Ερευνητές του ΑΠΘ στους συγγραφείς της ανακοίνωσης σπάνιας ανακάλυψης κατά την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων

Η συγχώνευση ενός αστέρα νετρονίων και ενός άγνωστου συμπαγούς αντικειμένου ανακοινώθηκε χθες στις 10 μ.μ. ώρα Ελλάδος, από την κοινοπραξία των ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων LIGO, Virgo και KAGRA, οι οποίοι βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ιταλία και την Ιαπωνία. Η παρατήρηση της πηγής με την κωδική ονομασία GW230529, έγινε στις 29 Μαΐου 2023 και υπολογίζεται ότι ανιχνεύτηκε με πιθανότητα σφάλματος μόλις ένα στα χίλια χρόνια, σύμφωνα με τη δημόσια ανακοίνωση, που υπογράφουν μεταξύ άλλων ο καθηγητής Νικόλαος Στεργιούλας και οι υποψήφιοι διδάκτορες Αργυρώ Σασλή, Δημήτριος Πέσιος και Γρηγόριος Παπιγκιώτης -μέλη της μόνης ελληνικής ερευνητικής ομάδας, που συμμετέχει στην κοινοπραξία, αποτελούμενης συνολικά από 10 ερευνητές των Τμημάτων Φυσικής και Πληροφορικής του ΑΠΘ, δύο συνεργάτες από το ΕΚΠΑ, μία στο Swiss Data Science Center στο ETH της Ζυρίχης και έναν στο ινστιτούτο GSI στο Darmstadt.

«Πρόκειται για τη συγχώνευση ενός συμπαγούς διπλού συστήματος, όπου το ένα αντικείμενο είναι αμφίβολης φύσης, καθώς έχει μάζα μεγαλύτερη από το αναμενόμενο εύρος για τους αστέρες νετρονίων και μικρότερη από το αναμενόμενο εύρος για τις μελανές οπές», δήλωσε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ, Νίκος Στεργιούλας.

Οι συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων- μελανών οπών είναι σπάνια γεγονότα, συνεπώς κάθε επιπρόσθετη ανίχνευση είναι εξαιρετικά πολύτιμη για τη μελέτη των ρυθμών συγχώνευσης και επίσης για τον χαρακτηρισμό των πληθυσμών των μελανών οπών και των αστέρων νετρονίων, που είναι ένας από τους στόχους της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων.

Η ομάδα του ΑΠΘ, όπως εξήγησε ο κ. Στεργιούλας, μεταξύ άλλων εξειδικεύεται και στην μοντελοποίηση των αστέρων νετρονίων ως πηγών βαρυτικών κυμάτων, καθώς και στην κατασκευή αλγορίθμων για μελλοντικές ανιχνεύσεις από συγκρούσεις αστέρων νετρονίων, χρησιμοποιώντας τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Οι ερευνητές που συμμετείχαν στη χθεσινή ανακοίνωση, έλαβαν μέρος στη λειτουργία του πειράματος κατά την τρέχουσα τέταρτη περίοδο παρατήρησης, που ξεκίνησε τον Μάιο του 2023.

Οι υποθέσεις για το άγνωστο συμπαγές αντικείμενο

Από την ανάλυση που ακολούθησε την ανίχνευση και τη σύγκριση με άλλα συμβάντα, οι ερευνητές συγκλίνουν περισσότερο στην υπόθεση ότι το κύριο συμπαγές αντικείμενο του διπλού συστήματος GW230529 ήταν μία μελανή οπή.

«Η διαδικασία σχηματισμού που οδήγησε στο GW230529 είναι αβέβαιη. Η τρέχουσα γνώση από τις εκρήξεις υπερκαινοφανών σε υπερμεγέθη αστέρια δεν υποστηρίζει ένα τέτοιο σενάριο ως την προέλευση του κύριου αντικειμένου στο διπλό σύστημα, λόγω της μικρής του μάζας. Ένα πιο πιθανό σενάριο είναι ο σχηματισμός μιας μελανής οπής να συμβαίνει μετά την έκρηξη υπερκαινοφανούς λόγω προσαύξησης της εναπομείνουσας υπολειμματικής ύλης στον αστρικό πυρήνα», σημείωσε ο κ. Στεργιούλας, προσθέτοντας ότι ένα άλλο πιθανό σενάριο για τον σχηματισμό του κύριου συμπαγούς αντικειμένου είναι να έγινε μέσω της συγχώνευσης ενός διπλού συστήματος αστέρων νετρονίων.

«Σε αυτήν την περίπτωση μπορούμε να φανταστούμε ότι το δευτερεύον αντικείμενο είναι μέλος ενός προηγούμενου τριπλού ή τετραπλού συστήματος, ή ακόμα ότι αιχμαλωτίστηκε από το κύριο αντικείμενο ενώ εξελίσσονταν σε νεαρό αστρικό σύστημα σε ένα ενεργό γαλαξιακό πυρήνα. Επίσης, δεν μπορούμε ακόμα να αποκλείσουμε μια μη αστρική προέλευση, όπως μια αρχέγονη μελανή οπή», εξήγησε.

Σε ό,τι αφορά τη σπουδαιότητα της ανακάλυψης ο κ. Στεργιούλας υπογράμμισε ότι «η περαιτέρω έρευνα διπλών συστημάτων στο κατώτερο διάκενο μάζας, όπως η ανίχνευση GW230529, θα μας επιτρέψει να διευρύνουμε την κατανόησή μας για τους πληθυσμούς των μελανών οπών και των αστέρων νετρονίων» και «το γεγονός αυτό με τη σειρά του θα δώσει τη δυνατότητα καλύτερης κατανόησης των μηχανισμών σχηματισμού αυτών των αντικειμένων, και ειδικά για τους αστέρες νετρονίων, την εσωτερική τους δομή».

Πώς γίνονται οι συγχωνεύσεις συμπαγών διπλών συστημάτων

Η πρώτη άμεση ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων το 2015 από την πηγή GW150914, σηματοδότησε την έναρξη μιας νέας εποχής για την αστρονομία. Από τότε, έχουν γίνει πολλές ακόμα ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων, προερχόμενες από διαφορετικά είδη πηγών. Όλες αφορούν συγχωνεύσεις συμπαγών διπλών συστημάτων, αποτελούμενες από αστέρες νετρονίων ή/και μελανές οπές.

Η μελανή οπή αποτελεί συμπαγές αντικείμενο τόσο πυκνό, ώστε η ταχύτητα που απαιτείται για την διαφυγή από την εμβέλεια του, είναι μεγαλύτερη από εκείνη της ταχύτητας του φωτός. Αυτό το καθιστά ορατό ως μια μαύρη περιοχή του διαστήματος, καθώς φως από αυτήν την περιοχή δεν μπορεί να φτάσει προς εμάς.

Ο αστέρας νετρονίων είναι ένα εξαιρετικά πυκνό συμπαγές αντικείμενο που αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από νετρόνια με μια μικρή πρόσμιξη πρωτονίων και ηλεκτρονίων, καθώς τα άτομα δεν μπορούν να αντέξουν τις συνθήκες πίεσης. Προκύπτουν από την κατάρρευση αστέρων μεγάλης μάζας μετά από μια διαδικασία που ονομάζεται έκρηξη υπερκαινοφανούς.

Η Συγχώνευση ενός συμπαγούς διπλού συστήματος αποτελείται από δύο μελανές οπές, δύο αστέρες νετρονίων ή μία μελανή οπή και έναν αστέρα νετρονίων, που κινούνται σπειροειδώς και τελικά συγχωνεύονται. Ολόκληρη η διαδικασία παράγει βαρυτικά κύματα που αυξάνονται σε συχνότητα και πλάτος, καθώς τα δύο αντικείμενα πλησιάζουν μεταξύ τους και επιταχύνονται. Το αποτέλεσμα της συγχώνευσης μπορεί να είναι είτε ένας αστέρας νετρονίων είτε μία μελανή οπή, ανάλογα με το αρχικό σύστημα.

Οι απεικονίσεις των βαρυτικών κυμάτων έγιναν από τους I. Markin (Potsdam University), T. Dietrich (Potsdam University and Max Planck Institute for Gravitational Physics), H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics).

Πηγή φωτογραφιών : https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c https://dcc.ligo.org/G2400831