Η πρώτη έμμεση ένδειξη ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων με τη βοήθεια ενός πάλσαρ

Οι πάλσαρ, ή αλλιώς οι ιδιοπεριστρεφόμενοι, μαγνητισμένοι, αστέρες νετρονίων, αποτελούν μερικά από τα πιο εντυπωσιακά αντικείμενα στο Σύμπαν. Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά τους είναι η εκπομπή εντοπισμένης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, σε μορφή στενών πιδάκων, όπως ένας φάρος (Εικόνα 1).

Οι πίδακες αυτοί, όταν κατευθύνονται προς τη Γη, επιτρέπουν τον εντοπισμό των πάλσαρ, αλλά και τη λεπτομερή μελέτη της ιδιοπεριστροφής τους. Σαν αποτέλεσμα, οι αστρονόμοι έχουν βρει ότι η μεγάλη πλειοψηφία τους, έχει πολύ ακριβείς περιόδους, δηλαδή η συχνότητα ιδιοπεριστροφής τους παραμένει σχεδόν σταθερή! Η ιδιότητα αυτή είναι πολύ χρήσιμη, όταν θέλουμε να παρακολουθήσουμε με ακρίβεια τη θέση των πάλσαρ, κάτι που θα αποδειχτεί πολύ σημαντικό για το σύστημα PSR B1913+16*.

Τι είναι το PSR B1913+16; Πρόκειται για ένα διπλό σύστημα αστέρων νετρονίων και το πρώτο που παρατηρήθηκε ποτέ. Με άλλα λόγια, έχουμε δύο άστρα νετρονίων**, το ένα εκ των οποίων πάλσαρ, που περιστρέφονται γύρω από το κοινό κέντρο μάζας τους, σε ελλειπτική τροχιά (Εικόνα 2). Ανακαλύφτηκε το 1974 από τους Ράσελ Χαλς (Russell Hulse) και Τζόζεφ Τέιλορ (Joseph Taylor) καθώς μελετούσαν δεδομένα από το ραδιοτηλεσκόπιο Arecibo. Η ανακάλυψη αυτή οδήγησε στο πρώτο τεστ της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) του Αϊνστάιν, δηλαδή της επικρατούσας θεωρίας για τη βαρύτητα, σε ένα περιβάλλον σχετικά ισχυρών βαρυτικών πεδίων. Η ανακάλυψη, και η μετέπειτα ανάλυση, της πηγής αυτής τους χάρισε το Νόμπελ Φυσικής το 1993.

Ποιος είναι όμως ο έλεγχος που πέρασε η ΓΘΣ; Η πρόβλεψη εκπομπής ακτινοβολίας βαρυτικών κυμάτων από ένα διπλό σύστημα. Οι αστρονόμοι παρατηρώντας προσεκτικά το σύστημα για χρόνια κατάφεραν να μετρήσουν την αλλαγή της περιόδου περιστροφής του. Αρχικά, η περίοδος του συστήματος γύρω από το κέντρο μάζας του υπολογίστηκε ότι ήταν περίπου 8 ώρες, αλλά όσο περνούσαν τα χρόνια, αυτή μειωνόταν. Με άλλα λόγια, τα δύο σώματα πλησίαζαν μεταξύ τους και περιστρέφονταν το ένα γύρω από το άλλο όλο και πιο γρήγορα!

Ο μηχανισμός που οδηγούσε σε αυτή τη συρρίκνωση της τροχιάς τελικά αποδόθηκε σε εκπομπή βαρυτικών κυμάτων από το σύστημα (Εικόνα 2). Μάλιστα, η ΓΘΣ μπορούσε να προβλέψει συγκεκριμένα πόση ακτινοβολία αναμενόταν, και σαν αποτέλεσμα πόσο γρήγορα θα άλλαζε η τροχιά του συστήματος. Η σύγκριση μεταξύ των παρατηρησιακών μετρήσεων και των θεωρητικών υπολογισμών φαίνεται στην Εικόνα 3, προσφέροντας την πρώτη ξεκάθαρη ένδειξη για την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων και ακόμα μια επιτυχία για τη θεωρία του Αϊνστάιν.

Έχει ενδιαφέρον να σημειώσουμε ότι η ισχύς που εκπέμπεται υπό τη μορφή βαρυτικών κυμάτων από το συγκεκριμένο σύστημα, παρότι πολύ ασθενής για να παρατηρηθεί με τους σύγχρονους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, είναι αρκετά ισχυρή για να ανάψει πολλά εκατομμύρια λάμπες καθημερινής χρήσης (περίπου 10²⁴ Watt). Σε σχέση με την τροχιά, αυτό μεταφράζεται σε συρρίκνωσή της κατά περίπου μόλις 4 μέτρα το χρόνο. Τιμή που κάνει ακόμα πιο εντυπωσιακό το κατόρθωμα των αστρονόμων να μελετήσουν το σύστημα αυτό με τέτοια ακρίβεια.

Όπως γίνεται αντιληπτό από τη συνεχή συρρίκνωση της τροχιάς του, το σύστημα αυτό θα οδηγηθεί σε συγχώνευση, αλλά τα βαρυτικά κύματα που θα εκπέμψει, θα μπορέσουν – πιθανότατα –  να τα παρατηρήσουν οι πολύ μακρινοί μας απόγονοι, αφού η σύγκρουση αναμένεται να λάβει χώρα μετά από περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια!

* Οι πάλσαρ ονομάζονται σαν Pulsating Source of Radio (PSR) – Παλλόμενη Πηγή Ραδιοκυμάτων, και στη συνέχεια δίνονται οι συντεταγμένες της πηγής στη μορφή “ορθή αναφορά” + “απόκλιση”.

** Να σημειώσουμε ότι όλα τα πάλσαρ είναι αστέρες νετρονίων, αλλά δεν είναι όλοι οι αστέρες νετρονίων πάλσαρ, καθώς δεν εμφανίζουν ορατούς πίδακες.

Περαιτέρω διάβασμα:

1. Γιατί “χρειαζόμαστε” τα βαρυτικά κύματα;
2. Σύνοψη των παρατηρήσεων των Hulse & Taylor (στα αγγλικά)