Μετά τη σύγκρουση των μαύρων τρυπών, μια αινιγματική λάμψη

Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, σχεδόν την ίδια ακριβώς στιγμή που ένα ζευγάρι εκτεταμένων ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων άκουσε την τελευταία αναπνοή μιας σύγκρουσης μεταξύ δύο μαύρων οπών, έλαβε χώρα μια άλλη, πιο περίπλοκη παρατήρηση. Πάνω από 500 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης, το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi κατέγραψε μια περαστική έκρηξη ακτίνων γάμμα, μια μορφή φωτός υψηλής ενέργειας. Το σήμα ήταν τόσο ελαφρύ που οι επιστήμονες της NASA που έτρεχαν τον δορυφόρο δεν το παρατήρησαν στην αρχή.

«[Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων] LIGO είδε ένα λαμπρό γεγονός, ξεκάθαρο στα δεδομένα του, και βρήκαμε ένα μικρό απόσπασμα στα δεδομένα μας που είναι πραγματικά μόνο αξιόπιστο επειδή συνέβη τόσο κοντά στο χρόνο του βαρυτικού κύματος», είπε η Valerie Connaughton. μέλος της ομάδας Fermi.

Στις 11 Φεβρουαρίου, οι ερευνητές Fermi δημοσίευσαν ένα έγγραφο στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org που περιγράφει την έκρηξη ακτίνων γάμμα και εικάζει ότι πιθανότατα προήλθε από την ίδια συγχώνευση μαύρης τρύπας που παρήγαγε τα βαρυτικά κύματα που παρατηρήθηκαν από το LIGO (το συμβολόμετρο λέιζερ Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων). Η συσχέτιση, η οποία δεν είναι καθόλου βέβαιη, θα ανέτρεπε παγιωμένες υποθέσεις στη φυσική. Οι αστροφυσικοί πίστευαν από καιρό ότι οι μαύρες τρύπες υπάρχουν στο κενό, καθώς τείνουν να καταπίνουν όλη την κοντινή ύλη. Αυτή η απουσία ύλης σημαίνει ότι θα πρέπει να είναι αδύνατο για δύο μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται να δημιουργήσουν μια λάμψη φωτός.

«Αν δεν έχετε φορτισμένα σωματίδια, δεν έχετε μαγνητικά πεδία και δεν μπορείτε να λάβετε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία», είπε ο Άνταμ Μπάροους, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. "Είναι πολύ καθαρό σύστημα."

Αλλά η έκρηξη ακτίνων γάμμα που ανιχνεύθηκε από τον δορυφόρο Fermi υποδηλώνει ότι ίσως η γειτονιά γύρω από ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών να μην είναι τελικά τόσο άδεια. Τις ημέρες από τότε που η ομάδα Fermi κυκλοφόρησε το έγγραφό της, αρκετοί αστροφυσικοί έσπευσαν να προτείνουν θεωρητικές εξηγήσεις για το πώς η ύλη μπορεί να παραμείνει γύρω από τις μαύρες τρύπες σε αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις ώστε να δημιουργήσει μια έκρηξη ακτίνων γάμμα. Αυτές οι θεωρίες περιλαμβάνουν πτήσεις αστροφυσικής φαντασίας, συγκεντρωμένες στον απόηχο ενός ιστορικού γεγονότος, για να εξηγήσουν μια παρατήρηση φωτός που από όλες τις απόψεις δεν θα έπρεπε να ήταν εκεί.

Μια Κοσμική Σύμπτωση;

Οι ακτίνες γάμμα πέφτουν στο τέλος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Από όλες τις ποικιλίες φωτός, έχουν τα μικρότερα μήκη κύματος, την υψηλότερη συχνότητα και την περισσότερη ενέργεια — για παράδειγμα εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από το υπεριώδες φως.

Χρειάζονται ακραίες συνθήκες για να δημιουργηθεί τόση ενέργεια, και μόνο δύο γνωστά αστροφυσικά γεγονότα μπορεί να το κάνουν. Το ένα είναι η κατάρρευση ενός τεράστιου αστεριού σε μια μαύρη τρύπα. Καθώς ο αστρικός πυρήνας πέφτει στον εαυτό του, αποκλείει το περιβάλλον του περίβλημα ύλης και σχηματίζει βίαιους πίδακες ενέργειας που ωθούν αυτήν την ύλη έξω στο διάστημα με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Αυτές είναι οι λεγόμενες "μακριές εκρήξεις ακτίνων γάμμα", οι οποίες αντιπροσωπεύουν περίπου το 80 τοις εκατό όλων των εκρήξεων ακτίνων γάμμα και συνήθως διαρκούν περίπου 20 δευτερόλεπτα.

Ο δεύτερος μηχανισμός για την παραγωγή μιας έκρηξης ακτίνων γάμμα είναι η συγχώνευση δύο πολύ συμπαγών αντικειμένων, όπως ένα ζευγάρι αστέρια νετρονίων ή ένα αστέρι νετρονίων και μια μαύρη τρύπα. Στην περίπτωση ενός αστεριού και μιας μαύρης τρύπας, η ύλη από το αστέρι σχηματίζει έναν δακτύλιο υλικού που ονομάζεται δίσκος προσαύξησης γύρω από τη μαύρη τρύπα. Καθώς το υλικό από τον δίσκο προσαύξησης πέφτει στη μαύρη τρύπα, σχηματίζονται πίδακες ενέργειας κατά μήκος του άξονα της συγχώνευσης. Το αποτέλεσμα είναι μια "σύντομη έκρηξη ακτίνων γάμμα", η οποία συνήθως διαρκεί λιγότερο από δύο δευτερόλεπτα.

Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα είναι τα μεγάλα πυροτεχνικά γεγονότα του σύμπαντος, εκρήξεις σε κλίμακα που δύσκολα μπορούμε να φανταστούμε. Παρέχουν επίσης στους αστροφυσικούς έναν τρόπο να βλέπουν κρυμμένα κοσμικά γεγονότα.

«Οι σύντομες εκρήξεις ακτίνων γάμμα μας επιτρέπουν να βλέπουμε σκοτεινά αντικείμενα», είπε ο Connaughton. "Όταν [αυτά τα αντικείμενα] συγχωνεύονται, παράγουν ένα βίαιο πίδακα ενεργητικών σωματιδίων και βλέπουμε τη βία σε ένα φαινόμενο που διαφορετικά θα φαινόταν πολύ σκοτεινό."

Στις 14 Σεπτεμβρίου, ο Fermi εντόπισε ένα σύντομο, παροδικό συμβάν που καταγράφηκε ως ατυχές. Ήταν τόσο αμυδρό που η ομάδα δεν το πρόσεξε καν στην αρχή. Αργότερα, όταν έμαθαν ότι το LIGO είχε ανιχνεύσει ένα βαρυτικό κύμα, επανήλθαν στα δεδομένα τους για να δουν αν ο Fermi είχε δει κάτι ενδιαφέρον ταυτόχρονα. Χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο που αναπτύχθηκε από τον Lindy Blackburn, έναν αστρονόμο στο Κέντρο Αστροφυσικής του Harvard-Smithsonian στο Cambridge της Μασαχουσέτης και μέλος της ομάδας LIGO, οι ερευνητές Fermi αναζήτησαν αμυδρές φυσαλίδες στα θορυβώδη δεδομένα τους. Τότε ήταν που το είδαν, μια έκρηξη ακτίνων γάμμα που έφτασε 0,4 δευτερόλεπτα μετά το βαρυτικό κύμα και διήρκεσε ένα δευτερόλεπτο. Είχε χαρακτηριστικά μιας τυπικής σύντομης έκρηξης ακτίνων γάμμα που, στην αρχή της, περιείχε 10.000 τρισεκατομμύρια φορές την ποσότητα ενέργειας που παράγει ο ήλιος για το ίδιο χρονικό διάστημα.

Το αν η έκρηξη ακτίνων γάμμα ήταν πραγματική και όχι σφάλμα ανίχνευσης και εάν, αν είναι αληθινή, συνδέεται με το συμβάν LIGO έχει γίνει θέμα έντονης συζήτησης τις εβδομάδες από τότε που η ομάδα Fermi δημοσίευσε την εργασία της.

Η ομάδα έχει διαπιστώσει χονδρικά ότι η έκρηξη ακτίνων γάμμα προήλθε από μια περιοχή 2.000 τετραγωνικών μοιρών του ουρανού. Σε συνδυασμό με τον εντοπισμό LIGO 600 μοιρών, η κατεύθυνση άφιξης μειώνεται σε ένα κομμάτι ουρανού 200 τετραγωνικών μοιρών, υποστηρίζοντας το συμπέρασμα ότι η έκρηξη ακτίνων γάμμα και τα βαρυτικά κύματα προήλθαν από την ίδια θέση. Το χρονοδιάγραμμα των δύο γεγονότων υποδηλώνει και αυτό. Ο Fermi ανιχνεύει πτώσεις αυτού του μεγέθους περίπου μία φορά κάθε 10.000 δευτερόλεπτα (ή περίπου κάθε 2 ώρες και 47 λεπτά), καθιστώντας απίθανο, αν και όχι αδύνατο, ότι η σχεδόν ταυτόχρονη παρατήρηση της έκρηξης των ακτίνων γάμμα και των βαρυτικών κυμάτων ήταν σύμπτωση.

«Είναι μια πιθανότητα χαμηλής πιθανότητας, αλλά δεν είναι αδύνατο αυτό να συνέβη τυχαία», είπε ο Connaughton. «Γι' αυτό είμαστε προσεκτικοί σχετικά με τον ισχυρισμό ότι αυτό είναι ένα αντίστοιχο της εκδήλωσης LIGO. Είναι ένα αποτέλεσμα «τριών σιγμάτων», όχι κάτι που θα πηγαίναμε στην τράπεζα υπό κανονικές συνθήκες». Στην πραγματικότητα, την ίδια στιγμή που ο Fermi παρατήρησε την έκρηξη, ένας άλλος ανιχνευτής ακτίνων γάμμα, ο δορυφόρος Integral της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, δεν παρατήρησε τίποτα. "Από τη δική μας οπτική γωνία, είναι μάλλον απίθανο το γεγονός που ανίχνευσε ο Fermi να σχετίζεται με το συμβάν βαρυτικών κυμάτων", δήλωσε ο Carlo Ferrigno, μέλος της ομάδας Integral.

Πιο ουσιαστικά, η ομάδα Fermi είναι προσεκτική σχετικά με τη σύνδεση των δύο γεγονότων, επειδή η συγχώνευση δύο μαύρων οπών απλά δεν υποτίθεται ότι παράγει φως. "Όλα είναι υπέρ τους, εκτός από τη φυσική, η οποία είναι ένα πρόβλημα", είπε ο Connaughton.

Η φυσική δημιουργεί ένα πρόβλημα — ή τουλάχιστον έναν γρίφο.

Κρίστιαν Ράισγουιγκ

Βίντεο: Σε αυτήν την προσομοίωση υπολογιστή, ένα ταχέως περιστρεφόμενο υπερμεγέθη αστέρι καταρρέει για να σχηματίσει ένα ζεύγος μαύρων οπών που τελικά συγχωνεύονται σε μία. Ένα παρόμοιο σενάριο έχει χρησιμοποιηθεί για να εξηγηθεί πώς οι συγκρούσεις μαύρων τρυπών θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μια έκρηξη ακτίνων γάμμα.

«Για να δημιουργήσετε μια έκρηξη ακτίνων γάμμα χρειάζεστε κάποια συμβατική ύλη, όπως ένας δίσκος προσαύξησης γύρω από το αντικείμενο συγχώνευσης», δήλωσε ο John Ellis, φυσικός σωματιδίων στο King's College του Λονδίνου. «Νομίζω ότι είναι αρκετά ξεκάθαρο αν μιλάτε για τη συγχώνευση άστρων νετρονίων, θα είχατε αυτό το θέμα. Δεν είναι τόσο εμφανές γύρω από τις μαύρες τρύπες."

Η ακρίβεια της παρατήρησης του Fermi θα λυθεί με την πάροδο του χρόνου. Το LIGO πιθανώς θα ανιχνεύσει περισσότερα βαρυτικά κύματα. Καθώς το κάνει, η ομάδα Fermi θα αναζητήσει αντίστοιχες εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Αν τα βρουν, θα ξέρουν ότι έχουν κάτι.

Δημιουργία φωτεινών μαύρων τρυπών

Στο μεταξύ, οι αστροφυσικοί προσπαθούσαν να εξηγήσουν πώς θα μπορούσε να υπάρχει αρκετό υλικό γύρω από ένα ζευγάρι μαύρων οπών για να παραχθεί μια έκρηξη ακτίνων γάμμα. Ο Bing Zhang, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδα, στο Λας Βέγκας, έχει υποθέσει ότι εάν μία ή και οι δύο από τις συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες περιείχαν φορτίο, αυτό το φορτίο μπορεί να είναι αρκετό για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο που θα μπορούσε να δημιουργήσει μια έκρηξη ακτίνων γάμμα. Αλλά σύμφωνα με τη γενική συναίνεση, οι αστροφυσικές μαύρες τρύπες δεν πρέπει να έχουν μετρήσιμο φορτίο.

Μια άλλη πρόταση έρχεται από τη Rosalba Perna, αστροφυσικό στο Πανεπιστήμιο Stony Brook. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο arxiv.org στις 16 Φεβρουαρίου, αυτή και δύο συνάδελφοί της εικάζουν ότι δύο τεράστια αστέρια που είναι κλειδωμένα μαζί σε ένα δυαδικό αστρικό σύστημα μπορεί να πεθάνουν και τα δύο, σχηματίζοντας δύο μαύρες τρύπες. Καθώς το δεύτερο τεράστιο αστέρι στο σύστημα πεθαίνει, τα συντρίμμια από το περίβλημά του μπορεί να πέσουν πίσω προς τον πυρήνα και να εγκατασταθούν σε έναν δίσκο προσαύξησης. Στη συνέχεια, καθώς ξεκινά μια συγχώνευση, η συνοδευτική μαύρη τρύπα θα εισχωρούσε στην άλλη μέσω αυτού του δίσκου, τροφοδοτώντας μια έκρηξη ακτίνων γάμμα.

Ο Avi Loeb, ο πρόεδρος του τμήματος αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, έχει προσφέρει μια τρίτη δυνατότητα. Σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο arxiv.org στις 15 Φεβρουαρίου και στη συνέχεια έγινε αποδεκτό για δημοσίευση στο The Astrophysical Journal Letters , ο Loeb περιγράφει πώς ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών μπορεί να προέρχεται ταυτόχρονα μέσα σε ένα αστέρι 100 φορές μεγαλύτερο από τον ήλιο. Όπως το οραματίζεται, αυτό το τεράστιο αστέρι δημιουργήθηκε αρχικά όταν συνδυάστηκαν δύο μικρότερα αστέρια. Οι συνθήκες αυτής της συγχώνευσης προκαλούν το τεράστιο αστέρι να περιστρέφεται πολύ γρήγορα. Όταν τελικά αρχίζει να καταρρέει, η φυγόκεντρος δύναμη από το σπιν αναγκάζει τον πυρήνα του να σπάσει σε δύο συστάδες σε διάταξη αλτήρα και κάθε συστάδα σχηματίζει μια μαύρη τρύπα — με τις δύο μαύρες τρύπες να είναι βαρυτικά συνυφασμένες μέσα στα υπολείμματα του τεράστιου αστεριού. /P>

«Είναι κάτι σαν ένα ζευγάρι δίδυμων στην κοιλιά μιας εγκύου μητέρας και καθώς ενώνονται, κάνουν μια μαύρη τρύπα», λέει ο Loeb.

Οι μαύρες τρύπες στο σενάριο του Loeb τελικά συγχωνεύονται και επειδή η συγχώνευση λαμβάνει χώρα μέσα σε ένα τεράστιο αστέρι, θα υπήρχε άφθονο υλικό γύρω για να τροφοδοτήσει μια έκρηξη ακτίνων γάμμα — στην πραγματικότητα, ο Loeb φαντάζεται ότι θα έπεφτε όσο μια ολόκληρη ηλιακή μάζα στη νεοδημιουργηθείσα μαύρη τρύπα ανά δευτερόλεπτο τη στιγμή της συγχώνευσης.

Η εργασία του Loeb είναι μόνο η αρχή μιας προσπάθειας να εξηγήσει μια παρατήρηση που, αν ίσχυε, θα απαιτούσε έναν νέο τρόπο σκέψης από τους αστροφυσικούς. Ένα ταχέως περιστρεφόμενο, υπερμεγέθη αστέρι του είδους στο κέντρο της πρότασής του δεν έχει δει ποτέ. Επιπλέον, σε σενάρια όπου ένα αστέρι έχει έναν ταχέως περιστρεφόμενο εσωτερικό πυρήνα, ο πυρήνας συνήθως δεν χωρίζεται σε δύο αλτήρες - δημιουργεί έναν πεπλατυσμένο δίσκο με σπειροειδείς βραχίονες. Κατά τη διάρκεια του επόμενου έτους, ο Loeb και άλλοι θα εκτελέσουν προσομοιώσεις υπολογιστή για να προσδιορίσουν εάν είναι δυνατό να δημιουργηθούν οι συνθήκες που περιγράφονται στην εργασία του. Μερικοί από τους συναδέλφους του Loeb είναι δύσπιστοι ότι το σενάριό του θα καταλήξει να λειτουργήσει.

«Προσωπικά, νομίζω ότι αυτό είναι λίγο τεντωμένο», είπε ο Μπάροους. "Υπάρχουν μερικές νεράιδες των δοντιών που έχουν ενωθεί εδώ για να εξηγήσουν τι μπορεί να είναι μια ψευδής ανίχνευση."

Άλλοι πιστεύουν ότι η εργασία του Loeb δείχνει το πεδίο της αστροφυσικής προς τη σωστή κατεύθυνση, ανεξάρτητα από το αν τελικά είναι σωστό.

«Όπως πάντα στην επιστήμη, όταν υπάρχουν σημαντικές νέες ανακαλύψεις, σε αυτή την περίπτωση το LIGO, υπάρχει μια περίοδος πρώιμων εικασιών όπου οι άνθρωποι πετούν έξω ιδέες», δήλωσε ο Volker Bromm, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν. «Πιστεύω ότι το έγγραφο του Avi είναι εξαιρετικό γιατί εστιάζει την προσοχή του κόσμου στο τι πρέπει να γίνει. Είναι σίγουρα εύλογο."

Με τον καιρό, η αυθεντικότητα της ανίχνευσης Fermi θα γίνει ξεκάθαρη. Εάν όντως αποδειχθεί ακριβής, θα αναπτυχθούν τελικά θεωρίες που θα εξηγούν πώς δύο μαύρες τρύπες δημιουργούν μια έκρηξη ακτίνων γάμμα. Μπορεί να μοιάζουν με τις ιδέες που έχουν προταθεί από τους Zhang, Perna και Loeb ή μπορεί να καταλήξουν να φαίνονται εντελώς διαφορετικές. Αυτό που είναι ξεκάθαρο είναι ότι μετά το LIGO, υπάρχουν πολλές νέες επιστήμες που πρέπει να γίνουν. Η βιασύνη να ξεμπερδέψουμε τις επιπτώσεις του κόσμου μετά τη βαρυτική κύμα είναι ήδη σε εξέλιξη.