Έμμεση ένδειξη ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων από υπερμαζικές μελανές οπές

Έμμεση ένδειξη ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων από υπερμαζικές μελανές οπές

Πριν από περίπου 10 χρόνια, τον Σεπτέμβριο του 2015, τα δύο παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ανίχνευσαν άμεσα για πρώτη φορά βαρυτικά κύματα. Αυτά προέρχονταν από ένα ζεύγος μελανών οπών, με μάζες περίπου 30 φορές τη μάζα του Ήλιου μας. Παρόλα αυτά, όπως έχουμε γράψει σε προηγούμενο άρθρο για το ζεύγος αστέρων νετρονίων PSR B1913+16, αυτή δεν ήταν η πρώτη φορά που τα βαρυτικά κύματα έκαναν αισθητά την παρουσία τους σε ένα αστροφυσικό σύστημα. Για την ακρίβεια, δεν ήταν ούτε η δεύτερη φορά, καθώς ακόμα ένα σύστημα – αυτή τη φορά δύο υπερμαζικών μελανών οπών (Εικόνα 1) – μαρτυρεί έμμεσα την ύπαρξη βαρυτικής ακτινοβολίας. Ας μιλήσουμε λοιπόν για το OJ 287!

Εικόνα 1: Τα μεγέθη των δύο υπαρμαζικών μελανών οπών του διπλού συστήματος OJ 287 (με μωβ χρώμα) σε σχέση με το ηλιακό μας σύστημα. Η μεγαλύτερη περιλαμβάνει τα πάντα, και έχει μέγεθος περίπου 9 φορές μεγαλύτερο από την τροχιά του Πλούτωνα, ενώ η μικρότερη έχει μέγεθος που φτάνει τη ζώνη των αστεροειδών (περίπου 6 αστρονομικές μονάδες). Image Credit: Wikipedia/NASA/JPL-Caltech.

Το σύστημα OJ 287

Το σύστημα αυτό δεν αποτελεί κάποια καινούργια ανακάλυψη. Εμφανίζεται σε φωτογραφικές πλάκες από το 1887, εμφανίζει ημι-περιοδικά εκλάμψεις που έχουν επίσης παρατηρηθεί πολλά χρόνια πριν (από το 1891), ενώ έχει παρατηρηθεί και στα ραδιοκύματα. 

Η μελέτη των απότομων αυξομειώσεων στο οπτικό επιτρέπει την εκτίμηση των μαζών των δύο σωμάτων που αποτελούν το σύστημα και εκτιμάται σε δισεκατομμύρια και εκατοντάδες εκατομμύρια ηλιακές μάζες αντίστοιχα. Πρόκειται δηλαδή για ένα σύστημα δύο υπερμαζικών μελανών οπών. Η μεγαλύτερη από τις δύο θεωρείται ότι περικυκλώνεται από έναν τεράστιο δίσκο προσαύξησης αποτελούμενο από σκόνη και αέρια (δείτε εδώ και εδώ).

Εικόνα 2: Καμπύλη φωτός του OJ 287 στο οπτικό, με τον άξονα των y να δείχνει τη φωτεινότητα της πηγής. Image Credit: Valtonen et al.

Η καμπύλη φωτός (Εικόνα 2) προβλέπει επίσης μια περιοδική τροχιά κάθε 11-12 χρόνια, με τη μικρότερη μαύρη τρύπα να μη βρίσκεται στο επίπεδο του δίσκου προσαύξησης, αλλά να εκτελεί μια ελλειπτική τροχιά με μεγάλη κλίση, περνώντας μέσα από τον δίσκο προσαύξησης! Κάθε φορά που γίνεται μια τέτοια διάβαση, η αλληλεπίδραση με τα υλικά του δίσκου οδηγεί στις εκλάμψεις που παρατηρούμε. Μάλιστα, η συνεχής παρατήρηση του συστήματος επέτρεψε την τόσο ακριβή μοντελοποίηση της τροχιάς, που οδήγησε στη σωστή πρόβλεψη των δύο πιο πρόσφατων “εκρήξεων”. Μία τον Δεκέμβριο του 2015, και η δεύτερη στις 31 Ιουλίου του 2019, η οποία προβλέφθηκε με ακρίβεια μέρας! Ένα βίντεο που δείχνει τα παραπάνω μπορείτε να βρείτε εδώ!

Όπως και στο σύστημα πάλσαρ των Hulse & Taylor, η αλλαγές στην τροχιά του συστήματος υποδεικνύουν την απώλεια ενέργειας σε βαρυτικά κύματα. Για την ακρίβεια, η περίοδος μεταξύ των εκρήξεων αναμένεται να μικραίνει κατά 20 μέρες!

Ιδανικό σύστημα για τη διαστημική αποστολή LISA

Όπως έχουμε αναφέρει σε προηγούμενο άρθρο, διαφορετικοί βαρυτικοί ανιχνευτές είναι ευαίσθητοι σε διαφορετικά εύρη συχνοτήτων. Ένα σύστημα, όπως το OJ 287, με δύο υπερμαζικές μελανές οπές θα είναι ιδανική πηγή για το διαστημόπλοιο-ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων LISA.

Με βάση υπολογισμούς που λαμβάνουν υπόψιν την τροχιά του συστήματος, την απόσταση του και τις μάζες των σωμάτων, αναμένεται ότι το πλάτος1 των βαρυτικών κυμάτων θα είναι της τάξης 10-16, με τυπικές συχνότητες τα 5-10 μHz. Θα αποτελεί λοιπόν ένα πολύ “φωτεινό” σήμα για την LISA που σε αυτές τις συχνότητες είναι ευαίσθητη σε πλάτη μεγαλύτερα από 10-23.

Αναμένεται λοιπόν, αυτή η έμμεση παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων, σε περίπου μία δεκαετία, να γίνει και άμεση ανίχνευση! Ίδωμεν!

  1. Το πλάτος h, πρόκειται για μέγεθος χωρίς διαστάσεις, καθώς υπολογίζεται σαν τον λόγο μεταξύ της μεταβολής μιας απόστασης L προς την αρχική απόσταση: h ~ ΔL/L. ↩︎
Tags: Μαύρες Τρύπες, βαρυτικά κύματα, ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων