Γιατί δεν φτάνουν τα κύματα βαρύτητας και το φως ταυτόχρονα;

Εάν οι ισχύοντες νόμοι της φυσικής μας είναι σωστοί, η ταχύτητα διάδοσης των βαρυτικών κυμάτων πρέπει να είναι ακριβώς ίση με την ταχύτητα του φωτός. Και όμως, όταν είδαμε την πρώτη συγχώνευση δύο άστρων νετρονίων στις 17 Αυγούστου 2017, τόσο με τα βαρυτικά κύματα όσο και με το φως (από ένα συμβάν 130 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας), τα κύματα βαρύτητας έφτασαν εδώ πρώτα σχεδόν 2 δευτερόλεπτα πιο νωρίς. Ποια είναι η εξήγηση;

Όταν δύο αστέρια νετρονίων συγχωνεύονται, παράγουν πάντα ένα σήμα κύματος βαρύτητας. Ωστόσο, εξαρτάται από μια ποικιλία παραγόντων, με τη μάζα να είναι ιδιαίτερα σημαντική, αυτές οι συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων να μπορούν ή όχι να παράγουν επίσης ηλεκτρομαγνητικό σήμα. Όταν το κάνουν, δεν φτάνει ταυτόχρονα με τα βαρυτικά κύματα, αλλά λίγο αργότερα.

Από κάπου μέσα στον μακρινό γαλαξία NGC 4993, δύο αστέρια νετρονίων είχαν κλειδωθεί σε έναν βαρυτικό χορό όπου περιστρέφονταν μαζί με ταχύτητες που έφτασαν σε ένα σημαντικό κλάσμα της ταχύτητας του φωτός. Καθώς περιστρέφονταν σε τροχιά το ένα ως προς το άλλο, παραμόρφωσαν τον ιστό του χώρου λόγω της μάζας τους και της κίνησής τους σε σχέση με τον καμπύλο χώρο μέσω του οποίου ταξίδεψαν.

 

Κάθε φορά που οι μάζες επιταχύνονται  μέσω καμπύλου χώρου, εκπέμπουν μικρές ποσότητες αόρατης ακτινοβολίας που δεν είναι ορατές σε όλα τα τηλεσκόπια: βαρυτική, παρά ηλεκτρομαγνητική, ακτινοβολία. Αυτά τα βαρυτικά κύματα συμπεριφέρονται ως κυματισμοί στον ιστό του χωροχρόνου, μεταφέροντας ενέργεια μακριά από το σύστημα και αναγκάζοντας  την αμοιβαία τροχιά τους να αποσυντεθεί. Σε μια κρίσιμη στιγμή, αυτά τα δύο αστρικά απομεινάρια περιστράφηκαν τόσο κοντά το ένα στο άλλο που ήρθαν σε επαφή, και αυτό που ακολούθησε ήταν μια από τις πιο θεαματικές επιστημονικές ανακαλύψεις όλων των εποχών.

Η συγχώνευση δύο αστεριών νετρονίων δείχνει πώς τόσο το πλάτος όσο και η συχνότητα των βαρυτικών κυμάτων αυξάνονται καθώς η συγχώνευση πλησιάζει συνεχώς. Κατά την κρίσιμη στιγμή της συγχώνευσης, το σήμα αυξάνεται και μετά εξαφανίζεται πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων καθώς σχηματίζεται μια μαύρη τρύπα. Οπτικό και άλλο ηλεκτρομαγνητικό φως ενδέχεται να εκπέμπεται ή όχι ως μέρος αυτής της διαδικασίας.

 

Μόλις αυτά τα δύο αστέρια συγκρούστηκαν, το σήμα του κύματος βαρύτητας έληξε απότομα. Όλα όσα είδαν οι ανιχνευτές LIGO και VIRGΙN ήταν από τη πρώτη φάση, ακολουθούμενη από απόλυτη σιωπή του κύματος βαρύτητας. Σύμφωνα με τα καλύτερα θεωρητικά μοντέλα μας, αυτό το σήμα ερχόταν από δύο αστέρια νετρονίων που πλησίασαν και συγχωνεύθηκαν, που πιθανόν να έχουν ως αποτέλεσμα ένα αξιοσημείωτο τελικό αποτέλεσμα: το σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας.

 

Αλλά τότε συνέβη ένα παράξενο γεγονός, 1,7 δευτερόλεπτα αργότερα, μετά τη διακοπή του σήματος του κύματος βαρύτητας, έφτασε το πρώτο ηλεκτρομαγνητικό (φως) σήμα: ακτίνες γάμμα, οι οποίες ήρθαν με μια τεράστια έκρηξη. Από τον συνδυασμό βαρυτικών κυμάτων και ηλεκτρομαγνητικών δεδομένων, καταφέραμε να εντοπίσουμε την τοποθεσία αυτού του συμβάντος καλύτερα από οποιοδήποτε συμβάν κύματος βαρύτητας ποτέ: στον συγκεκριμένο γαλαξία που φιλοξενούσε τα δύο άστρα, στον NGC 4993.

 

Τις επόμενες εβδομάδες, το φως άρχισε να φτάνει και σε άλλα μήκη κύματος, καθώς σχεδόν 100 επαγγελματικά παρατηρητήρια παρακολούθησαν τη θεαματική μεταλαμπή αυτής της συγχώνευσης άστρων νετρονίων.

 

Από τη μία πλευρά, αυτό είναι αξιοσημείωτο. Είχαμε ένα συμβάν περίπου 130 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά: αρκετά μακριά που το φως χρειάστηκε 130 εκατομμύρια χρόνια για να ταξιδέψει από τον γαλαξία όπου εμφανίστηκε στα μάτια μας. Όταν έγινε η συγχώνευση, ο πλανήτης Γη ήταν ένα πολύ διαφορετικό μέρος. Τα φτερωτά πουλιά υπήρχαν μόνο για 20 εκατομμύρια χρόνια. τα θηλαστικά με πλακούντα για 10 εκατομμύρια. Τα πρώτα ανθοφόρα φυτά μόλις άρχισαν να εμφανίζονται, και οι μεγαλύτεροι δεινόσαυροι θα ήταν ακόμη για 70 εκατομμύρια χρόνια πάνω στη Γη.

 

Για όλο αυτό το διάστημα, από τότε μέχρι σήμερα, τόσο το φως όσο και τα βαρυτικά κύματα από αυτό το συμβάν ταξίδευαν στο Σύμπαν, ταξιδεύοντας με τη μόνη ταχύτητα που μπορούσαν – την ταχύτητα του φωτός και την ταχύτητα της βαρύτητας, αντίστοιχα – έως ότου έφτασαν στη Γη μετά από ένα ταξίδι 130 εκατομμυρίων ετών. Πρώτα έφτασαν τα βαρυτικά κύματα από τη φάση της σύγκρουσης μετακινώντας τα κάτοπτρα στους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων σε μία απίστευτα μικρή ποσότητα: λιγότερο από το 1/10.000 του μεγέθους ενός μεμονωμένου πρωτονίου. Και μετά, μόλις 1,7 δευτερόλεπτα μετά το τέλος του κύματος βαρύτητας, έφτασε και το πρώτο φως από το συμβάν.

 

Αμέσως, αυτό μας έδωσε την πιο εντυπωσιακή φυσική μέτρηση της ταχύτητας της βαρύτητας ποτέ: ήταν ίση με την ταχύτητα του φωτός με μία ισοδυναμία συγκριτικά 1 μέρος προς ένα τετραδισεκατομμύριο (10¹⁵ ), καθώς χρειάζονται περίπου τέσσερα τετρα δισεκατομμύρια δευτερόλεπτα για να καλύψουν τα 130 εκατομμύρια χρόνια, και έφτασαν λιγότερο από δύο δευτερόλεπτα το ένα από το άλλο. Πριν από αυτό, είχαμε εξαιρετικούς θεωρητικούς λόγους για να γνωρίζουμε ότι η ταχύτητα της βαρύτητας πρέπει να ισούται με την ταχύτητα του φωτός, αλλά είχαμε μόνο έμμεσους περιορισμούς ότι οι δύο ταχύτητες ήταν ισοδύναμες με 0,2% περίπου.

 

Αυτό σημαίνει ότι τότε η ταχύτητα της βαρύτητας και η ταχύτητα του φωτός δεν είναι αρκετά ίσες; Ότι ίσως είτε η βαρύτητα κινείται ελαφρώς γρηγορότερα από το c, την ταχύτητα του φωτός στο κενό, ή ότι το ίδιο το φως μπορεί στην πραγματικότητα να ταξιδέψει λίγο πιο αργά από το c, σαν να είχε μια μικρή αλλά μηδενική μάζα ηρεμίας σε αυτό; Αυτό θα ήταν μια εξαιρετική αποκάλυψη, αλλά είναι πολύ απίθανο. Εάν αυτό ήταν αλήθεια, το φως διαφορετικών ενεργειών (και τα μήκη κύματος) θα ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες, και είναι πολύ δύσκολο να το υποθέσουμε για να είναι αληθινό σενάριο σύμφωνα με τις παρατηρήσεις.

 

Με πιο απλούς όρους, εάν το φως είχε μάζα μηδενικής ηρεμίας και αυτή η μάζα ήταν αρκετά βαριά για να εξηγήσει γιατί τα βαρυτικά κύματα έφτασαν 1,7 δευτερόλεπτα νωρίτερα από το φως μετά από ταξίδι 130 εκατομμυρίων ετών φωτός στο Σύμπαν, τότε θα παρατηρούσαμε ραδιοκύματα να ταξιδεύουν σημαντικά πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός: πολύ αργά για να συμβαδίζει με αυτό που έχουμε ήδη παρατηρήσει.

 

Στη φυσική, δεν έχουμε κανένα πρόβλημα λαμβάνοντας υπόψη όλες τις πιθανές εξηγήσεις σε ένα παρατηρούμενο παζλ να σκεφθούμε τα πάντα. Εάν κάνουμε τις δουλειές μας σωστά, κάθε εξήγηση εκτός από μία θα είναι λανθασμένη. Η πρόκληση είναι να βρείτε το σωστό.

 

Και πιστεύουμε ότι την έχουμε τη σωστή απάντηση! Το κλειδί είναι να σκεφτούμε τα αντικείμενα που συγχωνεύονται μαζί, τη φυσική στο παιχνίδι και ποια σήματα είναι πιθανό να παράγουν. Το έχουμε ήδη κάνει για τα βαρυτικά κύματα, αναλύοντας πώς παράγονται κατά τη φάση της συγχώνευσης και σταματούν μόλις πραγματοποιηθεί η συγχώνευση. Τώρα, ήρθε η ώρα να πάμε λίγο πιο βαθιά και να σκεφτούμε το φως.

 

Μέχρι να έρθουν σε επαφή αυτά τα δύο αστέρια νετρονίων, δεν παρήχθη «έξτρα» φως. Απλώς έλαμψαν όπως κάνουν τα αστέρια νετρονίων:  αχνά, σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά με μικροσκοπικές επιφάνειες, και εντελώς ανιχνεύσιμα με την τρέχουσα τεχνολογία μας από 130 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Τα αστέρια νετρονίων δεν είναι σαν μαύρες τρύπες. δεν μοιάζουν με σημεία. Αντιθέτως, είναι συμπαγή αντικείμενα – συνήθως κάπου μεταξύ 20 και 40 χιλιομέτρων – αλλά πυκνότερα από έναν ατομικό πυρήνα. Ονομάζονται αστέρια νετρονίων επειδή είναι περίπου 90% νετρόνια, μαζί με λίγους ατομικούς πυρήνες και μερικά ηλεκτρόνια στο εξωτερικό άκρο.

 

Όταν δύο αστέρια νετρονίων συγκρούονται, υπάρχουν τρεις πιθανότητες που μπορούν να προκύψουν. Αυτοί είναι:

1. Μπορεί να σχηματιστεί ένα άλλο αστέρι νετρονίων, το οποίο θα γίνει αν η συνολική μάζα είναι μικρότερη από 2,5 φορές τη μάζα του Ήλιου,
2. μπορεί να σχηματιστεί ένα νέο αστέρι νετρονίων για λίγο, το οποίο στη συνέχεια καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, εάν η συνολική σας μάζα είναι μεταξύ 2,5 και 2,8 ηλιακών μαζών (εξαρτάται από την περιστροφή του αστεριού νετρονίων),
3. ή μπορεί να σχηματιστεί απευθείας μια μαύρη τρύπα, χωρίς ενδιάμεσο αστέρι νετρονίων, εάν η συνολική σας μάζα είναι μεγαλύτερη από 2,8 ηλιακές μάζες.

Από το σήμα του βαρυτικού κύματος που προέκυψε από αυτό το συμβάν, που επίσημα είναι γνωστό ως GW170817, γνωρίζουμε ότι αυτό το συμβάν εμπίπτει στη δεύτερη κατηγορία: το σήμα της συγχώνευσης και μετά τη συγχώνευση υπήρχε για μερικές εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου πριν εξαφανιστεί εντελώς σε μια στιγμή, πράγμα που δείχνει ότι ένα αστέρι νετρονίων σχηματίστηκε για λίγο πριν από τον σχηματισμό ενός ορίζοντα γεγονότων και μιας μαύρης τρύπας.

 

Αλλά παρ ‘όλα αυτά, το φως βγήκε ακόμα. Η επόμενη ερώτηση ήταν, απλά, πώς;

 

Πώς δημιουργήθηκε το φως που παρατηρήσαμε; Και πάλι, υπήρχαν τρεις δυνατότητες που θα μπορούσαμε να σκεφτούμε.

1. Αμέσως, μόλις έρθουν σε επαφή τα αστέρια νετρονίων, μέσω διαδικασιών που συμβαίνουν στις επιφάνειές τους.
2. Μόνο μετά την εξαγωγή κάποιου υλικού, όπου αυτό συγκρούεται με οποιοδήποτε περιβάλλον υλικό και παράγει φως από αυτό.
3. Ή από το εσωτερικό των αστεριών νετρονίων, όπου οι αντιδράσεις παράγουν ενέργεια που εκπέμπεται μόνο όταν εξαπλώνεται στο εξωτερικό.

Σε κάθε σενάριο, τα κύματα βαρύτητας ταξιδεύουν ασταμάτητα μόλις δημιουργηθεί το σήμα, αλλά το φως χρειάζεται επιπλέον χρόνο για να βγεί.

 

Στις τελευταίες στιγμές της συγχώνευσης, δύο αστέρια νετρονίων δεν εκπέμπουν απλώς βαρυτικά κύματα, αλλά γίνεται μια καταστροφική έκρηξη που αντηχεί σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Η διαφορά ώρας άφιξης μεταξύ φωτός και βαρυτικών κυμάτων μας επιτρέπει να μάθουμε πολλά για το Σύμπαν

 

Εάν είναι σωστή η πρώτη επιλογή και τα αστέρια νετρονίων παράγουν φως μόλις έρθουν σε επαφή, το φως εκπέμπεται αμέσως και ως εκ τούτου πρέπει να καθυστερήσει περνώντας από το περιβάλλον που περιβάλλει το αστέρι νετρονίων. Αυτό το περιβάλλον πρέπει να είναι πλούσιο σε ύλη, καθώς κάθε αστέρι νετρονίων που κινείται γρήγορα, με φορτισμένα σωματίδια στις επιφάνειές τους και έντονα μαγνητικά πεδία, είναι υποχρεωμένο να αφαιρεί και να εξάγει υλικό από το άλλο.

 

Εάν είναι η δεύτερη ή η τρίτη επιλογή σωστή, η συγχώνευση των άστρων νετρονίων δημιουργεί φως από τις συγχωνεύσεις τους, αλλά αυτό το φως εκπέμπεται μόνο αφού περάσει ένα ορισμένο χρονικό διάστημα: είτε το εξερχόμενο υλικό να συγκρουστεί με το περιβάλλον υλικό είτε για το φως που παράγεται στο άστρο νετρονίων εσωτερικά να φτάσει στην επιφάνεια. Είναι επίσης πιθανό, σε οποιαδήποτε από αυτές τις περιπτώσεις, να γίνεται τόσο μια «καθυστερημένη εκπομπή» όσο και μια «αργή άφιξη από το περιβάλλον υλικό».

 

Οποιοδήποτε από αυτά τα σενάρια θα μπορούσε εύκολα να εξηγήσει την καθυστέρηση 1,7 δευτερολέπτων της άφιξης του φωτός σε σχέση με τα κύματα βαρύτητας. Αλλά στις 25 Απριλίου 2019, είδαμε μια άλλη συγχώνευση δύο άλλων άστρων νετρονίων με βαρυτικά κύματα, η οποία ήταν πιο μαζική από το πρώτο γεγονός GW170817. Δεν εκπέμφθηκε φως οποιουδήποτε τύπου, απογοητεύοντας το πρώτο σενάριο. Φαίνεται ότι τα αστέρια νετρονίων δεν παράγουν φως μόλις έρθουν σε επαφή. Αντ ‘αυτού, η εκπομπή φωτός έρχεται μετά την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων.

 

Με μόνο δύο άμεσες ανιχνεύσεις συγχώνευσης αστεριών νετρονίων μέσω της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων, αποτελεί απόδειξη για το πόσο απίστευτα ακριβής έχει γίνει η επιστήμη της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων που μπορούμε να ανακατασκευάσουμε ό, τι έχουμε γνωρίσει. Όταν προσθέτετε τις ηλεκτρομαγνητικές παρατηρήσεις παρακολούθησης από το συμβάν του 2017 που παρήγαγαν επίσης φως, έχουμε δείξει οριστικά ότι ένα μεγάλο κλάσμα των στοιχείων στο Σύμπαν μας – συμπεριλαμβανομένου του χρυσού, της πλατίνας, του ιωδίου και του ουρανίου – προκύπτει από αυτές τις συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων.

 

Αλλά όχι, ίσως, από όλες τις συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων. Ίσως είναι μόνο αυτά που δεν σχηματίζουν αμέσως μια μαύρη τρύπα. Απαιτείται είτε κάποιο εκτοξευμένο υλικό είτε αντιδράσεις στο εσωτερικό του αστεριού νετρονίων για την παραγωγή αυτών των στοιχείων και, ως εκ τούτου, του φωτός που σχετίζεται με μια έκρηξη kilonova. Αυτό το φως παράγεται μόνο μετά τη λήξη του σήματος του κύματος βαρύτητας και μπορεί περαιτέρω να καθυστερήσει με το να περάσει από το περιβάλλον υλικό των άστρων. Αυτός είναι ο λόγος, παρόλο που το φως και η βαρύτητα ταξιδεύουν ακριβώς με την ταχύτητα του φωτός στο κενό, το φως που είδαμε δεν έφτασε μέχρι σχεδόν 2 δευτερόλεπτα μετά τη διακοπή του σήματος κύματος βαρύτητας. Καθώς συλλέγουμε και παρατηρούμε περισσότερα από αυτά τα γεγονότα, θα είμαστε σε θέση να επιβεβαιώσουμε και να βελτιώσουμε αυτήν την εικόνα μια για πάντα!