Σύγκρουση Άστρων Νετρονίων: Μόνο ένας Υπερυπολογιστής Μπορεί να Καταλάβει το Χάος

Υπάρχουν γεγονότα στο σύμπαν τόσο βίαια και τόσο σύντομα που ο ανθρώπινος νους αδυνατεί να τα συλλάβει. Ένα από αυτά είναι η σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων — μια διαδικασία που χτίζεται για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια και ολοκληρώνεται σε μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τώρα, ένας Έλληνας ερευνητής στη NASA κατάφερε να προσομοιώσει αυτό το κοσμικό χάος με τη βοήθεια ενός από τους ισχυρότερους υπολογιστές στον κόσμο.

Τι είναι τα άστρα νετρονίων;

Για να καταλάβουμε τη σημασία αυτής της έρευνας, πρέπει πρώτα να γνωρίσουμε τα άστρα νετρονίων. Είναι τα απομεινάρια τεράστιων αστεριών που εξερράγησαν ως υπερκαινοφανείς (supernovae). Η πυκνότητά τους είναι σχεδόν ασύλληπτη — συχνά λέγεται ότι ένα κουταλάκι του γλυκού από ύλη άστρου νετρονίων ζυγίζει όσο το σύνολο των 8 δισεκατομμυρίων ανθρώπων της Γης. Το μόνο πράγμα πυκνότερο από ένα άστρο νετρονίων είναι μια μαύρη τρύπα.

Εκτός από την πυκνότητά τους, τα άστρα νετρονίων διαθέτουν και εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία — τόσο ισχυρά που όταν δύο τέτοια άστρα πλησιάζουν το ένα το άλλο, τα μαγνητικά τους πεδία αρχίζουν να αλληλεπιδρούν με τρόπους που δεν έχουμε ακόμα πλήρως κατανοήσει.

Η έρευνα του Έλληνα ερευνητή

Ο Δημήτριος Σκιαθάς, μεταπτυχιακός φοιτητής του Πανεπιστημίου Πατρών που διεξάγει έρευνα στο Κέντρο Διαστήματος Goddard της NASA, είναι ο επικεφαλής συγγραφέας μιας νέας μελέτης που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό The Astrophysical Journal. Ο Σκιαθάς και η ομάδα του χρησιμοποίησαν τον υπερυπολογιστή Pleiades της NASA για να προσομοιώσουν τις τελευταίες 7,7 χιλιοστά του δευτερολέπτου πριν τη σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων, το καθένα με μάζα 1,4 φορές τον Ήλιο.

Ο στόχος ήταν να παρατηρήσουν τι συμβαίνει με τα μαγνητικά πεδία τα τελευταία κλάσματα του δευτερολέπτου — και ποια σήματα εκπέμπει αυτό το κοσμικό χάος.

«Λίγο πριν τα άστρα νετρονίων συγκρουστούν, οι μαγνητόσφαιρές τους αρχίζουν να αλληλεπιδρούν έντονα. Μελετήσαμε τις τελευταίες τροχιές πριν τη συγχώνευση, όταν τα διαπλεκόμενα μαγνητικά πεδία υφίστανται ραγδαίες και δραματικές αλλαγές», εξήγησε ο Σκιαθάς.

Γιατί χρειάζεται υπερυπολογιστής;

Η απάντηση είναι απλή: επειδή η φυσική που συμβαίνει σε αυτά τα γεγονότα είναι τόσο πολύπλοκη που κανένα ανθρώπινο μυαλό — και κανένας κοινός υπολογιστής — δεν μπορεί να την παρακολουθήσει.

Τα άστρα νετρονίων περιστρέφονται δεκάδες φορές ανά δευτερόλεπτο. Καθώς πλησιάζουν, τα μαγνητικά τους πεδία συνδέονται, σπάνε και επανασυνδέονται συνεχώς, ενώ σωματίδια κινούνται σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός. Για να παρακολουθήσεις αυτή τη μη γραμμική εξέλιξη σε υψηλή ανάλυση, χρειάζεσαι ακριβώς αυτό — έναν υπερυπολογιστή, όπως εξήγησε ο συν-συγγραφέας Κωνσταντίνος Καλαποθαράκος.

Τι ανακαλύφθηκε;

Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης ήταν αποκαλυπτικά. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι οι ισχυρές δυνάμεις που εμπλέκονται μπορούν να παράγουν φωτόνια γάμμα με εξαιρετικά υψηλές ενέργειες — στην κλίμακα TeV έως PeV, δηλαδή τρισεκατομμύρια φορές πιο ενεργητικά από το ορατό φως. Αυτό ακούγεται εντυπωσιακό, αλλά υπάρχει μια ανατροπή.

Αυτά τα εξαιρετικά ενεργητικά φωτόνια δεν μπορούν να διαφύγουν. Τα ίδια τα ισχυρά μαγνητικά πεδία τα «παγιδεύουν» — μετατρέποντάς τα σε ζεύγη σωματιδίων (ηλεκτρόνιο και ποζιτρόνιο) πριν καν προλάβουν να φτάσουν σε εμάς.

Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι δεν μπορούμε να δούμε τίποτα. Τα λιγότερο ενεργητικά φωτόνια γάμμα και οι ακτίνες Χ μπορούν να διαφύγουν και να ανιχνευτούν από τηλεσκόπια όπως το Fermi της NASA. Μάλιστα, τα σήματα γίνονται ολοένα και ισχυρότερα καθώς τα δύο άστρα πλησιάζουν — και η γωνία παρατήρησης από τη Γη παίζει σημαντικό ρόλο στο τι μπορούμε να δούμε.

Γιατί αυτό έχει σημασία;

Πέρα από την κατανόηση των μαγνητικών πεδίων, η έρευνα έχει μια επιπλέον σημασία: τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να «αποτυπωθούν» και στα κύματα βαρύτητας που εκπέμπουν αυτές οι συγκρούσεις. Αυτά τα κύματα είναι ανιχνεύσιμα από παρατηρητήρια της επόμενης γενιάς.

Με άλλα λόγια, η δουλειά του Σκιαθά και της ομάδας του δεν βοηθά μόνο να καταλάβουμε τι συνέβη σε παλαιές συγκρούσεις — βοηθά να προετοιμαστούμε για το τι θα παρατηρήσουμε στο μέλλον, όταν τα επόμενης γενιάς τηλεσκόπια γίνουν λειτουργικά.

Και στο κέντρο αυτής της επιστημονικής επανάστασης βρίσκεται ένας Έλληνας φοιτητής από την Πάτρα, που δουλεύει στη NASA και κοιτάζει στα πιο βίαια σημεία του σύμπαντος.