Δημιουργία βαρυτικών κυμάτων από την σύγκρουση δύο πάλσαρ;

του Διονύσιου Σιμόπουλου

Την Δευτέρα, 16 Οκτωβρίου, στις 5:00 μ.μ. ώρα Ελλάδος, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ με την συμμετοχή εκπροσώπων από το LIGO, τη NASA και 70 αστεροσκοπεία απ’ όλο τον κόσμο θα ανακοινώσει μια νέα «καταπληκτική ανακάλυψη» σχετικά με τον εντοπισμό Βαρυτικών Κυμάτων. Ως γνωστό ο εντοπισμός Βαρυτικών Κυμάτων έγινε για πρώτη φορά στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, έναν αιώνα μετά την πρόβλεψη της ύπαρξής τους από τον Albert Einstein, γεγονός μάλιστα που οδήγησε στην βράβευσή τους με το Νόμπελ Φυσικής 2017 στις αρχές του τρέχοντος μήνα. Η συνέντευξη τύπου θα αρχίσει με μία γενική περιγραφή των νέων ανακαλύψεων που έκαναν τα εργαστήρια LIGO στη Λουϊζιάνα, την Ουάσιγκτον και το VIRGO στην Ιταλία και θα ακολουθήσουν λεπτομερείς περιγραφές των ηλεκτρομαγνητικών παρατηρήσεων που έχουν κάνει για την δεδομένη έρευνα τα διάφορα διεθνή αστεροσκοπεία που συμμετέχουν στην διεθνή αυτή προσπάθεια. Είναι γνωστό ότι η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων προβλέπεται από την Γενική Σχετικότητα του Einstein ο οποίος όμως πίστευε ότι αφού η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, με ισχύ 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης (δύναμης), η επίδραση των βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει να ήταν εξ ίσου αδύναμη οπότε δεν θα μπορούσαν ποτέ να γίνουν αντιληπτά. Κι έτσι η θεωρία του Einstein για τα βαρυτικά κύματα παρέμενε χωρίς αποδείξεις! Χάρη όμως στον εντοπισμό των τελευταίων δύο ετών εκατοντάδες εργασίες έχουν δημοσιευθεί μέχρι τώρα για τα τέσσερα σήματα βαρυτικών κυμάτων που έχουν εντοπιστεί αρχής γενομένης με το πρώτο σήμα στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 που έγινε στη διάρκεια της σύγκρουσης δύο Μαύρων Τρυπών, η μία με μάζα 36 ηλιακών μαζών και η άλλη με 29 ηλιακές μάζες σε απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.
Η δεύτερη ανακοίνωση έγινε στα μέσα Ιουνίου 2016 για τον εντοπισμό ενός ακόμη σήματος που παρατηρήθηκε τα ξημερώματα της 26ης Δεκεμβρίου του 2015 και το οποίο προέρχονταν από την σύγκρουση, και τις τελευταίες 27 περιφορές πριν απ’ αυτή, δύο μικρότερων μαύρων τρυπών (14 και 8 ηλιακών μαζών) και σε απόσταση 1,4 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Ένα χρόνο αργότερα, στις 4 Ιανουαρίου 2017, παρατηρήθηκε ένα τρίτο σήμα το οποίο προέρχονταν κι αυτό από την σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών (αυτή τη φορά 31 και 19 ηλιακών μαζών). Ένας τέταρτος εντοπισμός βαρυτικων κυμάτων έγινε στις 14 του περασμένου Αυγούστου με την σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών με μάζα 25 και 30 φορές την μάζα του Ήλιου μας σε απόσταση 1,8 δις ετών φωτός.
Όλα αυτά τα σήματα βαρυτικών κυμάτων προέρχονταν από την σύγκρουση και συνένωση μαύρων τρυπών, οπότε λογικά ένα πέμπτο σήμα από την σύγκρουση άλλων δύο μαύρων τρυπών δεν θα προκαλούσε (κατά την γνώμη μου) μία τέτοια συγκέντρωση και επίσημη ανακοίνωση. Η δική μου προσωπική εκτίμηση είναι ότι η ανακοίνωση θα αφορά τον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων που προέρχονται από τη σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων (πάλσαρ), αφού ήδη έχουν αρχίσει να κυκλοφορούν διάφορες σχετικές φήμες από τον περασμένο Αύγουστο! Σύμφωνα με τις ανεπίσημες αυτές πληροφορίες τα βαρυτικά κύματα προέρχονταν από την συγχώνευση δύο άστρων νετρονίων που βρίσκονταν στον γαλαξία NGC4993 σε απόσταση 130 εκατομμυρίων ετών φωτός προς την κατεύθυνση του αστερισμού της Ύδρας.
Τέτοιου είδους συγκρούσεις ήταν αναμενόμενες από το 1974 όταν δύο αμερικανοί αστροφυσικοί, ο καθηγητής Joseph Taylor και ο μεταπτυχιακός του φοιτητής Russel Hulse, ανακάλυψαν συνολικά 40 νέα πάλσαρ, μεταξύ των οποίων κι ένα διπλό σύστημα άστρων νετρονίων. Σύμφωνα με την Γενική Σχετικότητα του Άλμπερτ Αϊνστάιν τα δύο αυτά πάλσαρ θα έπρεπε να εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες βαρυτικής ακτινοβολίας και ως εκ τούτου θα έπρεπε να χάνουν ενέργεια με αποτέλεσμα οι τροχιές τους να ελαττώνονται συνεχώς και η περίοδος περιφοράς τους να μικραίνει με αποτέλεσμα να συγκρουστούν σε περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια αφού σύμφωνα με τον Einstein ένα τέτοιο διπλό αστρικό σύστημα εκπέμπει βαρυτικά κύματα και γι’ αυτό η περίοδος της τροχιάς του μικραίνει όλο και πιο πολύ.
Παρόλο που οι μεταβολές που μετρήθηκαν ήταν πάρα πολύ μικρές, εντούτοις αντιστοιχούσαν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προέβλεπε η Γενική Σχετικότητα, γεγονός που αποτελούσε μια έμμεση έστω ένδειξη ότι τα βαρυτικά κύματα που προέβλεψε ο Αϊνστάιν έπρεπε όντως να υπάρχουν. Για την ανακάλυψή τους αυτή οι δύο ερευνητές έλαβαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1993, αφού ο εντοπισμός του διπλού αυτού πάλσαρ θεωρήθηκε ότι πρόσθετε ένα φυσικό εργαστήριο για την μελέτη της βαρύτητας και των βαρυτικών κυμάτων που σύμφωνα με την θεωρία θα έπρεπε να εκπέμπονται.
Ως γνωστόν η ύπαρξη των πάλσαρ είναι αποτέλεσμα της απότομης και υπερβολικά γρήγορης βαρυτικής κατάρρευσης των υλικών της καρδιάς ενός γιγάντιου άστρου και στη τρομαχτική συμπίεση του αστρικού κέντρου. Κάτω από την τεράστια αυτή συμπίεση τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια συγχωνεύονται με τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια του πυρήνα με αποτέλεσμα την δημιουργία νετρονίων και νετρίνων. Κι ενώ τα νετρίνα δραπετεύουν άμεσα από το άστρο, μεταφέροντας μάλιστα και αρκετή από την ενέργειά του, τα νεοσχηματισμένα νετρόνια παραμένουν εκεί και ενώνονται με τα ήδη υπάρχοντα νετρόνια των ατομικών πυρήνων. Αποτέλεσμα αυτής της συμπίεσης είναι η δημιουργία μιας σφαίρας μερικών χιλιομέτρων με την πιο λεία, στερεή επιφάνεια που έχει γνωρίσει ποτέ το Σύμπαν. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι μ’ ένα άστρο νετρονίων που περιστρέφεται σαν σβούρα δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Υλικά από ένα τέτοιο άστρο με μέγεθος όσο είναι το κεφάλι μιας καρφίτσας, θα "ζύγιζαν" ένα εκατομμύριο τόνους, όσο δέκα σύγχρονα αεροπλανοφόρα, ενώ ένα μωρό 5 κιλών στην επιφάνειά του θα "ζύγιζε" 50 εκατομμύρια τόνους! Αν η Γη μας είχε συμπιεστεί σε μια σφαίρα με την πυκνότητα που έχει ένα τέτοιο άστρο θα χωρούσε άνετα στο εσωτερικό του κλειστού Σταδίου "Ειρήνης και Φιλίας".
Όταν λοιπόν δύο τέτοια άστρα νετρονίων βρεθούν το ένα δίπλα στο άλλο, αρχίζει ένας ναπολιτάνικος χορός που αργά ή γρήγορα θα καταλήξει στην σύγκρουσή τους και στη δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας με το 90% των υλικών των δύο πάλσαρ. Κατά την διάρκεια όμως της σύγκρουσης μία ποσότητα υλικών ίση με χίλιες φορές τα υλικά της Γης μετατρέπονται σε βαρέα χημικά στοιχεία μεταξύ των οποίων και ο χρυσός σε ποσότητα που υπολογίζεται ότι φτάνει τις δέκα σεληνιακές μάζες. Γι’ αυτό, η πρώτη ύλη που δημιούργησε το χρυσό σας δαχτυλίδι, το βραχιόλι, το περιδέραιο ή οτιδήποτε άλλο χρυσό αντικείμενο έχετε στη διάθεσή σας, προέρχεται από τις συγκρούσεις τέτοιων διπλών πάλσαρ οι οποίες, μαζί με την δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας, την εκπομπή τεραστίων ποσοτήτων βαρυτικών κυμάτων και εκλάμψεων ακτίνων γάμα, δημιουργούν επίσης και το σπάνιο και πανάκριβο αυτό χημικό στοιχείο του χρυσού.
Θα πρέπει να επισημάνω εδώ ότι δεν θεωρώ πως ο τρόπος δημιουργίας των βαρέων χημικών στοιχείων επιτυγχάνεται αποκλειστικά και μόνο από συγκρούσεις άστρων νετρονίων. Στην ανακοίνωση της Δευτέρας μάλιστα ίσως πληροφορηθούμε και τα αποτελέσματα των μελετών που έγιναν με τα διάφορα ευαίσθητα όργανα των τηλεσκοπίων μας τα οποία ίσως να μπόρεσαν να καταγράψουν την περιεκτικότητα των “προϊόντων” τέτοιων συγκρούσεων. Υπάρχουν δηλαδή διφορούμενες απόψεις και η τελική απάντηση δεν έχει ακόμη δοθεί. Γιατί στη διαδικασία μετατροπής ενός γιγάντιου άστρου σε σουπερνόβα το κρουστικό κύμα που κατευθύνεται από το κέντρο του άστρου στην επιφάνεια διάφορες πυρηνικές αντιδράσεις δημιουργούν νέα χημικά στοιχεία, ενώ συγχρόνως άλλα στοιχεία δημιουργούνται με δύο διαδικασίες, γρήγορης (r-) και αργής (s-) σύλληψης ελεύθερων νετρονίων που μετατρέπουν ελαφρά χημικά στοιχεία σε βαρύτερα.

Πηγή: Διονύσιος Σιμόπουλος fb