Εξετάζοντας συστηματικά την δυναμική του πάλσαρ Καρκίνου και των κυμάτων βαρύτητας

Πηγή: ScienceDaily, 3 Ιουνίου 2008

Η αναζήτηση των κυμάτων βαρύτητας έχει αποκαλύψει νέες πληροφορίες για τον πυρήνα ενός από τα διασημότερα αντικείμενα στον ουρανό: το πάλσαρ του Καρκίνου στο νεφέλωμα του Καρκίνου (Crab Nebula). Μια ανάλυση από τη διεθνή επιστημονική συνεργασία LIGO (παρατηρητήριο κυμάτων βαρύτητας με συμβολόμετρο λέιζερ), που έχει δημοσιευτεί στο Astrophysical Journal Letters, έχει δείξει ότι όχι πάνω από το 4% της απώλειας ενέργειας του συγκεκριμένου πάλσαρ προκαλούνται από την εκπομπή των κυμάτων βαρύτητας.

Η αναζήτηση των κυμάτων βαρύτητας έχει αποκαλύψει νέες πληροφορίες για τον πυρήνα του διάσημου πάλσαρ στο νεφέλωμα του Καρκίνου

Το Νεφέλωμα του Καρκίνου, που βρίσκεται σε απόσταση 6.500 έτη φωτός μακριά στον αστερισμό του Ταύρου, σχηματίστηκε με μια θεαματική έκρηξη σουπερνόβα το 1054. Σύμφωνα με τις αρχαίες πηγές, συμπεριλαμβανομένων και κινεζικών κειμένων που αναφέρθηκαν σε αυτήν ως "αστέρι επισκέπτης", η έκρηξη ήταν ορατή στο φως της ημέρας για πάνω από τρεις εβδομάδες, και μπορεί να ήταν για λίγο φωτεινότερη από το γεμάτο φεγγάρι. Στην καρδιά του νεφελώματος παραμένει ένα απίστευτα γρήγορα περιστρεφόμενο αστέρι νετρονίων, που σαρώνει τη Γη με δύο στενές ραδιοακτίνες κάθε φορά που στρέφεται προς αυτήν. Οι ραδιοπαλμοί σαν τις ακτίνες του φάρου έχουν δώσει στο αστέρι το όνομα "πάλσαρ."

"Το πάλσαρ του Καρκίνου περιστρέφεται με ένα ρυθμό 30 φορές ανά δευτερόλεπτο. Εντούτοις, ο ρυθμός περιστροφής του μειώνεται γρήγορα σχετικά με τα περισσότερα πάλσαρ, δείχνοντας έτσι ότι ακτινοβολεί την ενέργεια του με ένα καταπληκτικό ρυθμό, "λέει ο Graham Woan του πανεπιστημίου της Γλασκώβης, επικεφαλής της επιστημονικής ομάδας που χρησιμοποίησε τα στοιχεία του LIGO για να αναλύσει το πάλσαρ του Καρκίνου, μαζί με τον Michael Landry του παρατηρητήριου LIGO στο Hanford.

Τα πάλσαρ είναι σχεδόν τέλειες σφαίρες φτιαγμένες μόνο από νετρόνια και περιέχουν περισσότερη μάζα από τον ήλιο μέσα σε ένα χώρο ακτίνας μόνο 10 χιλιομέτρων. Οι φυσικοί μηχανισμοί για την ενεργειακή απώλεια και το συνοδευτικό φρενάρισμα του ρυθμού περιστροφής του πάλσαρ, έχουν από καιρό υποτεθεί πως πρόκειται είτε για ασυμμετρική εκπομπή σωματιδίων, είτε για μαγνητική ακτινοβολία διπόλου, είτε τέλος για εκπομπή κυμάτων βαρύτητας.

Τα κύματα βαρύτητας είναι κυματισμοί στον χωροχρονικό ιστό και είναι μια σημαντική συνέπεια της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Einstein. Ένα τέλεια ομαλό αστέρι νετρονίων δεν θα παραγάγει κύματα βαρύτητας καθώς περιστρέφετα, αλλά η κατάσταση αλλάζει εάν η μορφή του είναι διαστρεβλωμένη. Τα κύματα βαρύτητας θα ήταν ανιχνεύσιμα ακόμα κι αν το αστέρι ήταν παραμορφωμένο κατά μερικά μέτρα, που θα μπορούσαν να προκύψουν επειδή ο ημισταθερός φλοιός του τεντώνεται ή επειδή το τεράστιο μαγνητικό πεδίο του τον διαστρεβλώνει.

"Το αστέρι νετρονίων του Καρκίνου είναι σχετικά νέο και επομένως αναμένουμε να είναι λιγότερο συμμετρικό από τα περισσότερα, που σημαίνει ότι αυτό θα μπορούσε να παραγάγει περισσότερα κύματα βαρύτητας," λέει ο Graham Woan.

Το σενάριο ότι τα κύματα βαρύτητας φρενάρουν σημαντικά την περιστροφή του πάλσαρ του Καρκίνου έχει ανασκευαστεί από τη νέα ανάλυση.

Το παρατηρητήριο κυμάτων βαρύτητας με συμβολόμετρο λέιζερ LIGO στο Hanford της Ουάσιγκτον περιέχει δύο ανιχνευτές μήκους 2 χλμ και 4 χλμ. Ξεκίνησαν να φτιάχνονται το 1996 και τελείωσαν το 2000.

Με την χρήση δημοσιευμένων στοιχείων συγχρονισμού για το ρυθμό περιστροφής του πάλσαρ από το παρατηρητήριο Jodrell Bank, οι επιστήμονες του LIGO έλεγξαν το άστρο νετρονίων από το Νοέμβριο του 2005 μέχρι τον Αύγουστο του 2006. Έψαξαν λοιπόν για ένα σύγχρονο σήμα κυμάτων βαρύτητας χρησιμοποιώντας δεδομένα από τα τρία συμβολόμετρα του LIGO, τα οποία συνδυάστηκαν για να δημιουργήσουν έναν ενιαίο, ιδιαίτερα ευαίσθητο ανιχνευτή.

Η ανάλυση αυτή όμως δεν αποκάλυψε κανένα σημάδι των κυμάτων βαρύτητας. Λένε όμως οι επιστήμονες ότι αυτό το αποτέλεσμα είναι εξ ίσου σημαντικό επειδή παρέχει πληροφορίες για το πάλσαρ και τη δομή του.

"Μπορούμε τώρα να πούμε κάτι συγκεκριμένο για το ρόλο των κυμάτων βαρύτητας στη δυναμική του πάλσαρ του Καρκίνου βασισμένο στις παρατηρήσεις μας," λέει ο  David Reitze, καθηγητής της φυσικής στο πανεπιστήμιο της Φλόριδας και εκπρόσωπος του LIGO. "Είναι η πρώτη φορά που αυτό το αποτέλεσμα είναι ένα σημαντικό σημείο για το LIGO."

Ο Michael Landry προσθέτει, "τα αποτελέσματα αυτά υπονοούν έντονα ότι λιγότερο από το 4% της ενεργειακής απώλειας του πάλσαρ οφείλονται στην βαρυτική ακτινοβολία. Το υπόλοιπο της απώλειας πρέπει να οφείλεται σε άλλους μηχανισμούς, όπως ένας συνδυασμός ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που παράγεται από το μαγνητικό πεδίο του ταχύτατου πάλσαρ και την εκπομπή υψηλής ταχύτητας σωματιδίων στο νεφέλωμα."

"Το παρατηρητήριο κυμάτων βαρύτητας LIGO έχει εξελιχθεί τα τελευταία χρόνια και μπορεί να παραγάγει επιστημονικά αποτελέσματα ουσιαστικής σημασίας," λέει ο Jay Marx του Τεχνολογικού Ίδρύματος της Καλιφόρνιας και εκτελεστικός διευθυντής του LIGO. "Το όριο για την εκπομπή των κυμάτων βαρύτητας στο πάλσαρ του Καρκίνου είναι μόνο ένα από τα πολλά σημαντικά αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν από την πρόσφατη διετή περίοδο παρατηρήσεων του LIGO. Αυτά τα αποτελέσματα είναι τα αρχικά. Θα ακολουθήσουν κάποια θεαματικά που θα προέλθουν από το LIGO κατά τα ερχόμενα χρόνια."

"Τα αστέρια νετρονίων είναι πολύ καυτά όταν σχηματίζονται με μια υπερκαινοφανή έκρηξη, όμως έπειτα ψύχονται γρήγορα και σχηματίζουν ένα ημισταθερό φλοιό. Η παρατήρησή μας ενός σχετικά νέου άστρου νετρονίων, όπως είναι ο Καρκίνος, είναι σημαντική επειδή δείχνει ότι αυτός ο φλοιός, εάν είχε ανωμαλίες όταν πρωτοπάγωσε, έχει γίνει ήδη αρκετά ομαλό," εξηγεί ο Bernard Schutz, διευθυντής του Ινστιτούτου Αλβέρτου Αϊνστάιν στη Γερμανία.

Ο ραδιοαστρονόμος Joseph Taylor, που κέρδισε Νόμπελ, καθηγητής της φυσικής στο πανεπιστήμιο του Princeton, λέει, "ο κόσμος της φυσικής περιμένει ανυπόμονα τα επιστημονικά αποτελέσματα από το LIGO. Είναι συναρπαστικό ότι τώρα ξέρουμε κάτι συγκεκριμένο για το πόσο σχεδόν σφαιρικό πρέπει να είναι ένα αστέρι νετρονίων, και έχουμε καθορισμένα όρια με βάση το εσωτερικό μαγνητικό πεδίο του."

Το πρόγραμμα LIGO σχεδιάστηκε με σκοπό την ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας, και για την ανάπτυξη των παρατηρήσεων κυμάτων βαρύτητας ως αστρονομικό εργαλείο.

Η έρευνα διεξάγεται από 600 επιστήμονες σε 12 συνολικά χώρες. Το επιστημονικό αυτό δίκτυο περιλαμβάνει τα συμβολόμετρα LIGO (δύο ανιχνευτές μήκους 2 χλμ και 4 χλμ στο Hanford της Ουάσιγκτον, και ένα όργανο μήκους 4 χλμ στο Livingston της Λουιζιάνα) και το συμβολόμετρο GEO600, τοποθετημένο στο Αννόβερο της  Γερμανίας.

Το επόμενο σημαντικό σημείο για το LIGO είναι το προηγμένο πρόγραμμα LIGO, που πρόκειται να λειτουργήσει το 2014. Το προηγμένο LIGO, που θα χρησιμοποιήσει την υποδομή των παρατηρητήριων LIGO, θα είναι 10 φορές πιο ευαίσθητο. Η μεγαλύτερη ευαισθησία είναι σημαντική επειδή θα επιτρέψει στους επιστήμονες να ανιχνεύσουν κατακλυσμιαία γεγονότα, όπως οι συγκρούσεις μαύρων οπών και άστρα νετρονίων σε δεκαπλάσιες αποστάσεις, και για να ψάξει για πολύ μικρότερους "λόφους" (επιφανειακές ανωμαλίες) στο πάλσαρ του Καρκίνου.