Kilonova, το πρώτο φως

Ο τομέας της πολύ-μηνυματικής αστρονομίας γνώρισε ιδιαίτερη άνθηση με την ανίχνευση του πρώτου βαρυτικού κύματος στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, του ονομαζόμενου GW150914. Μαζί με τις συνεχόμενα αναπτυσσόμενες εγκαταστάσεις για παρατηρήσεις παροδικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, οι επιστήμονες αναζητούν συνεχώς διαφορετικά “σήματα’’ (π.χ. νετρίνα ή βαρυτικά κύματα) που να προέρχονται από την ίδια πηγή. 

Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η πρώτη ανίχνευση της kilonova μέσα από βαρυτικά κύματα, ακτίνες γάμμα αλλά και ακτινοβολία σε άλλα μήκη κύματος. 

Τι είναι όμως μία kilonova;

Ας φανταστούμε 2 αστέρια που περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο, αποτελούν δηλαδή ένα διπλό σύστημα αστέρων. Αυτό το διπλό σύστημα αστέρων μπορεί να περάσει από πολλές φάσεις στη ζωή του αλλά ας εστιάσουμε στο σενάριο όπου και τα 2 αστέρια έχουν ζήσει μια γεμάτη και πολυτάραχη ζωή και πλέον έχουν γίνει αστέρες νετρονίων*. Καθώς αυτοί οι αστέρες νετρονίων περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλον χάνουν ενέργεια με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων. Αυτά τα βαρυτικά κύματα (σε αυτό το στάδιο εξέλιξης) είναι πολύ ασθενή οπότε δεν μπορούμε να τα ανιχνεύσουμε. Λόγω της απώλειας ενέργειας, οι αστέρες νετρονίων θα περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλον σε όλο και μικρότερες τροχιές ώσπου κάποια στιγμή θα έρθουν τόσο κοντά που θα συγκρουστούν. Όταν συμβεί η συγχώνευση, ένα ισχυρό βαρυτικό κύμα απελευθερώνεται, το οποίο ταξιδεύει στον χωρόχρονο και, καθώς φτάνει στη Γη, μπορεί να καταγραφεί από τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO & VIRGO. Ένα τέτοιο φαινόμενο συνέβη στις 17 Αυγούστου 2017, το λεγόμενο βαρυτικό κύμα GW170817. Μπορείτε να ακούσετε το βαρυτικό κύμα εδώ.

1.7 δευτερόλεπτα μετά την ανίχνευση του βαρυτικού κύματος GW170817, τα τηλεσκόπια ακτίνων-γ Fermi και INTEGRAL ανίχνευσαν ακτινοβολία γάμμα από το ίδιο αντικείμενο! Οι ακτίνες γάμμα που παρατηρήθηκαν είχαν διάρκεια περίπου 2’’, που τις κατατάσσει σε ακτίνες γάμμα βραχείας διάρκειας (ή short Gamma Ray Bursts).

11 ώρες μετά, πολλά τηλεσκόπια (διαστημικά και μη) παρατήρησαν το αντικείμενο από τα ραδιοφωνικά κύματα μέχρι τις ακτίνες Χ. 

Ποιο από τα παραπάνω “σήματα” αποτελεί όμως την kilonova; Σύμφωνα με τον ορισμό, kilonova είναι μια έκρηξη τύπου supernova, που διαρκεί από μερικές μέρες μέχρι μερικές εβδομάδες και προέρχεται από την εκπομπή φωτονίων λόγω της αποσύνθεσης ραδιενεργών ισοτόπων που συντίθεται κατά τη συγχώνευση αστέρων νετρονίων. Οι προαναφερθείσες παρατηρήσεις έδειξαν ότι πρόκειται για ένα “σύννεφο” από υλικό που περιμένουμε έπειτα από συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων, δηλαδή από μία kilonova.

Το επόμενο ερώτημα που αναδύεται σε αυτό το σημείο είναι, από που ακριβώς προέρχεται η ραδιενεργή ύλη;

Κατά τη διάρκεια συγχώνευσης των δύο αστέρων νετρονίων, η ύλη που εκτοξεύεται εντάσσεται σε μια από τις 2 παρακάτω κατηγορίες 

1. Δυναμικά εκτοξευμένη μάζα. Καθώς ο ένας αστέρας νετρονίων περιστρέφεται γύρω από τον άλλον, ύλη μπορεί να εκτοξευθεί λόγω έντονων παλιρροϊκών δυνάμεων που ασκούνται από τον έναν στον άλλον. Αυτό μπορεί να συμβεί μερικά δευτερόλεπτα πριν τη σύγκρουση. Κατά τη σύγκρουση, περαιτέρω μάζα από την επιφάνεια των αστέρων νετρονίων μπορεί να  εκτιναχθεί λόγω ισχυρών ωστικών κυμάτων που δημιουργούνται. 
2. Εκροή ύλης από τον δίσκο. Όταν επιτευχθεί η συγχώνευση των δύο αστέρων νετρονίων, στο κέντρο δημιουργείται ένας υπερμεγέθης αστέρας νετρονίων** (που υπό συγκεκριμένες συνθήκες μπορεί να καταρρεύσει σε μελανή οπή), ο οποίος περιβάλλεται από ένα δίσκο ύλης που έχει απομείνει από τη συγχώνευση. Καθώς στο κέντρο έχουμε τη γέννηση ενός νέου αστέρα νετρονίων, αυτός εκπέμπει νετρίνα. Τα νετρίνα έχουν τη δυνατότητα να θερμάνουν υλικό του δίσκου και να δημιουργήσουν εκροή ύλης από την επιφάνειά του. Ο μηχανισμός θέρμανσης λόγω νετρίνων είναι ανάλογος με αυτόν που εξηγεί πολλές εκρήξεις υπερκαινοφανών. Μπορείτε να διαβάσετε το σχετικό μας άρθρο για περισσότερες λεπτομέρειες.

Η ύλη που εκτινάζεται με τον έναν ή τον άλλον τρόπο είναι αυτή στην οποία συντίθεται τα ραδιενεργά υλικά.

Πώς όλο αυτό συνθέτει τις παρατηρήσεις που θεωρούμε ως kilonova; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι λίγο πιο περίπλοκη και θα απαντηθεί στο δεύτερο μέρος αυτού του άρθρου.

* Αυτή είναι μια απλή περίπτωση δημιουργίας διπλού συστήματος αστέρων νετρονίων, υπάρχουν και άλλα θεωρητικά σενάρια. Για παράδειγμα, ένας αστέρας νετρονίων μπορεί να “παγιδεύσει” βαρυτικά έναν άλλο διερχόμενο αστέρα νετρονίων και έτσι να δημιουργηθεί το διπλό σύστημα.

** Το κεντρικό αντικείμενο μπορεί να είναι ένας υπερμαζικός αστέρας νετρονίων, μια μαύρη τρύπα ακόμη και ένα magnetar. Το ερευνητικό πεδίο αυτό είναι αναπτυσσόμενο και παραμένουν ακόμη πολλά αναπάντητα ερωτήματα.

Σημείωση: Μία kilonova μπορεί επίσης να προέλθει από τη συγχώνευση ενός αστέρα νετρονίων με μαύρη τρύπα.

Περαιτέρω διάβασμα:

1. Γιατί “χρειαζόμαστε” τα βαρυτικά κύματα;
2. Μπορούν τα βαρυτικά κύματα να μας φανερώσουν πόσο βαρείς είναι οι αστέρες νετρονίων;