Κοσμικοί διαστημικοί σεισμοί και η ενέργεια βαρέων μετάλλων τους

Πριν από πολύ καιρό, το έτος 132 μ.Χ., ο αυτοκρατορικός αστρονόμος Zhang Heng σχεδίασε έναν ανιχνευτή σεισμών. Η Ιστορία της Ύστερης Δυναστείας Χαν αναφέρει ότι η έξυπνη εφεύρεσή του θα ειδοποιούσε τον Κινέζο αυτοκράτορα για καταστροφικά σεισμικά γεγονότα σε απομακρυσμένα φυλάκια της αυτοκρατορίας.

Το σεισμοσκόπιο του Zhang Heng περιγράφεται ως ένα χάλκινο σκάφος διαμέτρου δύο μέτρων με οκτώ κεφάλια δράκων τοποθετημένα γύρω από την περιφέρειά του. Μια ανακατασκευή φαίνεται παρακάτω. Κάθε δράκος σφίγγει μια μικρή μεταλλική μπάλα στα δόντια του, ενώ το ανοιχτό στόμιο ενός χάλκινου φρύνου ανοίγει διάπλατα από κάτω. Ένα ελαφρύ τρέμουλο από έναν μακρινό σεισμό προκαλεί μια ράβδο μέσα στο σκάφος να υπερισορροπήσει, τραβώντας ένα μοχλό που ανοίγει το στόμα του δράκου που βλέπει προς το σεισμό. Η μπάλα του απελευθερώνεται και πέφτει χτυπώντας στο στόμα ενός φρύνου που περιμένει.

Από τους σεισμούς στους διαστημικούς σεισμούς

Γρήγορα προς τα εμπρός σχεδόν δύο χιλιάδες χρόνια και τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων τώρα ανιχνεύουν συνήθως διαστημικούς σεισμούς σε μακρινές περιοχές του Σύμπαντος. Τον Αύγουστο του 2017 οι δύο ανιχνευτές LIGO στις Ηνωμένες Πολιτείες ενώθηκαν με τον πρόσφατα αναβαθμισμένο ανιχνευτή VIRGO κοντά στην Πίζα στην Ιταλία. Καθορίζοντας τον χρόνο άφιξης των αχνών κοσμικών κραδασμών σε κάθε ανιχνευτή με ακρίβεια κλάσματος του δευτερολέπτου, είναι δυνατό να επιτευχθεί μια καλή διόρθωση για την κατεύθυνση της πηγής των βαρυτικών κυματισμών. Αυτή είναι πολύτιμη πληροφορία, καθώς δίνει τη δυνατότητα στους αστρονόμους να αναζητήσουν οποιοδήποτε ορατό σημάδι της καταστροφικής έκρηξης που παρήγαγε τα βαρυτικά κύματα.

Στις 17 Αυγούστου τα τρία όργανα κατέλαβαν ένα αλάνθαστο σήμα, αρκετά διαφορετικό από τα τέσσερα προηγούμενα γεγονότα που εντοπίστηκαν από το LIGO. Καταγράφηκε ως GW170817. Μόλις 1,7 δευτερόλεπτα αργότερα, το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi Gamma-Ray της NASA εντόπισε μια σύντομη έκρηξη ακτίνων γάμμα που προερχόταν από την ίδια περιοχή του ουρανού και τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο σχεδιάστηκαν για να εντοπίσουν τη λαμπερή όψη του γεγονότος που παρήγαγε την ακτινοβολία γάμμα. Εντός δώδεκα ωρών εντοπίστηκε η πηγή της έκρηξης ακτίνων γάμμα.

Αυτή ήταν η πρώτη ανακάλυψη ενός οπτικού αντίστοιχου για ένα σήμα βαρυτικού κύματος και έχει γίνει ένα από τα πιο παρατηρημένα γεγονότα στην ιστορία της αστρονομίας. Τα βαρυτικά κύματα και η σύντομη έκρηξη ακτίνων γάμμα δημιουργήθηκαν από ένα kilonova 138 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά σε έναν γαλαξία γνωστό ως NGC 4993.

Οι Kilonovae σχηματίζουν μια νέα κατηγορία αστρικών εκρήξεων ενδιάμεσα μεταξύ των νέων και των σουπερνόβα. Είναι περίπου χίλιες φορές πιο φωτεινά από μια nova και αυτός είναι ο λόγος για το όνομά τους. Ωστόσο, είναι μόλις το ένα χιλιοστό έως το ένα εκατοστό της φωτεινότητας ενός σουπερνόβα. Τώρα γνωρίζουμε ότι η κιλόνοβα είναι η θεαματική έκρηξη που προκαλείται όταν ένα ζευγάρι άστρων νετρονίων συγκρούονται και συγχωνεύονται.

Διαβάστε περισσότερα:

• Πώς ανακαλύψαμε τα βαρυτικά κύματα από «άστρα νετρονίων» – και γιατί είναι τόσο μεγάλη υπόθεση
• Γιατί το 2019 θα είναι μια καλή χρονιά για τα βαρυτικά κύματα

Συγκρούσεις άστρων νετρονίων

Τα αστέρια νετρονίων είναι σαν γιγάντιοι ατομικοί πυρήνες - ολόκληρη η μάζα ενός άστρου συμπιέζεται σε πυρηνικές πυκνότητες. Είναι από τα πιο παράξενα αντικείμενα στον κόσμο. Συνήθως, μιάμιση ηλιακή μάζα συσσωρεύεται σε μια σφαίρα διαμέτρου μόλις 20 ή 30 χιλιομέτρων. Μικρό για τα κοσμικά πρότυπα, αλλά απίστευτα πυκνό, η μάζα ενός κουταλιού του γλυκού αστέρι νετρονίων ξεπερνά κατά πολύ το ένα δισεκατομμύριο τόνους. Δοκιμάστε να το ανακατέψετε στο φλιτζάνι του τσαγιού σας!

Τα αστέρια νετρονίων των οποίων η σύγκρουση προκάλεσε το συμβάν GW170817 θεωρείται ότι είχαν παρόμοια ιστορία με το δυαδικό σύστημα Hulse-Taylor που εξερευνήθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων ετών θα είχαν σταδιακά σπειροειδώς συγκεντρωθεί καθώς έχασαν ενέργεια λόγω της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων. Το πλάτος αυτών των κυμάτων ήταν πολύ μικρό για να ανιχνευθεί μέχρι που έφτασαν σχεδόν σε απόσταση αγγίγματος 100 δευτερόλεπτα πριν από τη θανατηφόρα συνάντησή τους.

Τα αστέρια νετρονίων αποτελούνται από μια εξωτική μορφή ύλης που αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από νετρόνια. Τέτοιο υλικό υπάρχει μόνο μέσα στο ακραίο βαρυτικό ασφυκτικό άστρο νετρονίων. Οποιοδήποτε θραύσμα σπάσει ελεύθερο σε μια σύγκρουση θα ήταν εξαιρετικά ασταθές και θα υποστεί άμεση ραδιενεργή αποσύνθεση με δραματικές και βίαιες συνέπειες. Τα νετρόνια θα μεταμορφώνονταν σε πρωτόνια με την εκπομπή ηλεκτρονίων και νετρίνων. Οι πλούσιοι σε νετρόνια βαρείς πυρήνες θα σχηματίζονταν και θα διασπώνταν γρήγορα σε πιο σταθερούς ελαφρύτερους πυρήνες σε μια έκρηξη ακτινοβολίας γάμμα.

Αυτή είναι η προέλευση της σύντομης έκρηξης ακτίνων γάμμα που ανιχνεύθηκε από τον δορυφόρο Fermi. Η συνεχιζόμενη ραδιενεργή αποσύνθεση του υλικού που εκπέμπεται στη συγχώνευση παράγει την ορατή μεταλάμψη της κιλόνοβας. Τα αστέρια νετρονίων που συγχωνεύτηκαν στο συμβάν GW170817 πιστεύεται ότι υπέστησαν την τελική κατάρρευση και σχημάτισαν μια μαύρη τρύπα.

The Birth of Heavy Metal

Οι συγκρούσεις άστρων νετρονίων μπορεί να απαντήσουν σε ένα από τα μυστήρια του Κόσμου. Πώς δημιουργήθηκαν βαρέα άτομα όπως η πλατίνα και ο χρυσός; Τα τεράστια αστέρια παράγουν ενέργεια μέσω μιας ακολουθίας διαδικασιών πυρηνικής σύντηξης που τελικά μετατρέπουν τον πυρήνα του άστρου σε σίδηρο και νικέλιο. Τελικά, δεν μπορεί να παραχθεί περαιτέρω ενέργεια από τις αντιδράσεις σύντηξης και ο πυρήνας καταρρέει, προκαλώντας την έκρηξη του αστεριού ως σουπερνόβα. Ο πυρήνας του σιδήρου και του νικελίου που εκρήγνυται λούζεται σε μια τεράστια ροή πρωτονίων και νετρονίων υψηλής ενέργειας και αυτό θεωρείτο από καιρό ότι εξηγεί την προέλευση βαρύτερων πυρήνων μέχρι το ουράνιο και το πλουτώνιο. Ωστόσο, πρόσφατες προσομοιώσεις υπολογιστή υποδεικνύουν ότι οι ακραίες συνθήκες που είναι απαραίτητες για τη νουκλεοσύνθεση μπορεί να μην διαρκέσουν αρκετά για τη δημιουργία στοιχείων πέρα ​​από το ασήμι και τα γειτονικά του στοιχεία στον Περιοδικό Πίνακα. Αυτό μας δημιουργεί ένα αίνιγμα:Από πού προέρχονται όλα τα πραγματικά βαριά στοιχεία;

Οι David Eichler, Mario Livio, Tsvi Piran και David Schramms πρότειναν το 1989 ότι οι συγκρούσεις άστρων νετρονίων θα μπορούσαν να παρέχουν μια εναλλακτική διαδικασία στην οποία συντίθενται βαριά στοιχεία. Αυτό προσέλκυσε ελάχιστη υποστήριξη εκείνη την εποχή, καθώς θεωρήθηκε ότι τέτοια γεγονότα θα ήταν πολύ σπάνια για να ληφθούν υπόψη οι ποσότητες χρυσού, ουρανίου και άλλων στοιχείων που βρίσκουμε στον γαλαξία.

Interstellar Gold Rush

Υπολογιστικά μοντέλα συγχωνεύσεων άστρων νετρονίων, όπως αυτό που παρήγαγε το σήμα GW170817, δείχνουν ότι περίπου 20.000 φορές η μάζα της Γης θα μπορούσε να εκτιναχθεί σε αυτά τα γεγονότα. Αυτό το υλικό θα εκτοξευόταν με ανατίναξη με περίπου το ένα πέμπτο της ταχύτητας του φωτός και θα διασκορπιζόταν πολύ μακριά σε όλο τον γαλαξία. Θα είχε τη μορφή βαρέων στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων περίπου δέκα μερών ανά εκατομμύριο πυρήνων χρυσού, επομένως η συνολική ποσότητα χρυσόσκονης που δημιουργείται σε μια κιλόνοβα θα είναι περίπου το ένα πέμπτο της μάζας της Γης. Οι παρατηρήσεις της πρόσφατης kilonova υποδηλώνουν ότι τα μοντέλα υπολογιστών είναι σωστά.

Είναι όμως αυτά τα συμβάντα αρκετά συχνά για να λάβουν υπόψη τις παρατηρούμενες ποσότητες βαρέων στοιχείων;

Σφίξιμο του Διχτύου

Το μεγάλο ερώτημα είναι εάν τα βαριά στοιχεία παράγονται σε σχετικά μικρές ποσότητες σε ασυνήθιστα γεγονότα —υπερκαινοφανείς—ή αν παράγονται σε εξαιρετικά μεγάλες ποσότητες σε πολύ σπάνια γεγονότα—συγκρούσεις άστρων νετρονίων.

Η υποστήριξη για την τελευταία δυνατότητα προέρχεται από έναν νάνο γαλαξία που ανακαλύφθηκε πρόσφατα, γνωστό ως Reticulum II. Ανακαλύφθηκε το 2015 και βρίσκεται στον σκοτεινό νότιο αστερισμό του Δικτύου ή του Μικρού Διχτύου, αυτός ο γαλαξίας είναι στενός σύντροφος του Γαλαξία, μόλις 97.000 έτη φωτός μακριά. Οι περισσότεροι νάνοι γαλαξίες περιέχουν ελάχιστα, αν όχι καθόλου, βαριά στοιχεία. Αντίθετα, σημαντικές ποσότητες βαρέων στοιχείων υπάρχουν στα αστέρια και το διαστρικό αέριο του Reticulum II.

Οι εκρήξεις σουπερνόβα είναι ασυνήθιστα γεγονότα. Υπολογίζεται ότι ένα συμβαίνει στον Γαλαξία του Γαλαξία κάθε 30 περίπου χρόνια, αλλά τα περισσότερα είναι κρυμμένα από εμάς από διαστρικά σύννεφα σκόνης. Ακόμη και στους πιο αδύναμους νάνους γαλαξίες, θα περιμέναμε έναν σουπερνόβα τουλάχιστον μία φορά κάθε 100.000 χρόνια, οπότε αν τα βαριά στοιχεία παράγονται σε σουπερνόβα, κατά τη διάρκεια της ιστορίας του σύμπαντος 13,8 δισεκατομμυρίων ετών, τα βαριά στοιχεία θα συσσωρεύονταν σε σημαντικά επίπεδα . Ωστόσο, οι συγκρούσεις αστεριών νετρονίων θα μπορούσαν να είναι τόσο σπάνιες που οι περισσότεροι νάνοι γαλαξίες δεν έχουν φιλοξενήσει ποτέ τέτοιο γεγονός και αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί οι περισσότεροι νάνοι γαλαξίες δεν περιέχουν βαριά στοιχεία.

Φαίνεται ότι ο νάνος γαλαξίας Reticulum II είναι απλώς ο νικητής της λαχειοφόρου αγοράς σύγκρουσης αστεριών νετρονίων. Όλα τα βαριά στοιχεία που περιέχει πιθανότατα παράγονται σε ένα μόνο τέτοιο γεγονός. Αυτό παρέχει σημαντικές περιστασιακές ενδείξεις ότι πριν από πολύ καιρό τα περισσότερα από τα βαριά στοιχεία στο περιβάλλον μας παράγονταν με αυτόν τον τρόπο.

Το διάγραμμα (παραπάνω) δείχνει την προέλευση κάθε στοιχείου στον Περιοδικό Πίνακα σύμφωνα με τη σύγχρονη αστροφυσική. (Το διάγραμμα δείχνει μόνο την τελική διαδικασία κατά την οποία σφυρηλατείται ένας συγκεκριμένος πυρήνας. Οι περισσότεροι πυρήνες δημιουργούνται ακολουθώντας μια ακολουθία πιθανώς πολύ διαφορετικών διεργασιών. Για παράδειγμα, οι πυρήνες βορίου δημιουργούνται όταν οι κοσμικές ακτίνες χτυπούν τους πυρήνες άνθρακα και απομακρύνουν ένα πρωτόνιο, αλλά ο άνθρακας ο πυρήνας θα είχε δημιουργηθεί σε μια έκρηξη αστεριού ή σουπερνόβα.)

Το χρυσό σας δαχτυλίδι

Είναι εκπληκτικό γεγονός ότι όλα τα άτομα στο σώμα σας, εκτός από τα άτομα υδρογόνου, πρέπει να έχουν δημιουργηθεί μέσα σε ένα αστέρι. Είναι ίσως ακόμη πιο απίστευτο ότι τα άτομα στο χρυσό δαχτυλίδι στο δάχτυλό σας δημιουργήθηκαν σε μια σύγκρουση αστεριών νετρονίων. Και τι γίνεται με τις μακριές εκρήξεις ακτίνων γάμμα; Αυτό είναι ένα θέμα για το επόμενο κεφάλαιο.

Αυτό είναι ένα επεξεργασμένο απόσπασμα από το The Cosmic Mystery Tour από τον Nicholas Mee, που θα κυκλοφορήσει στις 31 Ιανουαρίου 2019 (£16,99, OUP)

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard