MGONGANO WA NYOTA ZA NYUTRONI ULIOCHUKUA MIAKA BILIONI 12 KUANDALIWA

Mwaka 2017, vigunduzi vya LIGO na Virgo vilinasa mawimbi ya uvutano ya nyota mbili za nyutroni zikizungukana kwa mzunguko unaobana hadi kugongana: GW170817. Kisha darubini ziliona mlipuko wenyewe, mchipuko wa miale ya gamma na kilonova inayong’aa, katika galaksi NGC 4993. Muungano wa pili wa nyota za nyutroni, GW190425, umegunduliwa tangu hapo, lakini mahali pake hapakubainishwa vizuri na hakuna mwanga uliopatikana. Kwa hiyo GW170817 inabaki kuwa tukio pekee la mawimbi ya uvutano lililowahi kuhusishwa na galaksi.

Galaksi hiyo ni kidokezo. Ryan Foley, wa University of California, Santa Cruz, aliitumia kuuliza jozi kama hizo husubiri kwa muda gani kabla ya kuungana — na akapata jibu lisiloendana na picha ya kawaida.

Muda wa kusubiri

Wanaastronomia huuita muda wa kuchelewa (delay time): muda kati ya kuzaliwa kwa nyota na muungano. Nyota mbili za nyutroni zikishaundwa, hupoteza polepole nishati ya mzunguko kupitia mawimbi ya uvutano. Muda unaochukuliwa na hili huongezeka kwa kipeo cha nne cha umbali kati yao, kwa hiyo jozi zinazozaliwa karibu huungana haraka na jozi zinazozaliwa mbali huungana baadaye.

Kwa wigo mpana wa umbali wa awali unaowezekana, hili linatoa kanuni rahisi: idadi ya miungano kwa kila kipimo cha muda wa kuchelewa hupungua kama 1 ikigawanywa kwa muda wa kuchelewa. Ongeza muda wa chini wa kuchelewa wa takriban miaka milioni 10, na unapata mgawanyo sanifu (canonical). Ujumbe wake: jozi nyingi huungana muda mfupi baada ya nyota zao kuzaliwa, na chache husubiri mabilioni ya miaka.

Kukadiria umri wa NGC 4993

NGC 4993 ni galaksi ya “aina ya mapema” (early-type), ya kundi ambalo wanaastronomia hulipa jina S0. Hakuna kundi la nyota wala eneo la kuzaliwa kwa nyota lililo karibu na mahali kilonova ilipong’aa, kwa hiyo jozi hiyo huenda iliundwa muda mrefu kabla ya muungano, mahali pengine katika galaksi. Kwa hiyo Foley aliunda modeli ya nyota za galaksi nzima, akiunganisha vipimo katika rangi 14 kuanzia urujuanimno hadi infraredi pamoja na spektra kutoka kwa kifaa cha MUSE kwenye Very Large Telescope.

Ulinganisho huo unagawa historia ya galaksi katika vipindi 20 vya muda na kuruhusu kila kimoja kuunda nyota kwa uhuru. Matokeo ni dhahiri kabisa. Umri wa wastani wa nyota zake ni miaka bilioni 12.4 (kati ya 11.7 na 12.9, kwa uhakika wa 90%). Uundaji wa nyota ulifikia kilele kati ya miaka bilioni 12.5 na 13 iliyopita, kwa masi za jua 54 za nyota mpya kwa mwaka, na umebaki chini ya masi ya jua moja kwa mwaka katika miaka bilioni 9 iliyopita. Takriban 96% ya masi ya galaksi ilikuwa tayari mahali pake miaka bilioni 10.2 iliyopita. Magamba yanayoizunguka galaksi yanaashiria muungano mdogo takriban miaka bilioni moja iliyopita, lakini spektra haionyeshi dalili ya nyota changa ambazo huenda uliziunda.

Kwa hiyo GW170817 huenda ilikuwa na muda wa kuchelewa wa takriban miaka bilioni 12.

Nafasi ya 1.8%

Kisha Foley aliunganisha umri huu na historia ya kiulimwengu ya uundaji wa nyota, kiwango cha miungano kilichopimwa na ushirikiano wa LIGO-Virgo-KAGRA, na miungano miwili iliyogunduliwa.

Chini ya mgawanyo sanifu, kwa kila muungano unaoonekana leo wenye muda wa kuchelewa wa miaka bilioni 10, kunapaswa kuwa na takriban 2 wenye muda wa kuchelewa wa miaka bilioni 1 na 16 wenye muda wa kuchelewa wa miaka milioni 100 (kwa urefu uleule wa vipindi vya muda wa kuchelewa). Nafasi kwamba muungano uliogunduliwa ni wa zamani kama GW170817 ni 1.8% tu. Sababu ni wazi: NGC 4993 iliunda nusu ya nyota zake zaidi ya miaka bilioni 12.6 iliyopita, ilhali Ulimwengu kwa jumla ulikuwa umeunda 1.1% tu ya nyota zake kufikia wakati huo.

Kwa wastani, wanaastronomia wangehitaji ugunduzi 55 zaidi kabla ya kutarajia mmoja kama huo. Hata hivyo muungano wa kwanza kabisa uliowahi kubainishwa mahali ulipo uligeuka kuwa hali hiyo adimu.

Kile ambacho data hupendelea

Muda wa chini wa kuchelewa unapoachwa huru, data hupendelea muda mrefu sana. Mgawanyo ambapo hakuna jozi inayoungana kabla ya miaka bilioni 12.6 unapendelewa kuliko ule sanifu kwa kipengele cha 40 hadi 140, kutegemea jinsi kiwango cha miungano kinavyojumuishwa, na kuliko migawanyo inayokisiwa kutokana na milipuko mifupi ya miale ya gamma na kutokana na jozi za nyota za nyutroni katika Njia Nyeupe kwa 80 hadi 280. Katika mojawapo ya mbinu hizo, muda wa chini wa kuchelewa unazidi miaka bilioni 7.5 kwa uhakika wa 90%.

Njia tatu za kutoka

Ili picha sanifu iendelee kusimama, miungano yenye muda mfupi wa kuchelewa lazima iwe “inakosekana”. Foley anaorodhesha maelezo matatu.

Jozi hizo zingeweza kuzaliwa zikiwa mbali zaidi sana kuliko inavyodhaniwa. Muda wa chini wa kuchelewa wa miaka bilioni 10 unamaanisha kwamba hakuna jozi ya nyota za nyutroni zenye masi za jua 1.5 inayoanzia karibu zaidi ya vipimo vya astronomia 0.021. Foley anaona hilo lina uwezekano mdogo: lingegongana na jozi za nyota za nyutroni zinazojulikana na na nyota pacha zenye masi kubwa.
Vigunduzi vingeweza kukosa miungano mingi. Foley anaona hilo lina uwezekano mdogo mno.
Njia nyingine ya kuunda jozi, yenye muda mrefu wa kuchelewa, ingeweza kushindana na ile ya kawaida au kuitawala.

Foley anapendelea ya tatu. Mtahiniwa mwenye matumaini zaidi ni makundi mazito ya nyota (dense star clusters), ambamo jozi zinaweza kuundwa kupitia makutano ya kimvuto kati ya nyota, kwa muda wa kuchelewa unaokaribia umri wa Ulimwengu. Kati ya takriban jozi 24 za nyota za nyutroni zinazojulikana katika Njia Nyeupe, moja iliyothibitishwa na tatu ambazo hazijathibitishwa ziko ndani ya makundi ya globula (globular clusters), aina ya makundi mazito ya nyota. Lakini hakuna kundi lililoonekana mahali pa GW170817, na nadharia ya hivi karibuni inatabiri miungano michache mno ya makundi: kiwango hicho kingelazimika kuwa juu kuliko inavyotarajiwa.

Mawimbi zaidi ya tukio moja

Ikiwa miungano husubiri muda mrefu kiasi hiki, hufika kwa kuchelewa mno kuweza kurutubisha Galaksi changa kwa elementi za “r-process” (mchakato-r) zinazoundwa nazo, kama vile europiamu. Na misako inayowinda mwanga wa miungano mipya kwa kupendelea galaksi zinazounda nyota huenda hailengi galaksi zenye matumaini zaidi. Kwa muda wa chini wa kuchelewa wa miaka bilioni 10, hakuna muungano kama huo ungeweza kutokea kabla Ulimwengu haujafikia umri wa miaka bilioni 10, kwa hiyo vigunduzi vya baadaye vingeona michache zaidi sana kati yake katika umbali mkubwa.

Yote haya yanategemea matukio mawili, moja tu kati yake likiwa limebainishwa mahali lilipo. Foley anatarajia ugunduzi zaidi utaiweka picha wazi zaidi, na anashuku kwamba mgawanyo halisi si rahisi kama kanuni moja ya kipeo (power law) yenye muda wa chini wa kuchelewa.