Anunțul din 16 octombrie 2017 a trecut aproape neremarcat pe la noi. Și totuși se deschidea un nou capitol al astrofizicii. Ne aflăm în fața unei adevărate revoluții: pentru prima oară un eveniment astronomic a putut fi observat simultan atât cu ajutorul undelor gravitaționale cât și cu ajutorul telescoapelor, în domeniul undelor electromagnetice.
Pe scurt: pe 16 octombrie 2017 a fost anunțată că observatoarele de unde gravitaţionale LIGO au detectat, în ziua de 17 august 2017, pentru prima oară, undele gravitaţionale rezultate în urma fuzionării a două stele neutronice. Dar punctul cel mai important al anunțului consta în faptul că s-a reușit observarea fenomenului și în domeniul undelor electromagnetice.
Voi detalia mai încolo acest anunț și vă voi spune și de ce este extraordinar de important acest rezultat. Dar înainte de asta vreau să vă povestesc despre agitația produsă în lumea științifică înainte de anunțul oficial.
Zvonurile
Așa cum se întâmplă în lumea științei, atunci când se face o descoperire, mai înainte de a fi anunțată public, se desfășoară o intensă activitate de verificare a datelor. De fiecare dată, din motive pe care nu le mai explic acum, aceasta este acoperită de o strictă confidențialitate. Și totuși, la numai o zi de la detectarea undelor gravitaționale din 17 august, profesorul Craig Wheeler, de la Universitatea Texas, posta pe Twitter un mesaj entuziast: ”Nou de la la LIGO. Sursă cu componentă optică. Este copleșitor!” (Pentru că pentru ultima parte a mesajului lui Wheeler nu este ușor de tradus în limba noastră, vă dau și mesajul original: ”New LIGO. Source with optical counterpart. Blow your sox off!”.)
Câteva zile mai târziu, mai exact pe 23 august, jurnalista Mika McKinnon, preia mesajul lui Wheeler și publică un articol pe site-ul revistei New Scientist, în care explică ce se poate afla în spatele lui. ”Existența unei componente optice ar putea indica faptul că astronomii au putut observa lumina produsă de către sursa undelor gravitaționale. Aceasta sugerează că sursa ar putea fi stele neutronice care, spre deosebire de găurile negre, pot fi observate și în domeniul undelor electromagnetice. Cercetătorii de la LIGO au anticipat de multă vreme această posibilitate și au înființat parteneriate cu observatoarele optice pentru a putea urmări rapid semnalele potențiale, mai înainte de anunțul oficial al detectării.”
Apoi McKinnon continua: ”Speculațiile se îndreaptă către NGC 4993, o galaxie aflată la 130 de milioane de ani lumină distanță, în constelația Hydra. […] În timp ce astronomii păstrează tăcerea, noaptea trecută telescopul spațial Hubble a fost îndreptat către un sistem binar de stele neutronice din această galaxie, care au fuzionat. Imaginile publice ale acestui eveniment au fost șterse mai târziu [de pe site-ul telescopului spațial].” Toate informațiile din postarea de pe New Scientist au fost confirmate mai târziu, dar deocamdată erau numai niște zvonuri, niște informații ”venite pe surse”.
Întrebat de către McKinnon, David Shoemaker, purtătorul de cuvânt al LIGO, declara că nu poate confirma sau infirma descoperirea și că un comunicat va fi făcut public la timpul potrivit. Vă dați seama, întreaga lume a pasionaților de știință a fost pusă pe jar. Lucrurile trebuiau să fie calmate cumva. În aceeași zi în care a apărut postarea lui McKinnon pe site-ul New Scientist, Craig Wheeler, cel de la care pornise agitația revine cu o nouă postare pe Twitter: ”Corect sau greșit, nu ar fi trebuit să postez acel tweet. LIGO va face anunțul la momentul potrivit. Mea culpa.” Pentru a mai atenua agitația produsă echipa LIGO a dat un comunicar, pe 17 septembrie, în care se anunța că observatoarele de unde gravitaționale au detectat în august un semnal produs de fuzionarea a două găuri negre. Remarcați: găuri negre și nu stele neutronice. Lucrurile păreau să se liniștească cumva.
Dar indiciile continuau să apară, chiar dacă într-o formă mai puțin directă. Faptul că nu avem de-a face cu niște simple zvonuri mi-a fost confirmat în cele din urmă de un comunicat al ESO (European Southern Observatory), din 11 octombrie de către în eram anunțat că pe 16 octombrie se va organiza o conferință de presă ”în care vor fi anunțate observații fundamentale asupra unui fenomen astronomic care nu a mai fost văzut vreodată.”
Data de 16 octombrie coincidea de minune cu ca la care consorțiul LIGO anunța că va comunica noi rezultate referitoare la detectarea de unde gravitaționale. Dintr-o dată nu mai mă gândeam la zvonuri ci la o descoperire importantă care va fi prezentată publicului pe 16 octombrie. Din nefericire la ora conferinței nu eram acasă, în fața monitorului, ci în autobuz. Am urmărit pe telefon partea introductivă și anunțul pe care vi l-am prezentat mai sus. Abia reușeam să rămân calm, să nu îmi manifest bucuria aşa cum s-ar fi cuvenit. Ajuns acasă am aflat detaliile. Iată-le…
O succesiune de evenimente
În ziua de 17 august 2017, la ora 12:41:04 UT, cele două observatoare de unde gravitaționale LIGO înregistrau un semnal clar, corespunzător unei detectări de unde gravitaționale. Un lucru era deosebit la acest semnal, față de celelalte patru detectate de LIGO. A fost un semnal foarte lung, care a durat aproape 90 de secunde, față de cele câteva fracțiuni de secundă ale detectărilor anterioare. Frecvența semnalului a variat de la câteva zeci de Hz până la un kHz. Această durată a semnalului nu putea fi explicată, așa cum o arătau simulările, decât prin fuziunea a două stele neutronice. Sursa semnalului a primit automat și un nume: GW170817.
Despre cum se produc undele gravitaționale și despre felul în care sunt detectate am vorbit pe larg în articolul ”Einstein, confirmarea finală – undele gravitaționale”. Acum, pe scurt, vă voi spune că atunci când două găuri negre, sau două stele neutronice, formează un sistem binar se produc unde gravitaționale. În urma producerii acestor unde gravitaționale sistemul pierde permanent energie iar cele două obiecte încep să se apropie unul de celălalt.
Întocmai ca în cazul unei patinatoare, care începe să se rotească din ce în ce mai repede atunci când își apropie brațele de corp, cele două obiecte se vor roti din ce în ce mai rapid unul în jurul celuilat ceea ce duce la creșterea frecvenței undelor gravitaționale produse de sistem. În momentul fuziunii celor două obiecte (în cazul nostru, două stele neutronice) frecvența undelor gravitaționale atinge o valoare maximă (vă reamintesc că în observația de pe 17 august aceasta a fost de circa un kHz) după care semnalul dispare brusc.
Dacă ar fi fost vorba numai de detectarea unor unde gravitaționale, chiar dacă avem de-a face cu o premieră, am fi fost martorii unui eveniment devenit (deja) banal. Numai că…
Așa cum vă spuneam mai devreme, de mai mulți ani consorțiul LIGO (la care s-a adăugat la începutul lunii august și observatorul de unde gravitaționale Virgo din Italia) a semnat un acord cu circa 70 de echipe de astronomi din lumea întreagă, pentru a căuta semnalele electromagnetice corespunzătoare detectării de unde gravitaționale. S-au impus condiții stricte pentru această colaborare, dintre care cea mai importantă era păstrarea confidențialității asupra schimbului de date. Revenind la ziua de 17 august, automat, imediat după detectarea undelor gravitaționale, s-a dat alarma în întreaga lume.
La mai puțin de două secunde de la detectarea undelor gravitaționale, mai exact la ora 12:41:06 UT, telelescopul spațial Fermi al NASA a detectat o izbucnire de radiații gamma (gamma ray burst). Se presupunea deja că aceste izbucniri de radiații gamma s-ar produce tocmai în urma fuzionării a două stele neutronice. Cea înregistrată de către telescopul spațial Fermi avea vreo legătură cu undele gravitaționale detectate de LIGO? Era nevoie de un noroc extraordinar. Să vă explic de ce.
Atunci când două stele neutronice fuzionează ele emit două jeturi înguste de radiații gamma, în direcții opuse. Ar fi fost un mare noroc ca unul dintre aceste jeturi să fie îndreptat tocmai către Pământ. Oricum ar fi fost, un alt telescop spațial pentru radiații gamma, este vorba de Integral al ESA, a detectat și el, în același moment cu Fermi, o izbucnire de readiații gamma. Pentru a complica lucrurile, un alt telescop spațial al NASA, Swift, care ”vede” Universul și în domeniul radiațiilor X, nu a detectat, așa cum ar fi fost de așteptat, o intensificare a fluxului de radiații. Așa cum vedeți, în acest moment lucrurile nu erau deloc clare. Trebuiau să fie făcuți pași suplimentari.
În primul rând trebuia îngustată cât mai mult zona de căutare a semnalelor electromagnetice care ar fi rezultat în urma evenimentului din 17 august. Pentru aceasta de mare folos a fost faptul că în prezent avem trei observatoare de unde gravitaționale: două în SUA (la Hanford și Livingston) și unul în Italia (amplasat lângă orașul Pisa). Semnalul din 17 august a fost detectat numai de către observatoarele de unde gravitaționale din SUA.
Cunoscându-se încă din faza proiectării care sunt zonele ”oarbe” ale observatorului Virgo, și combinându-le cu localizarea probabilă obținută pe baza datelor obținute cu ajutorul observatoarelor LIGO, s-a putut micșora foarte mult suprafața de căutare a sursei undelor gravitaționale. Interesectând aceasta suprafață cu cea rezultată pe baza datelor transmise de către telescoapele spațiale Fermi și Integral, a rezultat o relativ mică zonă pe cer, către care au fost îndreptate telescoapele optice. A urmat o căutare înfrigurată.
Primul care a identificat locația exactă a sursei de unde gravitaționale GW170817 a fost un mic telescop, cu o oglindă de numai un metru diametru. Este vorba despre Henrietta Swope, un telescop amplasat în deșertul Atacama, Chile, care face parte din Observatorul Las Campanas și care este operat de către Carnegie Institution for Science. Telescopul Henrietta Swope este dedicat detectării rapide și observării supernovelor. Pe 17 august, în jurul orei 23:00 UT, acesta a detectat o puternică izbucnire luminoasă la marginea de NE a galaxiei lenticulare NGC 4993, aflată la o distanță de circa 130 milioane de ani lumină. Practic, din acest moment, a fost localizată cu precizie sursa semnalului GW170817…
Ce a urmat? Zilele și chiar săptămânile de după istorica dată de 17 august 2017 au reprezentat momente excepționale pentru astronomii planetei. Numeroase telescoape, atât terestre cât și spațiale, și-au îndreptat privirile în direcția din care plecaseră undele gravitaționale ale sursei GW170817. Nu pot face o listă completă a lor, dar nu pot să nu amintesc aici telescoapele spațiale Chandra și Hubble, telescoapele ESO (European Southern Observatory) din Chile, telescoapul Gemini South, tot din Chile, telescopul Keck din Hawaii și rețelele de radiotelescoape VLA și ALMA.
S-a colectat un volum imens de date, care stat la baza redactării mai multor articole publicate pe 16 octombrie 2017 în cele mai prestigioase reviste de știință de pe această planetă. Cel mai important dintre ele, ”Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger” (Observații multimesager a fuziunii a două stele neutronice), a fost publicat în The Astrophysical Journal Letters.
Pentru redactarea lui s-a muncit timp de două săptămâni, câte 12 până la 16 ore pe zi în conferințe internaționale la care au participat sute de cercetători de la 910 institute. Lucrarea are aproape 3700 de coautori. Numai lista lor ocupă 26 de pagini din lucrare, ceea ce a făcut ca ei să fie prezentați la sfârșitul (și nu la începutul) articolului din Astrophysical Journal Letters. Aș mai adăuga, pentru a completa imaginea, că, practic, o treime dintre toți astronomii lumii au fost implicați în observarea evenimentelor care au urmat detectării undelor gravitaționale produse de către sursa GW170817.
Ce au aflat astronomii despre fuziunea celor două stele neutronice?
Kilonova
Atunci când fuzionează (se ciocnesc) două stele neutronice se produce ceea ce se numește kilonova. Kilonovele au fost bine studiate, dar numai din punct de vedere teoretic. Este drept, în 2013 a putut fi observată o kilonovă, dar ea s-a produs la mare distanță de Terra (la circa patru miliarde de ani lumină), așa că nu au putut fi colectate date satisfăcătoare pentru confirmarea teoriei.
Pe scurt, în urma ciocnirii a două stele neutronice se produce o uriașă explozie care aruncă în spațiu, în toate direcțiile, cantități de materie cu densitate nucleară. (Un volum de un centrimetru cub dintr-o stea neutronică are o masă de 100 de milioane de tone!). Aceste ”schije” se deplasează cu viteze cuprinse între 20% și 30% din viteza luminii.
Scăpate de sub imensa gravitație a stelelor neutronice, ele expandează rapid, micșorându-și rapid densitatea. Neutronii (care în stare liberă sunt instabili) încep să se dezintegreze transformându-se în protoni. În acest uriaș furnal nuclear, protonii încep să se combine cu neutronii rămași, rezultând nuclee radioactive grele. Practic, în timpul kilonovelor se produc elementele grele din tabelul periodic, cum ar fi platina, aurul și uraniul.
Kilonova din 17 august a putut fi studiată pe o gamă largă de lungimi de undă ale spectrului electromagnetic, de la radiații gamma, trecând prin radiații X și ultraviolet către domeniul vizibil și infraroșu ajungând-se până în zona undelor radio. Aceasta a permis colectarea unui volum imens de date. Iar datele au confirmat cu precizie modelele teoretice realizate de către astrofizicieni Stefano Corvino, cercetător la ESO rezuma astfel. ”Datele observaționale de care dispunem acum sunt extraordinar de aproape de teorie. Este un adevărat triumf pentru teoreticieni.”
Cam cât aur și platină a produs kilonova din 17 august? Un răspuns îl avem de la Edo Berger, cercetător la Harvard Smithsonian Center for Astrophysics, care a spus în timpul conferinței din 16 octombrie că: ”Observațiile au adus dovezi directe pentru formarea celor mai grele elemente din tabelul periodic. În urma ciocnirii celor două stele neutronice s-a produs o cantitate de aur și platină echivalentă cu 10 mase terestre.”
Mai există un aspect important legat de observarea undelor gravitaționale și a kilonovei care i-a urmat. Acesta ține de cosmologice.
Expansiunea Universului
Evenimentul observat începând cu 17 august a demonstrat că undele gravitaționale și cele electromagnetice se deplasează cu aceeași viteză. Acest fapt ne oferă posibilitatea de a calcula, printr-o nouă metodă, viteza de expansiune a Universului. Până acum au fost folosite supernovele de tip Ia, care au o luminozitate bine cunoscută. (Mai multe detalii aveți în articolul ”Energia întunecată și materia întunecată: misterele Universului”) Acum putem calcula distanța folosindu-ne de undele gravitaționale, după care să determinăm viteza de expansiune a Universului pe baza deplasării spre roșu a semnalelor electromagnetice provenite de la sursa undelor gravitaționale.
Daniel Holz, cercetător la Universitatea Chicago, explica astfel situația în care ne aflăm acum: fuziunea stelelor neutronice și undele gravitaționale care rezultă în urma lor pot fi folosite ”ca sirene standard (remarcați aici că este folosit termenul de ”sirenă” și nu cel de sursă luminoasă standard, ca în cazul supernovelor de tip Ia). Calculele noastre preliminare arată acum că viteza de expansiune a Universului este de circa 70 km pe secundă pe megaparsec, o valoare care se află undeva la mijlocul estimărilor precedente.”
Richard O’Shaughnessy, cercetător la LIGO, rezuma astfel noua metodă de calculare a vitezei de expansiune a Universului: ”Oamenii de știință pot acum să măsoare independent viteza de expansiune a Universului prin compararea distanței până la galaxia în care se produce evenimentul cu cea dedusă pe baza observării undelor gravitaționale.”
Încheiere
Ar mai fi multe de spus despre această nou capitol al științei despre Univers. Acum s-a scris doar prima pagină, am făcut doar un prim pas. Un pas pe care acum câțiva ani abia dacă aveam curajul să ni-l imaginăm. Am mai spus-o și mă bucur să o repet: trăim vremuri minunate, în care descoperiri fundamentale se fac cu o viteză nemaiîntâlnită în istoria științei.
