Τρίτη, 4 Ιουλίου 2017

Τα νετρίνα που εκπέμπουν τα σουπερνόβα είναι ένδειξη των κυμάτων βαρύτητας

sn1987a_impactΤην επόμενη φορά που ένα άστρο θα εκραγεί σαν σουπερνόβα στον Γαλαξία μας, οι ερευνητές θα ψάξουν  να βρουν εξασθενημένους κυματισμούς στον χωροχρόνο, γνωστούς ως κύματα βαρύτητας, τα οποία δυστυχώς δεν έχουν ποτέ δει άμεσα. Μια πρόσφατη μελέτη δείχνει όμως έναν τρόπο να χρησιμοποιηθεί η ανίχνευση των νετρίνων, που εκπέμπονται από την σουπερνόβα, για να προσδιοριστεί η χρονική στιγμή κατά την οποία από το αστέρι που πεθαίνει θα έχουν αρχίσει να εκπέμπονται κύματα βαρύτητας. Εν συνεχεία η γνώση της ώρας έναρξης της εκπομπής των βαρυτικών κυμάτων θα βοηθήσει τους ερευνητές να ξεχωρίσουν τα κύματα βαρύτητας από το θόρυβο σ’ ένα ανιχνευτή και βεβαίως να τα τακτοποιήσουν. Η ομάδα αυτή των ερευνητών χρησιμοποίησε μοντέλα εκπομπής νετρίνων από σουπερνόβα καθώς και της ανίχνευσης των νετρίνων, για να προβλεφθεί η χρονική στιγμή που θα εμφανιστούν τα βαρυτικά  κύματα μέσα σε ένα διάστημα 10 χιλιοστών του δευτερολέπτου.
 
Αστρικό πτώμα: Τα υπολείμματα μιας κοντινής μας σουπερνόβα όπως εμφανίστηκε το 1987 στο   ορατό φως (μωβ χρώμα) και στις ακτίνες Χ (πορτοκαλί). Οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν την ανίχνευση των νετρίνων από την επόμενη γειτονική σουπερνόβα για να προσδιοριστεί επακριβώς η στιγμή κατά την οποία θα πρέπει να είναι ανιχνεύσιμα τα κύματα της βαρύτητας – που δυστυχώς δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ άμεσα. Δείτε και την ταινία (χρειάζεται QuickTime)
 
Προτού ένα άστρο πεθάνει με μια φοβερή έκρηξη, πυρηνικές αντιδράσεις παράγουν νετρίνα τα οποία μεταφέρουν προς τα έξω περίπου το 99 τοις εκατό της συνολικής ακτινοβολούμενης ενέργειας της σουπερνόβα. Τα νετρίνα μόλις που αλληλεπιδρούν με την ύλη, γι αυτό και τα περισσότερα από αυτά διέρχονται μέσα από τα στρώματα του άστρου και φθάνουν στη Γη πριν από κάθε άλλο σημάδι του συμβάντος, δηλαδή της υπερκαινοφανούς έκρηξης. Μια σουπερνόβα περιμένουμε να εμφανίζεται στο Γαλαξία μας περίπου τρεις φορές ανά αιώνα. Το 1987, οι ανιχνευτές συνέλαβαν 24 μόνο νετρίνα από μία υπερκαινοφανή έκρηξη ενός άστρου στο κοντινό Μέγα Νέφος του Μαγγελάνου, κάπου 168.000 έτη φωτός μακριά.
 
Από τότε, ανακαλύφθηκαν πολύ πιο προηγμένοι ανιχνευτές νετρίνων, ενώ λειτούργησε και η πρώτη γενιά ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων με λέιζερ, όπως είναι το LIGO και το VIRGO. Όταν το πιο εσωτερικό τμήμα του πυρήνα ενός άστρου υπό κατάρρευση, φτάσει στην πυκνότητα του πυρήνα – το στάδιο του άστρου νετρονίων – το εξωτερικό τμήμα του πυρήνα που κατεβαίνει προς τα κάτω, αναπηδάει  προς τα πάνω γιατί ήρθε σε επαφή με τη σκληρή επιφάνεια του εσωτερικού τμήματος. Αυτό το γεγονός θα πρέπει να παράγει βαρυτικά κύματα τα οποία θα μπορούσαν να ανιχνευθούν. Η ακριβής υπογραφή των βαρυτικών κυμάτων από ένα σουπερνόβα είναι άγνωστη, αλλά αν το σήμα είναι πολύ αδύναμο, θα μπορούσε εύκολα να χαθεί μέσα στο θόρυβο. Έχοντας λοιπόν έναν τρόπο να καθορίσουμε τη στιγμή της αναπήδησης, θα επιτρέψει στους πειραματιστές να εστιάσουν στα σχετικά στοιχεία των ανιχνευτών.
 
Για να δούνε αν ο χρόνος της αναπήδησης θα μπορούσε να προσδιοριστεί από τα στοιχεία των νετρίνων, η Giulia Pagliaroli του Εργαστηρίου στο Gran Sasso της Ιταλίας, και οι συνάδελφοί της χρησιμοποίησαν ένα μοντέλο της εκπομπής νετρίνων το οποίο είχαν ήδη δουλέψει στην σουπερνόβα του 1987. Το μοντέλο προβλέπει πως μεταβάλλεται η εκπομπή των νετρίνων με την πάροδο του χρόνου, με βάση τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων, ποζιτρονίων, πρωτονίων, νετρονίων σε μια περιοχή γύρω από τον πυρήνα, την πηγή της έκρηξης των νετρίνων. Οι ερευνητές τις χρησιμοποίησαν για να παράγουν δεδομένα της προσομοίωσης μιας υποθετικής έκρηξης σουπερνόβα σε απόσταση 65.000 έτη φωτός μακριά.
 
Έπειτα εκτίμησαν με ανεξάρτητο τρόπο πως τα υποθετικά νετρίνα θα ανιχνεύονταν στον  μεγάλο ανιχνευτή Super-Kamiokande στην Ιαπωνία, ο οποίος περιέχει 50.000 τόνους νερού. Ο ανιχνευτής αυτός θα έβλεπε μόνο ένα μικρό κλάσμα των νετρίνων. Γι αυτό και η ομάδα της Giulia Pagliaroli παρουσίασε μια μέθοδο για την προσαρμογή των παρατηρούμενων νετρίνων, ώστε να καταλάβουν τη στιγμή – εντός περίπου 10 χιλιοστών του δευτερολέπτου – που το αστέρι θα αρχίσει να εκπέμπει νετρίνα. Στο μοντέλο του σουπερνόβα τους, η αναπήδηση, ο χρόνος των πρώτων κυμάτων βαρύτητας, εμφανίζεται περίπου 5 χιλιοστά του δευτερολέπτου πριν από την εκπομπή των νετρίνων. Έτσι, κοιτάζοντας πίσω στα δεδομένα τους, οι κυνηγοί των κυμάτων βαρύτητας πρέπει να επικεντρωθούν στην συγκεκριμένη χρονική στιγμή.