Premieră în astrofizică. Au fost detectate unde gravitaţionale rezultate din ciocnirea a două stele neutronice

Această descoperire oferă, printre altele, și dovada că ciocnirile dintre stele neutronice reprezintă principala sursă de aur, platină și alte elemente grele din Univers.

"Superlativele nu reușesc să descrie această descoperire", susține Richard O'Shaughnessy, cercetător în cadrul proiectului pentru observarea undelor gravitaționale LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). "Astronomia nu se va mai face la fel de acum înainte. Este fantastic", a adăugat el pentru Space.com.

Un nou tip de detecție

Undele gravitaționale sunt niște vibrații ale continuumului spațiu-timp, care se propagă cu viteza luminii prin Univers, conform lui Albert Einstein, care a fost convins că nu va fi niciodată posibilă măsurarea acestor unde. La fel ca și lumina, gravitația se propagă prin spațiu sub formă de unde, însă nu este o radiație. În cazul gravitației, spațiul însuși este distorsionat, fiind întins și strâns de undele gravitaționale.

Aceste unde au fost detectate în premieră în septembrie 2015, când LIGO a surprins undele rezultate din ciocnirea și fuziunea a două găuri negre de masă medie. Co-fondatorii proiectului LIGO, Rainer Weiss, Barry C. Barish și Kip S Thorne și-au împărțit în acest an premiul Nobel pentru Fizică. 

Această primă detectare a unor unde gravitaționale a fost urmată la scurt timp de alte trei observații, toate fiind originate în procesul de ciocnire între găuri negre.

Cea de-a cincea detecție a unor unde gravitaționale — ce a fost anunțată luni, 16 octombrie — este însă ceva cu totul nou. La 17 august 2017 cele două detectoare ale observatorului LIGO, ce sunt localizate în Louisiana și respectiv Washington, au înregistrat un semnal care a durat aproximativ 100 de secunde — cu mult mai mult decât înregistrările care au durat fracțiuni de secundă în cazul coliziunilor dintre găuri negre.

"Aproape imediat ne-am gândit că este probabil ca de această dată sursa să fie o pereche de stele neutronice, adică exact ceea ce ne doream foarte mult să surprindem și observația pe care am promis lumii întregi că o vom face", a declarat David Shoemaker, reprezentant al LIGO Scientific Collaboration.

Și într-adevăr, calculele realizate de echipa LIGO au indicat faptul că undele detectate luni au fost produse în urma coliziunii dintre două corpuri cu mase între 1,1 și 1,6 mase solare — adică cel mai probabil niște stele neutronice. Spre deosebire de aceste cadavre stelare ultradense, găurile negre a căror coliziune a produs undele gravitaționale detectate anterior aveau câteva zeci de mase solare.

O stea neutronică, rămășița unui colaps gravitațional produs în urma unei explozii în stadiul de supernovă, este unul dintre cele mai exotice obiecte din Univers. "O stea neutronică este cel mai apropiat obiect de o gaură neagră, fără să fie o gaură neagră", conform definiției anecdotice încercate de astrofizicianul Tony Piro, de la Observatories of the Carnegie Institution for Science din Pasadena, California. "O singură linguriță din materia unei stele neutronice cântărește cât muntele Everest", a adăugat el.

Muncă de echipă 

Observatorul de unde gravitaționale VIRGO, aflat în Italia, în apropiere de Pisa, a detectat de asemenea, la 17 august, undele gravitaționale rezultate în urma coliziunii stelelor neutronice, eveniment denumit GW170817. Mai mult decât atât, Telescopul Spațial Fermi Gamma-ray, aparținând NASA, a detectat o explozie de radiații gamma — cea mai energetică formă a luminii — în aproximativ același timp și provenind din aceeași direcție din spațiu.

Analiza informațiilor din toate aceste surse a dus la identificarea sursei semnalului într-o mică regiune de pe cerul austral. Echipele care au realizat descoperirea au transmis informațiile privind locația colegilor din întreaga lume, solicitându-le să îndrepte spre această zonă a cerului toate instrumentele de observație de care dispun, fie că este vorba de telescoape terestre sau spațiale.

Această muncă de echipă a dat rapid rezultate. La doar câteva ore după detectarea undelor gravitaționale, Piro și colegii săi au observat sursa de lumină în spectrul vizibil care corespundea acestui fenomen, plasată la aproximativ 130 de milioane de ani lumină de Pământ, prin intermediul unui telescop de la Observatorul Las Campanas din Chile. 

"Am văzut o sursă albastru-strălucitoare de lumină într-o galaxie din vecinătate — este pentru prima oară când sunt observate rămășițele strălucitoare ale unui fenomen de fuziune a două stele neutronice", a susținut și Josh Simon, de la Observatoarele Carnegie.

Apoi, aproximativ o oră mai târziu, cercetătorii care folosesc telescopul Gemini South, tot din Chile, au identificat aceeași sursă a undelor gravitaționale în spectrul infraroșu al luminii. Alte echipe au studiat de asemenea acest fenomen pe diferite frecvențe ale spectrului electromagnetic, de la unde radio la raze X.

Astfel cercetătorii au ajuns la concluzia că o parte din lumina observată în spectrul vizibil este de fapt strălucirea radioactivă a unor elemente grele, așa cum sunt aurul și uraniul, care au fost produse în momentul coliziunii dintre cele două stele neutronice. Această descoperire este la rândul său foarte importantă pentru că oamenii de știință știau cu certitudine doar originea elementelor chimice mai ușoare — hidrogenul și heliul provin din Big Bang, iar celelalte elemente până la fier sunt create prin fuziune nucleară în interiorul stelelor — însă originea elementelor mai grele decât fierul nu era bine înțeleasă.

"Am demonstrat că elementele cele mai grele din Tabloul periodic, ale căror origini erau învăluite de mister până azi, provin din fuziunea stelelor neutronice", a explicat și Edo Berger, de la Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) din Cambridge, Massachusetts. Berger coordonează o echipă de cercetători care a studiat acest fenomen prin intermediul Dark Energy Camera de la Cerro Tololo Inter-American Observatory, din Chile. "Fiecare astfel de ciocnire și fuziune poate produce mai mult decât greutatea Pământului în metale prețioase așa cum sunt aurul sau platina, dar și alte elemente rare pe care le găsim în telefoanele noastre smart", a adăugat el.

Conform cercetătorilor, evenimentul denumit GW170817 a produs o cantitate de aur și uraniu echivalentă cu cel puțin 10 mase terestre.

Doar începutul

Analiza fenomenului GW170817 a a dus și la alte descoperiri importante. Spre exemplu, cercetătorii au putut confirma că undele gravitaționale se deplasează, într-adevăr, cu viteza luminii, așa cum susținea teoria. În plus, oamenii de știință știu acum mai multe lucruri despre stelele neutronice.

Iar analiza fenomenului GW170817 este doar începutul. Spre exemplu, astfel de observații realizate prin multiple medii oferă oportunitatea calibrării distanțelor către diferite obiecte cerești, conform lui Avi Loeb, astronom la Universitatea Harvard.

Astfel de măsurători ar putea, teoretic, să-i ajute pe cercetători să măsoare rata de expansiune a Universului. Estimări ale acestei valori, cunoscute drept Constanta Hubble, variază în funcție de modul în care au fost calculate — pornind de la fenomene de supernovă sau de la radiația cosmică de fond (lumina "fosilă" provenită din explozia primordială, Big Bang), conform lui Loeb.

"Iată o altă cale care a fost închisă și iată că s-a deschis în fața noastră", a adăugat el pentru Space.com.

Și multe alte astfel de drumuri ar putea fi deschise în curând, conform lui O'Shaughnessy. "Este doar începutul, iar acesta este cel mai important lucru dintre toate", a spus O'Shaughnessy despre noua descoperire.