Ανακάλυψη αγνώστου ως τώρα κοσμικού αντικειμένου: Τι μπορεί να είναι και τι σημαίνει για την επιστήμη

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;

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».

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.

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».

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.

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».

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.