές το μέγεθος της Σελήνης.

«Ενώ τα βαρυτικά κύματα από μόνα τους δεν αποκαλύπτουν τη δομή του ελαφρύτερου αντικειμένου , μπορούμε να συμπεράνουμε τη μέγιστη μάζα του», λέει ο Bhooshan Gadre, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο AEI. "Συνδυάζοντας αυτές τις πληροφορίες με θεωρητικές προβλέψεις για τις αναμενόμενες μάζες αστεριών νετρονίων σε ένα τέτοιο δυαδικό σύστημα, συμπεραίνουμε ότι ένα αστέρι νετρονίων είναι η πιο πιθανή εξήγηση."

Παρά το γεγονός ότι η δεύτερη μικτή συγχώνευση συνέβη μακρύτερα μακριά –1 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη– το σήμα του εντοπίστηκε τόσο από τους ανιχνευτές LIGO όσο και από τον ανιχνευτή Virgo. Αυτό σημαίνει ότι η ομάδα μπόρεσε να εντοπίσει τη συγχώνευση –που ονομάζεται GW200115– πιο συγκεκριμένα, σε μια περιοχή του ουρανού που είναι περίπου τρεις χιλιάδες φορές το μέγεθος του φεγγαριού της Γης. Αυτή η δεύτερη συγχώνευση πιστεύεται ότι συνέβη μεταξύ μιας μαύρης τρύπας εννέα φορές της μάζας του Ήλιου μας και ενός αστέρα νετρονίων σχεδόν διπλάσιου μεγέθους από τον Ήλιο.

Αυτές οι μαύρες τρύπες δεν ήταν ακατάστατοι τρώγοι

Λόγω των εξαιρετικών αποστάσεων που εμπλέκονται, οι αστρονόμοι δεν έχουν ακόμη επιβεβαιώσει τη συγχώνευση στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα στο οποίο βασίζεται η παραδοσιακή αστρονομία. Παρά το γεγονός ότι ενημερώθηκαν για το γεγονός σχεδόν αμέσως, οι αστρονόμοι δεν μπόρεσαν να βρουν ενδεικτικές λάμψεις φωτός που να υποδεικνύουν τις συγχωνεύσεις.

Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, καθώς οποιοδήποτε φως από τέτοια μακρινά γεγονότα θα ήταν απίστευτα αμυδρό μετά από ένα δισεκατομμύριο χρόνια ταξιδιού στη Γη ανεξάρτητα από το μήκος κύματος σε ποιο μήκος κύματος παρατηρείται ή πόσο ισχυρό είναι το τηλεσκόπιο που χρησιμοποιείται για την προσπάθεια παρακολούθησης.

Υπάρχει επίσης μια άλλη πιθανότητα γιατί δεν μπορούσε να φανεί φως από αυτά τα γεγονότα. Η έλλειψη σήματος στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι τα στοιχεία αστεριών νετρονίων αυτών των συγχωνεύσεων καταβροχθίστηκαν ολόκληρα από τους εταίρους τους στη μαύρη τρύπα.

«Αυτά δεν ήταν συμβάντα όπου οι μαύρες τρύπες τρύπησαν τα αστέρια νετρονίων όπως το τέρας των μπισκότων και πέταξαν κομμάτια γύρω τους», εξηγεί πολύχρωμα ο Πάτρικ Μπρέιντι, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Milwaukee και εκπρόσωπος της Επιστημονικής Συνεργασίας LIGO. «Αυτό το «πτώσιμο» είναι αυτό που θα παρήγαγε φως και δεν πιστεύουμε ότι αυτό συνέβη σε αυτές τις περιπτώσεις.»

Ενώ αυτά είναι τα δύο πρώτα επιβεβαιωμένα παραδείγματα τέτοιων μικτών συγχωνεύσεων, έχουν εντοπιστεί ύποπτοι από τα σήματα βαρυτικών κυμάτων τους στο παρελθόν. Τον Αύγουστο του 2019 ανιχνεύθηκε ένα σήμα με το όνομα GW190814 το οποίο σύμφωνα με τους ερευνητές αφορούσε μια σύγκρουση μιας μαύρης τρύπας 23 ηλιακής μάζας με ένα αντικείμενο περίπου 2,6 ηλιακών μαζών. Αυτό το δεύτερο αντικείμενο θα μπορούσε να ήταν είτε το βαρύτερο γνωστό αστέρι νετρονίων είτε η ελαφρύτερη γνωστή μαύρη τρύπα που έχει βρεθεί ποτέ. Αυτή η ασάφεια άφησε αυτό το σήμα ανεπιβεβαίωτο ως προϊόν ενός γεγονότος μεικτής συγχώνευσης και άλλα παρόμοια ευρήματα έχουν μαστιστεί με παρόμοιες ασάφειες.

Τώρα που έχουν γίνει δύο επιβεβαιωμένες ανιχνεύσεις μικτών συγχωνεύσεων, οι αστροφυσικοί μπορούν να ξεκινήσουν την ανακάλυψη αν είναι σωστές οι τρέχουσες εκτιμήσεις που λένε ότι τέτοιες συγκρούσεις θα πρέπει να συμβαίνουν με συχνότητα περίπου μία ανά μήνα σε απόσταση 1 δισεκατομμυρίου ετών φωτός από τη Γη.

Μπορούν επίσης να ξεκινήσουν την ανακάλυψη της προέλευσης τέτοιων δυαδικών, εξαλείφοντας πιθανώς μία ή δύο από τις προτεινόμενες τοποθεσίες στις οποίες πιστεύεται ότι συμβαίνουν τέτοια γεγονότα:αστρικά δυαδικά συστήματα, πυκνά αστρικά περιβάλλοντα συμπεριλαμβανομένων νεαρών αστρικών σμηνών και τα κέντρα των γαλαξιών.

Κλειδί για αυτές τις έρευνες θα είναι η τέταρτη δοκιμή παρατήρησης των συμβολομέτρων λέιζερ που λειτουργούν ως ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μας, η οποία θα ξεκινήσει το καλοκαίρι του 2022.

"Οι ομάδες ανιχνευτών στο LIGO, το Virgo και το KAGRA βελτιώνονται οι ανιχνευτές τους προετοιμάζονται για την επόμενη παρακολούθηση παρατήρησης που έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει το καλοκαίρι του 2022», καταλήγει ο Brady. "Με τη βελτιωμένη ευαισθησία, ελπίζουμε να ανιχνεύουμε κύματα συγχώνευσης έως και μία φορά την ημέρα και να μετράμε καλύτερα τις ιδιότητες των μαύρων οπών και της εξαιρετικά πυκνής ύλης που συνθέτουν τα αστέρια νετρονίων."