«Το τραγούδι της μαύρης τρύπας»: Οι αστρονόμοι άκουσαν για πρώτη φορά τον ήχο των βαρυτικών κυμάτων

 

Οι αστρονόμοι κατάφεραν για πρώτη φορά να ακούσουν το «τραγούδι» των ισχυρών βαρυτικών κυμάτων, που δημιουργούνται από τις συγκρούσεις μεταξύ μαύρων τρυπών, να αντηχεί στο σύμπαν.

Οι παρατηρήσεις τους αποκαλύπτουν ότι τα κύματα εμφανίζονται σε διαφορετικές συχνότητες και ταλαντώνονται για δεκαετίες.

Η ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα κοσμικά φαινόμενα όπως οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, και πόσο συχνά συγχωνεύονται οι γαλαξίες.

Τα βαρυτικά κύματα, την ύπαρξη των οποίων προέβλεψε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1916, είναι κυματισμοί στο χωροχρόνο που ανιχνεύθηκαν για πρώτη φορά το 2015.

Οι αστρονόμοι βρήκαν τα κύματα παρακολουθώντας πάλσαρ, αστέρια που προκύπτουν από τα υπολείμματα πυρήνων ογκωδών αστέρων μετά την έκρηξή τους (υπερκαινοφανή ή σουπερνόβα), σε όλο τον γαλαξία μας. Τα πάλσαρ είναι σαν αστρικοί φάροι, που περιστρέφονται ταχύτατα και απελευθερώνουν με σταθερή ακρίβεια δέσμες ραδιοκυμάτων που μοιάζουν να «πάλλονται» όταν τα βλέπουμε με τηλεσκόπια από τη Γη.

Όταν τα βαρυτικά κύματα περνούν μεταξύ της Γης και ενός πάλσαρ, ο χρονισμός των ραδιοκυμάτων του πάλσαρ διαταράσσεται. Ο Αϊνστάιν είχε διατυπώσει τη θεωρία ότι τα βαρυτικά κύματα τεντώνουν και συμπιέζουν τον χώρο καθώς κινούνται στο σύμπαν, επηρεάζοντας τον τρόπο με τον οποίο ταξιδεύουν τα ραδιοκύματα. Αυτό σημαίνει ότι κάποιοι από τους παλμούς φτάνουν στη Γη ένα κλάσμα του δευτερολέπτου νωρίτερα ή αργότερα από το αναμενόμενο.

 

Καλλιτεχνική απεικόνιση των πάλσαρ που επηρεάζονται από βαρυτικούς κυματισμούς οι οποίοι παράγονται από τη συγχώνευση υπερμεγέθων μαύρων τρυπών σε έναν μακρινό γαλαξίαAurore Simonnet for the NANOGrav Collaboration

Περισσότεροι από 190 επιστήμονες ξεκίνησαν να ανακαλύψουν τις συχνότητες των βαρυτικών κυμάτων στο πλαίσιο της συνεργασίας NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves).

Παρακολούθησαν τα ραδιοκύματα από περισσότερα από 60 πάλσαρ για 15 χρόνια χρησιμοποιώντας τρία μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια: το Παρατηρητήριο Arecibo στο Πουέρτο Ρίκο (το οποίο δεν λειτουργεί πλέον), το Τηλεσκόπιο Green Bank στη Δυτική Βιρτζίνια και το Very Large Array στο Νέο Μεξικό.

Τα ευρήματά τους διατυπώνονται σε μελέτη που δημοσιεύθηκε την περασμένη Τετάρτη στην επιθεώρηση The Astrophysical Journal Letters.

Αναζητώντας μια ουράνια χορωδία

Τα πρόσφατα ανιχνευθέντα βαρυτικά κύματα είναι τα ισχυρότερα που έχουν ποτέ μετρηθεί. Προκλήθηκαν πιθανότατα από συγκρούσεις υπερμεγέθων μαύρων τρυπών και μεταφέρουν περίπου ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια σε σχέση με τα μεμονωμένα γεγονότα που ανιχνεύθηκαν τα τελευταία χρόνια και προέκυψαν από συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών ή αστέρων νετρονίων.

«Είναι σαν μια χορωδία, με όλα αυτά τα ζεύγη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών να “τραγουδούν” σε διαφορετικές συχνότητες», επισημαίνει η επιστήμονας του NANOGrav Κιάρα Μινγκαρέλι, επίκουρη καθηγήτρια φυσικής στο Πανεπιστήμιο Yale. «Ανοίξαμε ένα νέο παράθυρο παρατήρησης του σύμπαντος».

Το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων, ένα είδος κοσμικού θορύβου που μέχρι τώρα δεν είχε ανιχνευθεί, προκύπτει από βαρυτικά κύματα εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας. Καθώς οι μαύρες τρύπες συγκρούονται σε όλο το σύμπαν, όλα αυτά τα κύματα βουίζουν και συντονίζονται μαζί στο υπόβαθρο.

Τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, αλλά οι αστρονόμοι συνειδητοποίησαν ότι μια απλή άνοδος και πτώση ενός από τα κύματα θα μπορούσε να χρειαστεί χρόνια ή δεκαετίες.

«Χρησιμοποιούμε έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων στο μέγεθος του γαλαξία, που είναι φτιαγμένος από πάλσαρ», εξηγεί ο Δρ. Σκοτ Ράνσομ, αστρονόμος στο Εθνικό Παρατηρητήριο Ραδιοαστρονομίας.

«Τα προηγούμενα δεδομένα μας έλεγαν ότι ακούγαμε κάτι, αλλά δεν ξέραμε τι. Τώρα ξέρουμε ότι πρόκειται για μουσική που προέρχεται από το βαρυτικό σύμπαν. Καθώς συνεχίζουμε να ακούμε, πιθανότατα θα είμαστε σε θέση να ξεχωρίσουμε νότες από τα όργανα που παίζουν σε αυτή την κοσμική ορχήστρα», συμπληρώνει ο Ράνσομ.

«Ο συνδυασμός αυτών των αποτελεσμάτων των βαρυτικών κυμάτων με μελέτες της δομής και της εξέλιξης των γαλαξιών θα φέρει επανάσταση στην κατανόηση της ιστορίας του Σύμπαντός μας».

Κατακλυσμικές συγκρούσεις

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνες για τη δημιουργία του υποβάθρου των βαρυτικών κυμάτων. Υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες υπάρχουν στα κέντρα των περισσότερων μεγάλων γαλαξιών. Αλλά καθώς οι γαλαξίες συγχωνεύονται, τελικά οι μαύρες τρύπες τους αρχίζουν να περιφέρονται η μία γύρω από την άλλη.

Αυτά τα ογκώδη αντικείμενα, που περιέχουν δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου μας, χορεύουν μέχρι να συγκρουστούν. Όταν το κάνουν, οι κυματισμοί εξαπλώνονται από τον γαλαξία-ξενιστή και τελικά φτάνουν στον δικό μας.

 

Two Black Holes Merge into One

Υπολογίζεται ότι εκατοντάδες χιλιάδες, ή ίσως εκατομμύρια ζεύγη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών υπάρχουν σε όλο το σύμπαν.

Οι ερευνητές πάντως αναγνωρίζουν ότι δεν αποκλείεται να υπάρχουν πολλαπλές προελεύσεις για το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων, όπως ακριβώς υπάρχουν εναλλακτικές εξηγήσεις για το πώς ξεκίνησε το σύμπαν. Η ομάδα θα συνεχίσει να μελετά το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων και θα προσπαθήσει να εντοπίσει μεμονωμένες πηγές για να προσδιορίσει την προέλευσή τους.

Επιπλέον, επιστήμονες που χρησιμοποίησαν τηλεσκόπια στην Ευρώπη, την Ινδία, την Κίνα και την Αυστραλία ανέφεραν παρόμοια ευρήματα που δημοσιεύθηκαν επίσης την περασμένη Τετάρτη. Ο συνδυασμός των δεδομένων από το NANOGrav με τους διεθνείς συνεργάτες μπορεί να προσφέρει μια ευρύτερη εικόνα του υποβάθρου των βαρυτικών κυμάτων, επισημαίνουν οι ερευνητές.