Τι είναι οι συστοιχίες πάλσαρ (pulsar arrays);

Τον Ιούνιο του 2023, μια σειρά από ομάδες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων πολύ χαμηλής συχνότητας (NANOGrav, EPTA, PPTA, InPTA) ανακοίνωσαν τον εντοπισμό ισχυρών ενδείξεων για την ύπαρξη ενός υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων, που φαίνεται να προέρχεται κατά κύριο λόγο από τις συγχωνεύσεις πολύ μαζικών μελανών οπών. Για το σήμα αυτό θα μιλήσουμε πιο αναλυτικά σε άλλο άρθρο. Εδώ θα προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πως έγινε μια τέτοια μέτρηση, και τι ρόλο παίζουν οι πάλσαρ (pulsar) σε αυτή.

Οι πάλσαρ, ή αλλιώς παλλόμενες ραδιοπηγές, είναι αστέρες νετρονίων με ισχυρά μαγνητικά πεδία που περιστρέφονται με εντυπωσιακά μεγάλες ταχύτητες. Περισσότερες λεπτομέρειες γι’ αυτά τα εντυπωσιακά αστροφυσικά αντικείμενα μπορείτε να βρείτε εδώ, εδώ και εδώ. Το χαρακτηριστικό τους που μας ενδιαφέρει σε αυτή την περίπτωση είναι η εκπομπή παλμών ανά τακτά χρονικά διαστήματα, ή ανά χρονικά διαστήματα που μπορούν να προβλεφθούν με μεγάλη λεπτομέρεια. Τους παλμούς αυτούς μπορούμε να τους ανιχνεύσουμε και τα χρονικά διαστήματα μεταξύ τους να τα μετρήσουμε με τεράστια ακρίβεια. Με άλλα λόγια, οι πάλσαρ μπορούν να λειτουργήσουν σαν πολύ ακριβή αστρονομικά ρολόγια.

Η ιδιότητά τους αυτή είναι πολύ χρήσιμη για τη μελέτη τους, γιατί μας επιτρέπει να παρακολουθούμε την απόσταση μας από αυτούς. Όταν τα σήματα έρχονται γρηγορότερα ή αργότερα από το αναμενόμενο, γνωρίζουμε ότι η απόσταση αυτή έχει αλλάξει! Γιατί όμως να αλλάξει η απόσταση; Ένας βασικός λόγος είναι το πέρασμα ενός βαρυτικού κύματος (δείτε εδώ και εδώ) μεγάλου μήκους κύματος (χαμηλής συχνότητας). Μελετώντας λοιπόν με ακρίβεια τους πάλσαρ, μπορούμε να μάθουμε κάτι για τα βαρυτικά κύματα! Παρότι η βασική ιδέα είναι η παραπάνω, στην πραγματικότητα τα πράγματα είναι κάπως πιο περίπλοκα!

Αρχικά, δεν είναι όλοι οι πάλσαρ το ίδιο “βολικοί” για τη μελέτη αυτή (πολλοί παρουσιάζουν ιδιόμορφες συμπεριφορές στα σήματα που στέλνουν), οπότε σαν πρώτο βήμα οι επιστήμονες καταρτίζουν καταλόγους με πάλσαρ “καλής ποιότητας” για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Το δεύτερο βήμα αποτελεί την ακριβή μοντελοποίηση των πάλσαρ αυτών. Παρότι αυτή η “καλής ποιότητας” υποομάδα εμφανίζει πιο σταθερά σήματα, απαιτείται μια αρκετά διεξοδική διαδικασία πριν μπορέσουμε να τους εκμεταλλευτούμε για την ιδιότητα τους σαν “ρολόγια ακριβείας”. Το επόμενο βήμα συνίσταται στη συσχέτιση σημάτων από πολλούς πάλσαρ – αυτό το βήμα είναι πολύ σημαντικό, καθώς παραπάνω κάναμε μια αρκετά απλουστευτική υπόθεση: ότι το σήμα που λαμβάνουμε αλλάζει, κι άρα η απόσταση αλλάζει, λόγω της διέλευσης ενός βαρυτικού κύματος. Δυστυχώς, η φύση είναι πολύ πιο πολύπλοκη, με αποτέλεσμα οι διαφοροποιήσεις των σημάτων ενός μεμονωμένου πάλσαρ να μπορούν να οφείλονται σε άλλους παράγοντες (π.χ. σε εσωτερικές διαδικασίες στον ίδιο τον πάλσαρ, φαινόμενα που επηρεάζουν το σήμα κατά τη διαδρομή του προς τη Γη κ.α.). Παρόλα αυτά οι επιστήμονες έχουν βρει μια διέξοδο: τις συστοιχίες πάλσαρ!

Η βασική ιδέα είναι η εξής: Γενικά είναι πολύ δύσκολο να γνωρίζουμε που οφείλεται η αλλαγή του σήματος για κάθε πάλσαρ ξεχωριστά. Ωστόσο, αν παρατηρήσουμε μια συνολική αλλαγή στα σήματα πολλών πάλσαρ, αυτή έχει μεγαλύτερη πιθανότητα να οφείλεται σε έναν κοινό παράγοντα, στην προκειμένη περίπτωση σε βαρυτικά κύματα. Μάλιστα, μπορούμε να προβλέψουμε πόσο θα αλλάξει το σήμα στατιστικά σε έναν αριθμό πάλσαρ, αν αυτή η διαφοροποίηση οφείλεται σε διερχόμενα βαρυτικά κύματα (Εικόνα 1). Σαν αποτέλεσμα οι επιστήμονες μελετούν μια σειρά από πάλσαρ στο σύνολο τους, σαν συστοιχία δηλαδή, ώστε να μπορέσουν να βγάλουν ασφαλή συμπεράσματα.

Και τα αποτελέσματα είναι εντυπωσιακά! Είμαστε πλέον σε θέση να συσχετίζουμε τις αλλαγές των σημάτων από τις ομάδες πάλσαρ που παρατηρούμε, όχι απλώς με την ύπαρξη ή μη βαρυτικών κυμάτων, αλλά και με τη μελέτη των πηγών αυτών των κυμάτων! Με τον τρόπο αυτό, είναι δυνατόν να μάθουμε για τις συγχωνεύσεις γαλαξιών στο πρώιμο Σύμπαν ή/και για κοσμολογικά σενάρια που δημιουργούν τέτοια βαρυτικά κύματα, όπως για παράδειγμα ο κοσμικός πληθωρισμός!