Στις 11 Φεβρουαρίου 2016, επιστήμονες στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Laser Interferometer (LIGO) ανακοίνωσαν την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Αυτή η εξέλιξη, η οποία επιβεβαίωσε μια πρόβλεψη που έκανε η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν πριν από έναν αιώνα, άνοιξε νέες οδούς έρευνας για κοσμολόγους και αστροφυσικούς. Από τότε, έχουν γίνει περισσότερες ανιχνεύσεις, οι οποίες λέγεται ότι ήταν αποτέλεσμα συγχώνευσης μαύρων οπών.
Ωστόσο, σύμφωνα με μια ομάδα αστρονόμων από τη Γλασκόβη και την Αριζόνα, οι αστρονόμοι δεν χρειάζεται να περιοριστούν στην ανίχνευση κυμάτων που προκαλούνται από μαζικές συγκεντρώσεις βαρύτητας. Σύμφωνα με μια μελέτη που πρόσφατα παρήγαγαν, το δίκτυο ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων Advanced LIGO, GEO 600 και Virgo θα μπορούσε επίσης να ανιχνεύσει τα κύματα βαρύτητας που δημιουργήθηκαν από την σουπερνόβα. Με αυτόν τον τρόπο, οι αστρονόμοι θα μπορούν να δουν μέσα στις καρδιές καταρρέοντας αστέρια για πρώτη φορά.
Η μελέτη, με τίτλο «Συμπερασματικός μηχανισμός έκρηξης πυρήνα-κατάρρευσης σουπερνόβα με τρισδιάστατες προσομοιώσεις βαρυτικών κυμάτων», εμφανίστηκε πρόσφατα στο διαδίκτυο. Με επικεφαλής την Jade Powell, η οποία ολοκλήρωσε πρόσφατα το διδακτορικό της στο Ινστιτούτο Βαρυτικής Έρευνας στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης, η ομάδα υποστηρίζει ότι τα τρέχοντα πειράματα βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει να μπορούν να ανιχνεύουν τα κύματα που δημιουργούνται από τον Core Collapse Supernovae (CSNe).
Αλλιώς γνωστό ως σουπερνόβα τύπου II, το CCSNe είναι αυτό που συμβαίνει όταν ένα τεράστιο αστέρι φτάσει στο τέλος της διάρκειας ζωής του και βιώνει ταχεία κατάρρευση. Αυτό πυροδοτεί μια μαζική έκρηξη που εκρήγνυται τα εξωτερικά στρώματα του άστρου, αφήνοντας πίσω του ένα υπόλοιπο αστέρι νετρονίων που μπορεί τελικά να γίνει μια μαύρη τρύπα. Προκειμένου ένα αστέρι να υποστεί μια τέτοια κατάρρευση, πρέπει να είναι τουλάχιστον 8 φορές (αλλά όχι περισσότερο από 40 έως 50 φορές) η μάζα του Ήλιου.
Όταν συμβαίνουν αυτοί οι τύποι σουπερνόβων, πιστεύεται ότι τα νετρίνα που παράγονται στον πυρήνα μεταφέρουν βαρυτική ενέργεια που απελευθερώνεται από τον πυρήνα κατάρρευση στις ψυχρότερες εξωτερικές περιοχές του αστεριού. Ο Δρ Πάουελ και οι συνεργάτες της πιστεύουν ότι αυτή η βαρυτική ενέργεια θα μπορούσε να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας τρέχοντα και μελλοντικά όργανα. Όπως εξηγούν στη μελέτη τους:
«Αν και δεν έχει ανιχνευτεί CCSNe από ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, προηγούμενες μελέτες δείχνουν ότι ένα προηγμένο δίκτυο ανιχνευτών μπορεί να είναι ευαίσθητο σε αυτές τις πηγές στο Μεγάλο Μαγγελικό Σύννεφο (LMC). Ένα CCSN θα ήταν μια ιδανική πηγή πολλαπλών μηνυμάτων για aLIGO και AdV, καθώς αναμένονται νετρίνα και ηλεκτρομαγνητικά αντίστοιχα στο σήμα. Τα βαρυτικά κύματα εκπέμπονται από βαθιά μέσα στον πυρήνα του CCSNe, το οποίο μπορεί να επιτρέψει τη μέτρηση των αστροφυσικών παραμέτρων, όπως η εξίσωση της κατάστασης (EOS) από την ανακατασκευή του σήματος βαρυτικών κυμάτων. "
Η Δρ Powell και αυτή περιγράφουν επίσης μια διαδικασία στη μελέτη τους που θα μπορούσε να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας το μοντέλο Supernova Evidence Extractor (SMEE). Στη συνέχεια, η ομάδα διεξήγαγε προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας τα πιο πρόσφατα τρισδιάστατα μοντέλα σουπερνόβα κατάρρευσης πυρήνα βαρυτικού κύματος για να διαπιστώσει εάν θα μπορούσε να εξαλειφθεί ο θόρυβος περιβάλλοντος και να γίνει σωστή ανίχνευση σημάτων CCSNe.
Όπως εξήγησε ο Δρ Πάουελ στο Space Magazine μέσω email:
«Το Supernova Model Evidence Extractor (SMEE) είναι ένας αλγόριθμος που χρησιμοποιούμε για να προσδιορίσουμε πώς οι σουπερνόβα λαμβάνουν την τεράστια ποσότητα ενέργειας που χρειάζονται για να εκραγούν. Χρησιμοποιεί στατιστικά Bayesian για να διακρίνει μεταξύ διαφορετικών πιθανών μοντέλων έκρηξης. Το πρώτο μοντέλο που εξετάζουμε στο έγγραφο είναι ότι η ενέργεια έκρηξης προέρχεται από τα νετρίνα που εκπέμπονται από το αστέρι. Στο δεύτερο μοντέλο, η ενέργεια έκρηξης προέρχεται από ταχεία περιστροφή και εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία. "
Από αυτό, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι σε ένα δίκτυο τριών ανιχνευτών οι ερευνητές θα μπορούσαν να προσδιορίσουν σωστά τους μηχανισμούς έκρηξης για τα γρήγορα περιστρεφόμενα σουπερνόβα, ανάλογα με την απόσταση τους. Σε απόσταση 10 kiloparsecs (32.615 έτη φωτός) θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν σήματα CCSNe με 100% ακρίβεια και σήματα στα 2 kiloparsecs (6.523 έτη φωτός) με ακρίβεια 95%.
Με άλλα λόγια, εάν και όταν ένα σουπερνόβα λαμβάνει χώρα στον τοπικό γαλαξία, το παγκόσμιο δίκτυο που σχηματίζεται από τους Advanced LIGO, Virgo και GEO 600 ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα έχει μια εξαιρετική πιθανότητα να το πάρει. Η ανίχνευση αυτών των σημάτων θα επέτρεπε επίσης κάποια πρωτοποριακή επιστήμη, επιτρέποντας στους επιστήμονες να «δουν» μέσα από τα εκρηκτικά αστέρια για πρώτη φορά. Όπως εξήγησε ο Δρ Πάουελ:
«Τα βαρυτικά κύματα εκπέμπονται από βαθιά μέσα στον πυρήνα του άστρου όπου καμία ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δεν μπορεί να διαφύγει. Αυτό επιτρέπει την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων να μας πει πληροφορίες σχετικά με τον μηχανισμό έκρηξης που δεν μπορεί να προσδιοριστεί με άλλες μεθόδους. Ενδέχεται επίσης να μπορούμε να προσδιορίσουμε άλλες παραμέτρους, όπως πόσο γρήγορα περιστρέφεται το αστέρι. "
Η Δρ. Powell, έχοντας ολοκληρώσει πρόσφατα την εργασία της στο διδακτορικό της, θα λάβει επίσης θέση postdoc στο RC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), το πρόγραμμα βαρυτικών κυμάτων που φιλοξενείται από το Πανεπιστήμιο του Swinburne στην Αυστραλία. Εν τω μεταξύ, αυτή και οι συνάδελφοί της θα διεξάγουν στοχευμένους ερευνητές για σουπερνόβες που συνέβησαν κατά τη διάρκεια του πρώτου και δευτερολέπτου προχωρημένου ανιχνευτή παρατηρώντας τρέξιμο.
Ενώ δεν υπάρχουν εγγυήσεις σε αυτό το σημείο ότι θα βρουν τα περιζήτητα σήματα που θα έδειχναν ότι οι σουπερνόβες είναι ανιχνεύσιμες, η ομάδα έχει μεγάλες ελπίδες. Και δεδομένης της δυνατότητας που έχει αυτή η έρευνα για την αστροφυσική και την αστρονομία, δεν είναι μόνοι!
