Το ελαφρύτερο σύστημα αστέρων νετρονίων επιβεβαιώνει τον Einstein

Σύνοψη

• Εντοπίστηκε το ελαφρύτερο γνωστό ζεύγος αστέρων νετρονίων με την επιστημονική ονομασία PSR J1856-0039 από το ραδιοτηλεσκόπιο FAST της Κίνας.
• Το σύστημα έχει τροχιακή περίοδο μόλις 2 ωρών και 22 λεπτών, καθιστώντας το ιδανικό εργαστήριο για τον έλεγχο ακραίων φυσικών φαινομένων.
• Οι παρατηρήσεις επαληθεύουν πλήρως τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einstein με περιθώριο σφάλματος κοντά στο 1%.
• Η ασταμάτητη συρρίκνωση της τροχιάς του ζεύγους θα οδηγήσει σε μια κατακλυσμιαία σύγκρουση έπειτα από περίπου 82 εκατομμύρια χρόνια.

Η κοσμολογική έρευνα προσφέρει συνεχώς νέες ευκαιρίες για να δοκιμαστούν τα θεμέλια της σύγχρονης φυσικής κάτω από τις πλέον ακραίες συνθήκες που μπορούν να υπάρξουν στο Σύμπαν. Μια πρόσφατη διεθνής μελέτη που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters φέρνει στο φως την ανακάλυψη του ελαφρύτερου ζεύγους αστέρων νετρονίων που έχει εντοπιστεί μέχρι σήμερα, προσφέροντας παράλληλα μια επιπλέον επιβεβαίωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. 

Τα άστρα νετρονίων αποτελούν τους πυκνότατους πυρήνες τεράστιων άστρων που ολοκλήρωσαν τον κύκλο της ζωής τους με μια θεαματική έκρηξη supernova, συμπυκνώνοντας μάζα μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου σε μια σφαίρα με διάμετρο που δεν ξεπερνά τα είκοσι χιλιόμετρα. Όταν δύο τέτοια αντικείμενα βρεθούν εγκλωβισμένα σε έναν κοινό βαρυτικό χορό, η παρατήρηση τους λειτουργεί ως ένα ασύγκριτο κοσμικό εργαστήριο που επιτρέπει στους αστρονόμους να καταγράψουν με τρομακτική ακρίβεια τις ανεπαίσθητες παραμορφώσεις του χωροχρόνου.

Τι είναι το διπλό σύστημα αστέρων νετρονίων PSR J1856-0039;

Το σύστημα PSR J1856-0039 αποτελεί το ελαφρύτερο γνωστό ζεύγος αστέρων νετρονίων στον γαλαξία, ευρισκόμενο σε απόσταση 4.200 έως 6.500 ετών φωτός από τη Γη, το οποίο παρατηρήθηκε από το ραδιοτηλεσκόπιο FAST και περιλαμβάνει ένα pulsar μάζας 1,3 ηλιακών μαζών μαζί με έναν συνοδό 1,19 ηλιακών μαζών που ολοκληρώνουν την τροχιά τους κάθε 2,36 ώρες.

Ο εντοπισμός του εξαιρετικά σπάνιου αστρικού ζεύγους πραγματοποιήθηκε αρχικά το 2020 κατά τη διάρκεια μιας εκτεταμένης σάρωσης του γαλαξιακού δίσκου από το τηλεσκόπιο FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope) της Κίνας, το οποίο αποτελεί το μεγαλύτερο ραδιοτηλεσκόπιο μονού πιάτου στον κόσμο. Ο κύριος αστέρας του συστήματος είναι ένα pulsar που περιστρέφεται γύρω από τον άξονα του περίπου 43 φορές το δευτερόλεπτο, εκπέμποντας ραδιοφωνικούς παλμούς προς το Διάστημα με τη σταθερότητα ενός εξαιρετικά ακριβούς ατομικού ρολογιού. Τα δύο άστρα χωρίζονται από μια απόσταση που ισούται με περίπου το διπλάσιο της απόστασης μεταξύ της Γης και της Σελήνης, γεγονός που καθιστά τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις τους εξαιρετικά έντονες και μετρήσιμες.

Οι αστρονόμοι γνωρίζουν ελάχιστα συστήματα με τέτοια χαρακτηριστικά, καθώς σε ολόκληρο τον Γαλαξία έχουν καταγραφεί μόλις τριάντα διπλά συστήματα αστέρων νετρονίων. Το εξαιρετικά ενδιαφέρον στοιχείο της νέας ανακάλυψης εστιάζεται στη συνολική μάζα του συστήματος, η οποία αγγίζει τα κατώτατα θεωρητικά όρια που επιτρέπουν οι προσομοιώσεις για τη δημιουργία άστρων νετρονίων μετά από εκρήξεις supernova. Ο συνοδός αστέρας με μάζα 1,19 ηλιακών μαζών καταρρίπτει τα ρεκόρ και ανοίγει νέους δρόμους για την κατανόηση των μηχανισμών κατάρρευσης των αστρικών πυρήνων.

Πώς η ανακάλυψη επιβεβαιώνει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας;

Η παρακολούθηση των ραδιοφωνικών παλμών αποκάλυψε τρία σχετικιστικά φαινόμενα που ταυτίζονται απόλυτα με τις θεωρητικές προβλέψεις, περιλαμβάνοντας τη συρρίκνωση της τροχιάς κατά 2,7 μέτρα ετησίως λόγω εκπομπής βαρυτικών κυμάτων, την ταχύτατη μεταβολή του ελλειπτικού άξονα κατά 17,6 μοίρες ανά έτος και τη μετατόπιση του χρόνου κατά μισό χιλιοστό του δευτερολέπτου.

Η ερευνητική ομάδα, βασιζόμενη σε δεκαεπτά εκτεταμένες παρατηρήσεις με το τηλεσκόπιο FAST μέσα σε διάστημα πέντε ετών, κατάφερε να καταγράψει τους ακριβείς χρόνους άφιξης των ραδιοφωνικών παλμών του pulsar. Αυτά τα δεδομένα τροφοδότησαν πολύπλοκα τροχιακά μοντέλα προκειμένου να απομονωθούν οι ανεπαίσθητες επιδράσεις της βαρύτητας στον χρόνο και τον χώρο. Η πρώτη απόδειξη υπέρ του Albert Einstein ήρθε μέσω της επιβεβαίωσης της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων, τα οποία αποσπούν ενέργεια από το σύστημα και αναγκάζουν τα δύο άστρα να πλησιάζουν μεταξύ τους σε μια αέναη, σπειροειδή πορεία θανάτου.

Παράλληλα, η ελλειπτική τροχιά του συστήματος παρουσιάζει μια μετάπτωση (στροφή της έλλειψης) που πραγματοποιείται 150.000 φορές γρηγορότερα από την αντίστοιχη σχετικιστική μετατόπιση που παρατηρείται στην τροχιά του πλανήτη Ερμή στο δικό μας ηλιακό σύστημα. Η τρίτη καθοριστική παρατήρηση σχετίζεται με τη διαστολή του χρόνου, καθώς η τεράστια βαρύτητα και οι ασύλληπτες ταχύτητες των άστρων αναγκάζουν το εσωτερικό «ρολόι» του pulsar να επιβραδύνεται ανάλογα με τη θέση του στην ελλειπτική τροχιά, επηρεάζοντας τον χρόνο άφιξης των παλμών στη Γη. Ο συνδυασμός αυτών των τριών ανεξάρτητων μετρήσεων οδήγησε τους επιστήμονες στον ακριβή υπολογισμό της μάζας των δύο αντικειμένων, διαπιστώνοντας με εκπληκτική ικανοποίηση ότι τα νούμερα ταυτίζονται απόλυτα, κλείνοντας τη θεωρητική εξίσωση με περιθώριο σφάλματος της τάξης του 1%.

Το μέλλον του συστήματος και η αναζήτηση νέας φυσικής

Τα δύο υπερπυκνά αστρικά υπολείμματα βρίσκονται σε τροχιά αναπόφευκτης σύγκρουσης η οποία υπολογίζεται ότι θα συμβεί σε 82 εκατομμύρια χρόνια από σήμερα, δημιουργώντας πιθανότατα ένα βαρύτερο άστρο νετρονίων 2,26 ηλιακών μαζών ή καταρρέοντας απευθείας στον σχηματισμό μιας νέας μαύρης τρύπας που θα εκπέμψει πανίσχυρα βαρυτικά κύματα.

Οι επιστήμονες ελπίζουν πάντα να βρουν ρωγμές στη θωράκιση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, καθώς μια τέτοια ανακάλυψη θα αποκάλυπτε άγνωστες πτυχές της φυσικής και ίσως τον πολυπόθητο συνδετικό κρίκο μεταξύ της κβαντομηχανικής και της βαρύτητας. Παρόλα αυτά, τα δεδομένα από το PSR J1856-0039 αποδεικνύουν άλλη μια φορά πως το θεωρητικό οικοδόμημα του παρελθόντος αιώνα παραμένει ακλόνητο ακόμα και στις πιο αφιλόξενες γωνιές του Σύμπαντος.

Ο επόμενος μεγάλος στόχος των αστρονόμων για το συγκεκριμένο σύστημα είναι η ανίχνευση του φαινομένου "frame dragging" (συρρίκνωση πλαισίου), το οποίο προβλέπει ότι μια περιστρεφόμενη μάζα παρασύρει και διαστρεβλώνει τον ίδιο τον χωροχρόνο γύρω της, προκαλώντας παρατηρήσιμες ταλαντώσεις σε κοντινές τροχιές. Η παρακολούθηση αυτής της διαδικασίας μέσα στις επόμενες δεκαετίες θα αποκαλύψει τη ροπή αδράνειας του pulsar, δίνοντας απαντήσεις για τη συμπεριφορά της ύλης κάτω από τις ασύλληπτες πιέσεις που επικρατούν στον πυρήνα των αστέρων νετρονίων.