Η σύγκρουση αστεριών νετρονίων αποκαλύπτει απροσδόκητες κοσμικές ιδέες | LIGO

Το περασμένο καλοκαίρι, το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων γνωστό ως LIGO έπιασε τη δεύτερη ματιά του σε δύο αστέρια νετρονίων που συγχωνεύονται. Η σύγκρουση αυτών των απίστευτα πυκνών αντικειμένων - οι ογκώδεις πυρήνες των παλιότερων εκρήξεων σουπερνόβα - προκάλεσε ανατριχίλες στον χωροχρόνο αρκετά ισχυρό ώστε να ανιχνευθεί εδώ στη Γη. Αλλά σε αντίθεση με την πρώτη συγχώνευση, η οποία ήταν σύμφωνη με τις προσδοκίες, αυτό το τελευταίο γεγονός ανάγκασε τους αστροφυσικούς να επανεξετάσουν ορισμένες βασικές υποθέσεις σχετικά με το τι κρύβεται εκεί έξω στο σύμπαν. "Έχουμε ένα δίλημμα", δήλωσε ο Enrico Ramirez-Ruiz από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz.

Η εξαιρετικά υψηλή μάζα του συστήματος δύο αστέρων ήταν η πρώτη ένδειξη ότι αυτή η σύγκρουση ήταν άνευ προηγουμένου. Και ενώ το βάρος των αστεριών από μόνο του δεν ήταν αρκετό για να προκαλέσει συναγερμό, υπονοούσε τις εκπλήξεις που έρχονται.

Σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org, ο Ramirez-Ruiz και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι το GW190425, όπως είναι γνωστό το σύστημα των δύο αστέρων, αμφισβητεί όλα όσα νομίζαμε ότι γνωρίζαμε για τα ζεύγη άστρων νετρονίων. Αυτή η τελευταία παρατήρηση φαίνεται να είναι θεμελιωδώς ασυμβίβαστη με την τρέχουσα κατανόηση των επιστημόνων για το πώς σχηματίζονται αυτά τα αστέρια και πόσο συχνά. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές μπορεί να χρειαστεί να ξανασκεφτούν χρόνια αποδεκτής γνώσης.

Μακριά αλλά παντού

Πριν από το 2017, όταν το LIGO κατέλαβε την πρώτη του συγχώνευση αστέρων νετρονίων, όλα όσα γνωρίζαμε για τα αστέρια νετρονίων προέρχονταν από παρατηρήσεις σχετικά κοντινών δειγμάτων στον δικό μας γαλαξία Γαλαξία. (Από τα 2.500 περίπου γνωστά αστέρια νετρονίων, τα 18 συνυπάρχουν σε τροχιακά ζεύγη γνωστά ως δυαδικά αστέρια νετρονίων.) Το GW190425, αντίθετα, απέχει σχεδόν 5.000 Γαλαξίες.

Το πρώτο αινιγματικό πράγμα σχετικά με αυτό είναι η μάζα του:Το νέο σύστημα έχει συνολική μάζα περίπου 3,4 ήλιους. Όλα τα προηγουμένως γνωστά παραδείγματα δυαδικών άστρων νετρονίων ζύγιζαν κάπου περίπου 2,6 ήλιους. Το πρώτο δυαδικό ζεύγος άστρων νετρονίων του LIGO έπεσε ακριβώς σε αυτό το χαμηλότερο εύρος.

Περιοδικό Lucy Reading-Ikkanda/Quanta; Πηγή:Milky Way; GW190425; GW170817

Αλλά η υψηλή συνδυασμένη μάζα είναι μόνο το πρώτο από τα μυστήρια της συγχώνευσης. Ακόμα πιο μπερδεμένο είναι η συμπεραίνουσα αφθονία μεγάλων άστρων νετρονίων:Με βάση την πρόσφατη παρατήρηση, οι επιστήμονες του LIGO εκτιμούν ότι αυτά τα βαριά ζεύγη θα πρέπει να είναι σχεδόν τόσο κοινά όσο τα ελαφρύτερα δυαδικά συστήματα αστεριών που μελετούν οι αστρονόμοι εδώ και δεκαετίες. Τα μεγάλα ζεύγη άστρων νετρονίων θα πρέπει να βρίσκονται σε όλο το σύμπαν, συμπεριλαμβανομένου του Γαλαξία μας. Γιατί, λοιπόν, δεν έχουν εντοπιστεί ποτέ πριν;

Μια πιθανότητα είναι ότι αυτές οι συγχωνεύσεις είναι δύσκολο να εντοπιστούν επειδή συμβαίνουν τόσο γρήγορα.

Με ένα τηλεσκόπιο που μπορεί να δει μόνο χρησιμοποιώντας φως - δηλαδή όλα τα τηλεσκόπια μέχρι να εμφανιστεί το LIGO - πρέπει να κοιτάτε στο σωστό μέρος την κατάλληλη στιγμή. Μια σύντομη λάμψη από ένα τεράστιο ζεύγος άστρων νετρονίων μπορεί να περάσει απαρατήρητη. "Εάν ένας τύπος δυαδικού συγχωνεύεται πολύ γρήγορα, τότε στατιστικά είναι πολύ απίθανο να μπορέσετε να πιάσετε ένα όπως συμβαίνει", δήλωσε ο Salvatore Vitale, αστροφυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης που είναι μέρος της συνεργασίας LIGO.

Το LIGO αλλάζει τον λογισμό. Είναι ένας πανκατευθυντικός ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων που παρακολουθεί ολόκληρο τον ουρανό. Ο Vitale και η υπόλοιπη ομάδα πιστεύουν ότι βρήκαν κάτι που ήταν πρακτικά αόρατο πριν από την εμφάνιση της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων.

Ωστόσο, το πιο σημαντικό πρόβλημα με αυτό το κρυμμένο πλεόνασμα γιγάντιων άστρων νετρονίων είναι ότι δεν μπορούμε να εξηγήσουμε γιατί θα έπρεπε να υπάρχουν τόσα πολλά από αυτά.

Για αρχή, αν υπάρχουν τόσα ζεύγη άστρων νετρονίων με τεράστια μάζα όσα και ελαφρύτερα, τότε θα πρέπει να περιμένουμε να βρούμε τόσα βαριά αστέρια (που τα δημιουργούν) όσα και ελαφρύτερα αστέρια. Αλλά αυτό δεν ισχύει:Οι αστρονόμοι εκτιμούν ότι λιγότερο από το 10% όλων των άστρων είναι αρκετά μεγάλα για να δημιουργήσουν τέτοια τεράστια αστέρια νετρονίων. "Έχουμε συγκεχυμένα στοιχεία που προέρχονται από πολύ διαφορετικές μεθόδους", είπε ο Ramirez-Ruiz.

Δεν τελειώνει εκεί το μυστήριο. Οι καλύτερες υπάρχουσες προσομοιώσεις υπολογιστών της αστρικής εξέλιξης απλά δεν μπορούν να εξηγήσουν την εκτιμώμενη αφθονία αυτών των ασυνήθιστα βαρέων ζευγών.

Οι επιστήμονες συχνά χρησιμοποιούν προσομοιώσεις υπολογιστή για να μοντελοποιήσουν περίπλοκες διαδικασίες για μεγάλες χρονικές περιόδους. Σε αυτή την περίπτωση, οι συγγραφείς μοντελοποίησαν τον κύκλο ζωής των συμπαγών αστρικών αντικειμένων για δισεκατομμύρια χρόνια. «Βάζεις ένα σωρό αστέρια και λες τον κώδικα πώς εκρήγνυνται τα αστέρια», είπε ο Vitale. Στη συνέχεια, «το αφήνεις να τρέξει για μερικά εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια χρόνια και βλέπεις ποιο είναι το αποτέλεσμα».

Για να παρέχει μια πιστή προσομοίωση του σύμπαντος, ο κώδικας υπολογίζει τις επιπτώσεις της σχετικότητας, του μαγνητισμού, της βαρυτικής ακτινοβολίας και πολλά άλλα. Κάνει επίσης υποθέσεις για λεπτομέρειες που δεν είναι πλήρως κατανοητές, όπως η ποσότητα αερίου που πέφτει πίσω σε ένα αστέρι μετά από μια έκρηξη σουπερνόβα σε σχέση με το πόσο χάνεται στο διάστημα. Αυτές οι υποθέσεις παρέχουν στους ερευνητές ένα ευρύ φάσμα πιθανών εισροών που μπορούν να συνδέσουν στον κώδικα, ενώ παραμένουν εντός των ορίων της φυσικής αληθοφάνειας.

Ωστόσο, ανεξάρτητα από τις εισόδους που συνδέθηκαν στην προσομοίωση, η ομάδα δεν μπορούσε να παράγει σχεδόν τον αριθμό των βαρέων ζευγών άστρων νετρονίων που προέβλεψε το LIGO. "Αν αυτό είναι ένα δυαδικό αστέρι νετρονίων, αντιμετωπίζει πολλά ερωτήματα", είπε ο Mohammad Safarzadeh, ένας αστροφυσικός στη Santa Cruz που ηγήθηκε της έρευνας. Όπως έγραψαν ο ίδιος και οι συνάδελφοί του στην εργασία τους, ένα τόσο υψηλό ποσοστό συγχώνευσης απαιτεί μια "ριζική αλλαγή στην κατανόησή μας για την έκρηξη σουπερνόβα".

Οι ερευνητές προειδοποιούν, ωστόσο, ότι οι προσομοιώσεις σουπερνόβα είναι εμφανώς περίπλοκες και δύσκολες. Τα μοντέλα που τα οδηγούν είναι γνωστό ότι είναι «εξαιρετικά προσεγγιστικά», σύμφωνα με τον Safarzadeh, «και το να λες εξαιρετικά προσεγγιστικά είναι ακόμα πολύ ωραίο». Ο Vitale συμφωνεί:"Είναι ένα πολύ, πολύ δύσκολο πρόβλημα να προσομοιωθεί." Ωστόσο, μια τέτοια έντονη διαφορά μεταξύ θεωρίας και αποδείξεων είναι ανησυχητική. «Είναι ένα κάλεσμα για δράση», είπε ο Ramirez-Ruiz, ένα κάλεσμα που παροτρύνει τους επιστήμονες να ξανασκεφτούν πώς σχηματίζονται αυτά τα αστέρια.

Πολλές πτυχές της εξέλιξης των δυαδικών αστεριών είναι ελάχιστα κατανοητές, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο τα αστέρια ανταλλάσσουν μάζα και πλησιάζουν αρκετά ώστε να συγχωνευθούν. "Γνωρίζουμε πολλά για τον σχηματισμό και την εξέλιξη των άστρων, αλλά πολλές από τις φυσικές που σχετίζονται με την παραγωγή συμπαγών δυαδικών ψηφίων δεν είναι ακόμα πολύ καλά κατανοητές", δήλωσε ο Ben Farr, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον και μέλος της συνεργασίας LIGO.

Ως αποτέλεσμα, πολλές υποθέσεις έχουν δημιουργηθεί στα μοντέλα πίσω από τις προσομοιώσεις υπολογιστή. Επιπλέον, όλα τα υπάρχοντα μοντέλα έχουν κατασκευαστεί σε παρατηρήσεις πάλσαρ στον Γαλαξία μας. «Έχουμε έναν πληθυσμό από αστέρια πάλσαρ που βλέπουμε και όλα τα μοντέλα δυαδικού πληθυσμού έχουν στόχο να εξηγήσουν αυτόν τον πληθυσμό», είπε ο Ramirez-Ruiz. «Ξαφνικά το LIGO λέει, καλά, αυτός ο πληθυσμός δεν είναι αντιπροσωπευτικός του πληθυσμού των άστρων διπλών νετρονίων. Πρέπει λοιπόν να ξανασκεφτούμε το παράδειγμα της συναρμολόγησης και τον τρόπο κατασκευής αυτών των πραγμάτων.”

Τα ευρήματα της εφημερίδας, λοιπόν, ωθούν τους αστροφυσικούς να επανεξετάσουν αυτό που νόμιζαν ότι γνώριζαν για τα αστέρια νετρονίων. "Πρέπει να επιστρέψουμε στον πίνακα σχεδίασης", είπε ο Ramirez-Ruiz, "που για μένα είναι πολύ συναρπαστικό."

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο TheAtlantic.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es.