Βαρυτικά κύματα

Τα βαρυτικά κύματα προβλέπονται από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας, που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν διατύπωσε έναν αιώνα πριν. Αξίζει να σημειωθεί πως για πρώτη φορά η ύπαρξή τους προτάθηκε από τον Henri Poincare στην εργασία του «Περί Ηλεκτροδυναμικής», την οποία δημοσίευσε στις 5 Ιουνίου του 1905 στη γαλλική επιθεώρηση Académie des Sciences.
Τόσο ο Poincare όσο και o Einstein, προέβλεψαν πως η βαρύτητα δημιουργεί κύματα που ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, ακριβώς όπως συμβαίνει και με τον ηλεκτομαγνητισμό.
Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της σχετικότητας, η βαρύτητα παύει να είναι μια ακαριαία δύναμη από απόσταση και περιγράφεται πλέον ως η στρέβλωση του χωρόχρονου, που προκαλείται από την παρουσία μίας μάζας. Ο χωροχρόνος, δυναμικός πλέον και όχι απόλυτος, καθορίζει με τη σειρά του την τροχιά κάθε αντικειμένου, που κινείται εντός του, από αυτόν ακριβώς τον βαθμό της καμπύλωσής του. Με άλλα λόγια, η μάζα παραμορφώνει το χώρο και το χρόνο, με τον ίδιο τρόπο που μια βαριά μπάλα του μπόουλινγκ θα μπορούσε να παραμορφώσει ένα τραμπολίνο. Όπως το έθεσε αρκετά χρόνια αργότερα ο φυσικός John Wheeler, «η ύλη υπαγορεύει στον χωροχρόνο πώς θα καμπυλωθεί και ο βαθμός καμπύλωσης του χωρόχρονου υπαγορεύει στην ύλη πώς θα κινηθεί». Μια από τις προβλέψεις αυτής της επαναστατικής κατανόησης της βαρύτητας είναι και η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων.
Οι περισσότεροι, πιθανότατα, θα είστε ήδη εξοικειωμένοι με την ιδέα των μηχανικών κυμάτων. Το πιο γνωστό παράδειγμα ίσως είναι τα κύματα που δημιουργούνται στη θάλασσα καθώς ταξιδεύετε με ένα καράβι. Πρόκειται για κύματα που εκδηλώνονται ως μια διαταραχή που ταξιδεύει στο μέσο. Για παράδειγμα, μια πέτρα που πέφτει στην επιφάνεια του νερού παράγει τα γνωστά μας μηχανικά υδάτινα κύματα, ενώ ο ήχος που διαδίδεται με πυκνώσεις και αραιώσεις του άερα είναι ένα ακόμη χαρακτηριστικό παράδειγμα μηχανικού κύματος. Από τα δυο παραδείγματα που αναφέραμε, γίνεται σαφές πως χαρακτηριστικό των μηχανικών κυμάτων είναι η παρουσία ενός υλικού μέσου μέσω του οποίου διαδίδονται.
Εκτός όμως από τα μηχανικά κύματα, ίσως έχετε ακούσει και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Πρόκειται για κύματα που παράγονται από επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία. Σε αντίθεση, όμως, με τα μηχανικά κύματα, τα ηλεκτρομαγνητικά μπορούν να διαδωθούν και στο κενό. Χάρη στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι για παράδειγμα δυνατή η επικοινωνία μέσω κινητών τηλεφώνων, αλλά και η παρατήρηση άλλων πλανητών ή απομακρυσμένων αστέρων, καθώς το φως ταξιδεύει από αυτά διαμέσου του κενού διαστημικού χώρου.
Σε αναλογία με τα επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία, που παράγουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, μπορείτε τώρα να φανταστείτε πως οι επιταχυνόμενες μάζες παράγουν βαρυτικά κύματα. Πρόκειται για κύματα, τα οποία διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός και παραμορφώνουν τον χωρόχρονο. Οι παραμορφώσεις αυτές μεταβάλλουν τις χωρικές και χρονικές αποστάσεις μεταξύ διαφορετικών σημείων, δημιουργώντας «πυκνώσεις» και «αραιώσεις» στον χωρόχρονο.
Το βαρυτικό κύμα, δηλαδή, αποτελεί το αποτύπωμα που αφήνει στον χωρόχρονο σχεδόν κάθε μεταβολή στην κινητική κατάσταση ενός σώματος ορισμένης μάζας.
Στο σημείο αυτό, θα πρέπει να διευκρινήσουμε πως οι μεταβολές στις αποστάσεις, που προκαλούνται από τα βαρυτικά κύματα, είναι εξαιρετικά ασθενείς και επομένως δύσκολο να ανιχνευθούν. Ακριβώς επειδή τα βαρυτικά κύματα είναι πολύ ασθενή, ο Einstein, κατά τη διατύπωση της ΓΘΣ, ήταν μάλλον απαισιόδοξος ως προς τη δυνατότητα που θα είχαμε ποτέ για την ανίχνευσή τους.
Για παράδειγμα, ένα απ’ τα πιο βίαια γεγονότα που παρατήρούμε στο Σύμπαν μας, όπως η σύγκρουση μελανών οπών - που η κάθε μια έχει δεκάδες φορές τη μάζα του Ήλιου - παράγει ένα βαρυτικό κύμα που κατά τη διάδοση προκαλεί μια σχετική μεταβολή στις αποστάσεις, 1 εκατομμύριο φορές μικρότερη από τη διάμετρο ενός πρωτονίου (περίπου 10-21 m). Δηλαδή, ένα τέτοιο βαρυτικό κύμα θα άλλαζε τη διάμετρο της Γης κατά μια απόσταση ίση με τη διάμετρο ενός ατομικού πυρήνα! Σε ένα μόλις κλάσμα δευτερολέπτου πριν τη συγχώνευση των μελανών οπών, η ενέργεια που εκλύθηκε από το σύστημα ισοδυναμεί με 50 φορές την ενέργεια όλων των αστέρων που μπορούμε να παρατηρήσουμε στο Σύμπαν μας, ενώ το τελικό σύστημα που δημιουργήθηκε, μετά τη συγχώνευση των δυο οπών, έχει μάζα ίση με 62 ηλιακές μάζες.



Αυτές τις απειροελάχιστες αλλαγές στις χωροχρονικές αποστάσεις προσπαθούν να εντοπίσουν τα πειράματα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Ένα τέτοιο βαρυτικό κύμα, που δημιουργήθηκε απ’ τη σύγκρουση δύο μελανών οπών, με μάζες 29 και 36 φορές τη μάζα του Ήλιου, κατέγραψε στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 το πείραμα LIGΟ. Πρόκειται για ένα από τα πειράματα που κατασκευάστηκαν για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Οι δυο μελανές οπές που συγκρούστηκαν βρίσκονται σε απόσταση 1.3 δισεκατομμύρια έτη φωτός απ’ τη Γη, που σημαίνει πως το βαρυτικό κύμα ταξίδεψε για περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια, μέχρι να φτάσει σε εμάς και να καταγραφεί από το LIGO.

Εικόνα 2: Το χαρακτηριστικό σήμα, που καταγράφηκε από τους δυο ανιχνευτές του πειράματος LIGO και οδήγησε στην πρώτη ανίχνευση του βαρυτικού κύματος, προήλθε από τη συγχώνευση δυο μελανών οπών.

Τα πειράματα αυτά στηριζονται στο φαινόμενο της συμβολής. Το πείραμα διαθέτει δυο βραχίονες τεσσάρων χιλιομέτρων σε σχήμα «L» και στα άκρα τους είναι τοποθετημένοι καθρέφτες. Μια δέσμη laser διαδίδεται κατα μήκος των δυο βραχιόνων και καθώς ανακλάται στους καθρέφτες συμβάλλει στο κέντρο του ανιχνευτή. Καθώς ενα βαρυτικό κύμα διέρχεται από τον ανιχνευτή, το μήκος των βραχυόνων αλλάζει (καθώς αλλάζουν οι αποστάσεις του χωρόχρονου) με αποτέλεσμα να αλλάξει και η εικόνα της συμβολής, που βλέπουν οι επιστήμονες. Με αυτόν τον τρόπο, τα πειράματα προσπαθούν να εντοπίσουν τις ανεπαίσθητες δονήσεις που αφήνουν στο πέρασμα τους τα βαρυτικά κύματα.
Τα βαρυτικά κύματα είναι σημαντική πηγή πληροφοριών, καθώς μας δίνουν πληροφορίες για το πρώιμο Σύμπαν, οι οποίες είναι αδύνατο να εξαχθούν με τις παραδοσιακές παρατηρησιακές μεθόδους. Μέχρι σήμερα, με τα τηλεσκόπιά μας μπορέσαμε να ανιχνεύσουμε το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMS), ένα ψυχρό φως που φτάνει από κάθε διεύθυνση του Σύμπαντος. Πρόκειται για μια αρχέγονη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που σχηματίζεται 380 χιλιάδες χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, όταν η θερμοκρασία (και η ενεργειακή πυκνότητα) στο Σύμπαν έχει πέσει αρκετά, επιτρέποντας στο φως να ταξιδέψει ελεύθερο χωρίς να σκεδάζεται συνεχώς από σωματίδια. Με άλλα λόγια, η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου συνιστά ένα είδος κουρτίνας πίσω από την οποία δεν μπορούσαμε να κοιτάξουμε, καθώς κανένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα δεν φτάνει σε εμας. Τα βαρυτικά κύματα ανοίγουν συνεπώς μια «χαραμάδα», επιτρέποντάς μας να «κοιτάξουμε» το Σύμπαν, όπως ήταν πολύ κοντά στη Μεγάλη Έκρηξη.
Ίσως, αξίζει να σημειώσουμε πως η ισχυρότερη ένδειξη για την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων ήρθε το 1974, με την ανακάλυψη ενός παράξενου αστρικού συστήματος από τους Αμερικανούς αστροφυσικούς Russel Hulse και Joseph Taylor, οι οποίοι για την ανακάλυψή τους αυτή τιμήθηκαν το 1993 με το Νόμπελ Φυσικής. Με τη βοήθεια του γιγάντιου ραδιοτηλεσκοπίου Arecibo στο Πόρτο Ρίκο, οι δύο επιστήμονες διαπίστωσαν ότι το σύστημα αυτό, 20.000 έτη φωτός μακριά από τη Γη, στον Αστερισμό Αετός, αποτελείται από έναν πάλσαρ καθώς και από έναν ακόμη αστέρα, ο οποίος εικάζεται ότι είναι αστέρας νετρονίων. Η συστηματική παρακολούθηση του συστήματος έδειξε πως τα δυο σώματα περιστρέφονται με όλο και μεγαλύτερη ταχύτητα το ένα γύρω από το άλλο, καθώς αργά αλλά σταθερά η μέση απόστασή τους μειώνεται, έτσι ώστε υπολογίζεται ότι τελικά θα συγκρουστούν σε περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια. Η εξήγηση έρχεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία προβλέπει πως ένα διπλό αστρικό σύστημα εκπέμπει βαρυτικά κύματα και αποβάλλει ενέργεια, με αποτέλεσμα η τροχιά του να συρρικνώνεται και κατά συνέπεια η περίοδός της να μειώνεται. Οι μεταβολές αυτές, αν και απειροελάχιστες, έχουν μετρηθεί και αντιστοιχούν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, γεγονός που αποτελεί μια ισχυρή ένδειξη ότι τα βαρυτικά κύματα που προέβλεπε η ΓΘΣ όντως υπάρχουν.
Το πείραμα LIGO λειτούργησε για περίπου μια δεκαετία, μεταξύ 2002-2010, χωρίς να καταγράψει κάποιο σήμα και χρειάστηκε μια αναβάθμιση κόστους 200 εκατ. δολαρίων, που βελτίωσε δραστικά τις δυνατότητές του, επιτρέποντας και την ανακάλυψη του πρώτου βαρυτικού κύματος. Ίσως ένα σπουδαίο μάθημα για τη φύση των επιστημονικών ανακαλύψεων και την επιμονή που χρειάζεται. Στην Ευρώπη λειτουργούν στο μεταξύ οι ανιχνευτές GEO600 και Virgo, ενώ ανάλογο ερευνητικό πρόγραμμα, με την ονομασία Indigo, ανακοίνωσε και η Ινδία. Η ανίχνευση του ίδιου σήματος από ανιχνευτές σε διαφορετικές ηπείρους, θα επέτρεπε στους ερευνητές να προσδιορίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια την προέλευση των φευγαλέων κυμάτων.
Παράλληλα με τα επίγεια πειράματα, τα επόμενα χρόνια σχεδιάζεται και το πρώτο αντίστοιχο πείραμα στο διάστημα (Laser Interferometer Space Antenna - LISA). Προπομπός του είναι η αποστολή του επιστημονικού δορυφόρου LISA Pathfinder, που έχει ήδη εκτοξευτεί από την ESA. Η LISA θα προσπαθήσει να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα, καταγράφοντας συστηματικά και με μεγάλη ακρίβεια την απόσταση μεταξύ τριών πανομοιότυπων διαστημοσυσκευών, τοποθετημένων σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο, με τρόπο που να σχηματίζουν ένα ισόπλευρο τρίγωνο πλευράς 5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων.
Στις επόμενες δεκαετίες, η αστονομία βαρυτικών κυμάτων αναμένεται να γνωρίσει μεγάλη ανάπτυξη, δίνοντάς μας περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο που εξελίχθηκε το Σύμπαν. Η «Βαρυτική Αστρονομία» θα δει πράγματα άγνωστα έως τώρα, καθώς τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν στο Σύμπαν από την πρώτη στιγμή της Δημιουργίας του. Η οπτική αστρονομία γνώρισε τεράστια εξέλιξη με την ανάπτυξη τηλεσκοπίων, που βλέπουν το σύμπαν όχι μόνο στο οπτικό αλλά και σε άλλα μήκη κύματος, όπως το υπέρυθρο, οι ακτίνες X και τα ραδιοκύματα, που μας επέτρεψαν να δούμε απομακρυσμένες δομές και να κατανοήσουμε καλύτερα το σύμπαν, στο οποίο κατοικούμε. Κατ’ αναλογία και η βαρυτική αστρονομία στα επόμενα χρόνια αναμένεται να μας ανοίξει ένα νέο παράθυρο στο Σύμπαν, καθώς νέοι βαρυτικοί ανιχνευτές, ευαίσθητοι σε βαρυτικά κύματα με διαφορετικά μήκη, θα μετρήσουν βαρυτικά κύματα που μπορεί να προέρχονται από διαφορετικές πηγές, είτε είναι η συγχώνευση μελανών οπών ή ακόμη και τα πρωταρχικά βαρυτικά κύματα που δημιουργούνται μετά την Μεγάλη Έκρηξη.
Σε μια πρόσφατη διάλεξή του στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, κατά την απομονή του Tomalla Award, ο θεωρητικός φυσικός Κιπ Θόρν1, ένας απ’ τους αρχιτέκτονες του LIGO, αναφέρθηκε στην Αστρονομία πολλών μηνυμάτων (multi-messenger astronomy). «Περιμένουμε να δούμε πολλές άλλες πηγές βαρυτικών κυμάτων, όπως αστέρες νετρονίων να συγκρούονται και να συγχωνεύονται, γεγονός που θα αποτελούσε ισχυρή πηγή ακτίνων γάμμα ταυτόχρονα με την παραγωγή βαρυτικών κυμάτων. Επίσης, θα δούμε μαύρες τρύπες, που τρώει η μία την άλλη ή που καταπίνουν ένα άστρο νετρονίων, με αποτέλεσμα και πάλι την εκπομπή πολύ ισχυρής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι συντονισμένες παρατηρήσεις βαρυτικών και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καθώς και η ανίχνευση νετρίνο μπορούν να μας δώσουν πολύτιμες πληροφορίες. Αν είχαμε μόνο τα νετρίνα ή μόνο τις ακτίνες γάμμα ή μόνο βαρυτικά κύματα, τότε θα παίρναμε ένα μικρό μέρος των πληροφοριών. Μια αστρονομία, όμως, που συνδυάζει τις παραπάνω παρατηρήσεις παρέχει ένα μεγάλο πλούτο πληροφοριών. Αυτό είναι πραγματικά το μέλλον της αστροφυσικής».

Πηγή: http://www.indeepanalysis.gr/  του Π.Χαρήτου

1 Το βιβλίο του Kip Thorne “H φυσική του Interstellar - Ταξίδι σε μια μαύρη τρύπα” θα κυκλοφορήσει από τις εκδόσεις ΡΟΠΗ.