O Διονύσης Σιμόπουλος «κρυφακούει» τα βαρυτικά κύματα

Τί έχει αλλάξει έναν χρόνο μετά τα «αποκαλυπτήρια» των βαρυτικών κυμάτων΄; Τί κάνει την ανακάλυψή τους τόσο σημαντική; Ποιά είναι η πιθανότητα του «επιστημονικού λάθους» και τί θα πρέπει να περιμένουμε στο μέλλον; Ο βραβευμένος Έλληνας φυσικός, μιλά αποκλειστικά στο skai.gr και μας λύνει όλες τις απορίες.

Ήταν η ανακάλυψη των Βαρυτικών Κυμάτων το «χρονικό ενός προαναγγελθέντος αστρικού θανάτου»; Ο ίδιος ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είχε προβλέψει την ύπαρξή τους, στη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας, ήδη από το μακρινό 1915.
Πράγματι ο Einstein παρουσίασε για πρώτη φορά τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας στην Πρωσική Ακαδημία Επιστημών στις 25 Νοεμβρίου 1915 ενώ, τέσσερα χρόνια αργότερα, ο Άγγλος αστρονόμος Arthur Eddington, σε μια ομιλία που έκανε στη Βασιλική Εταιρεία της Αγγλίας στις 6 Νοεμβρίου 1919, επιβεβαίωσε την πρόβλεψη της Γενικής Σχετικότητας για την εκτροπή του αστρικού φωτός από τον Ήλιο, την οποία είχε παρατηρήσει ο ίδιος στη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης του Ήλιου μερικούς μήνες νωρίτερα, στις 29 Μαΐου 1919. Κι έτσι, μ’ αυτό το έργο ο Einstein έδωσε μία διαφορετική τροπή στην εξέλιξη των ιδεών μας για τον χώρο, τον χρόνο και τη βαρύτητα. Άλλωστε, όλα αυτά τα χρόνια, η βαρυτική του θεωρία έχει γίνει αποδεκτή ως η πιο ικανοποιητική απ’ όλες τις άλλες.

Περιγράψτε μας τα βασικότερα στοιχεία της θεωρίας αυτής.

Πρόκειται, κατ' ουσίαν, για μία θεωρία για την βαρύτητα, που μας περιγράφει τι συμβαίνει στο χρόνο, όταν τον παρατηρούμε από ένα αντικείμενο που πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός ή όταν πλησιάζουμε ορισμένα αντικείμενα μεγάλης βαρύτητας, όπως είναι οι Μαύρες Τρύπες.
Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, όλοι μας υπάρχουμε μέσα σ’ αυτό που ονόμασε «χωρόχρονο». Ο χρόνος δηλαδή είναι μία από τις τέσσερις διαστάσεις, όπου ο τρισδιάστατος χώρος και ο μονοδιάστατος χρόνος αποτελούν ένα τετραδιάστατο χωροχρονικό συνεχές. Η Σχετικότητα μάς λέει επίσης ότι η βαρύτητα δεν είναι μια «πραγματική» δύναμη αλλά το αποτέλεσμα της παραμόρφωσης των τεσσάρων διαστάσεων του χωρόχρονου. Οποιοδήποτε μικρό ή μεγάλο κομμάτι ύλης, πλανήτης, άστρο ή γαλαξίας, παραμορφώνει τη δομή του χωρόχρονου γύρω του.
Έτσι, καθώς τα διάφορα αντικείμενα κινούνται μέσα στο Σύμπαν, είναι σαν να κυλούν μέσα, έξω και γύρω απ’ αυτές τις παραμορφώσεις, ενώ η κίνησή τους επηρεάζεται απ’ αυτές παρ’ όλο που δεν μπορούμε να τις δούμε. Αντίθετα, εκείνο το οποίο βλέπουμε είναι το αποτέλεσμα που έχει στα διάφορα αντικείμενα η επίδραση της φαινομενικά μυστηριώδους δύναμης που ονομάζουμε βαρύτητα. Με άλλα λόγια «η ύλη λέει στον χωρόχρονο πώς θα καμπυλωθεί και ο βαθμός καμπύλωσης του χωρόχρονου υπαγορεύει στην ύλη πώς θα κινηθεί», όπως τόσο χαρακτηριστικά έγραφε πριν από χρόνια ο αείμνηστος καθηγητής John Archibald Wheeler.

Πως όμως αυτό οδήγησε στην πρόβλεψη των βαρυτικών κυμάτων;
Ένα από τα ερωτήματα που έθεσε ο Αϊνστάιν ήταν και το εάν η παραμόρφωση του χωρόχρονου συμβαίνει «αστραπιαία» ή μεταδίδεται με τη μορφή κυμάτων. Η αναζήτηση του Einstein για μια απάντηση, τον οδήγησε σε μία εκπληκτική εκτίμηση: ακριβώς όπως υπάρχουν κύματα φωτός που μεταφέρουν ενέργεια από μέρος σε μέρος, έτσι θα πρέπει να υπάρχουν και βαρυτικά κύματα, τα οποία μεταφέρουν ενέργεια από τόπο σε τόπο. Θεώρησε, δηλαδή, ότι οι βαρυτικές δυνάμεις ακτινοβολούνται προς τα έξω σαν τα κύματα που δημιουργούνται από την πτώση μιας πέτρας στο νερό μιας λίμνης. Από πού όμως θα προέρχονταν τέτοια κύματα βαρύτητας; Ο Einstein υπέθεσε ότι τα κύματα αυτά θα εκπέμπονταν από διάφορα σώματα με τεράστιες μάζες που θα υφίσταντο βίαιες μεταβολές στο Διάστημα.
Καταστροφικά κοσμικά φαινόμενα, όπως η εκρηκτική κατάρρευση ενός ετοιμοθάνατου γιγάντιου άστρου, ή η σπειροειδής σύμπτυξη ενός αστρικού ζεύγους θα πρέπει να εκπέμπουν κύματα βαρύτητας στο Διάστημα, με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός. Καθώς τα ταχυκίνητα αυτά κύματα έρχονται σε επαφή με διάφορα σωματίδια ύλης στο Διάστημα, η ταχύτητα των σωματιδίων αυτών θα πρέπει να μεταβάλλεται έτσι, ώστε και τα σωματίδια αυτά να εκπέμπουν κύματα βαρύτητας. Ακόμη όμως και μ’ αυτή την αλυσιδωτή βαρυτική αντίδραση, ο Einstein πίστευε ότι τα κύματα βαρύτητας ήταν τόσο αδύναμα, ώστε να μην μπορέσουν να γίνουν ποτέ αντιληπτά. Γι’ αυτό και δεν είχαν εντοπιστεί έως τώρα, κι έτσι η θεωρία του Einstein για τα βαρυτικά κύματα παρέμενε χωρίς αποδείξεις. Παρ’ όλα αυτά, οι ενδείξεις που συγκεντρώνονταν τα τελευταία χρόνια οδηγούσαν τους επιστήμονες να συμπεράνουν ότι ο Einstein είχε για άλλη μια φορά δίκιο στους υπολογισμούς του για το Σύμπαν.

Ποιες ήταν οι πρώτες παρατηρησιακές ενδείξεις;

Η πιο πρόσφατη είναι η ανακοίνωση που έκανε μία πειραματική ομάδα του Σμιθσόνιαν Κέντρου Αστροφυσικής του Χάρβαρντ η οποία βρίσκεται στο Ν. Πόλο, και η οποία ύστερα από παρατηρήσεις εννέα ετών μας είπε ότι εντόπισε την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων με τη μορφή ρυτιδώσεων στο χωρόχρονο, που προέρχονταν από τις πρώτες απειροελάχιστες στιγμές της γέννησης του Σύμπαντος, πριν από 13,82 δισεκατομμύρια έτη. Δυστυχώς όμως, δέκα μήνες μετά, αποδείχτηκε ότι ο εντοπισμός οφειλόταν σε άλλα άσχετα φαινόμενα.
Σε μία άλλη προσπάθεια που έγινε μερικές δεκαετίες νωρίτερα, είχαμε ορισμένες «ισχυρές ενδείξεις» για την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων, μετά την ανακάλυψη ενός συστήματος δύο πάλσαρ, το 1974 από τους Αμερικανούς αστροφυσικούς Russel Hulse και Joseph Taylor, οι οποίοι τιμήθηκαν για την ανακάλυψή τους με το Βραβείο Νόμπελ, το 1993.
Παρατηρώντας αυτά τα άστρα νετρονίων, διαπίστωσαν ότι η περίοδος της τροχιάς τους μειώνονταν, γεγονός που πρέπει να οφείλονταν στην εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Αν και οι μεταβολές αυτές ήταν απειροελάχιστες, εντούτοις αντιστοιχούσαν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προέβλεπε η Γενική Σχετικότητα. Μάλιστα, καθώς τα δύο άστρα νετρονίων στροβιλίζονται όλο και πιο κοντά το ένα στο άλλο, υπολογίστηκε ότι θα συγκρουστούν σε περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια.
Παρ’ όλα αυτά, χωρίς την πειραματική τους επιβεβαίωση τίποτα δεν θα ήταν σίγουρο. Όπως χαρακτηριστικά έλεγε και ο Richard Feynman, ο νομπελίστας φυσικός του 1965: «Δεν έχει καμιά σημασία πόσο όμορφη είναι μια θεωρία, ή πόσο έξυπνος είναι αυτός που την διαμόρφωσε, ή πιο είναι το όνομά του. Αν διαφωνεί με τα πειραματικά δεδομένα, ή την παρατήρηση, είναι σίγουρα λάθος. Τελεία και παύλα».

Η παρατήρηση που ανακοινώθηκε πριν από ένα χρόνο, αποτελεί όντως απόδειξη της ύπαρξης των Βαρυτικών Κυμάτων; Πόσο πιθανό είναι να πρόκειται για εσφαλμένη παρατήρηση, όπως και στην περίπτωση του 2014;

Πράγματι, με τη δημοσίευση των αποτελεσμάτων, αποδείχτηκε ότι η σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών, η μία με μάζα 36 ηλιακών μαζών και η άλλη με 29 ηλιακές μάζες, σε απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη, δημιούργησε βαρυτικά κύματα.
Λίγο πριν από τη σύγκρουση, μάλιστα, οι δύο μαύρες τρύπες περιφέρονταν η μία γύρω από την άλλη 250 φορές το δευτερόλεπτο, ενώ η ταχύτητα περιφοράς τους έφτανε τα 150.000 χλμ. το δευτερόλεπτο. Η σύγκρουση εκείνη δημιούργησε μια μεγαλύτερη μαύρη τρύπα με μάζα 62 ηλιακές μάζες, ενώ οι τρεις «χαμένες» ηλιακές μάζες μετετράπησαν σε ενέργεια βαρυτικών κυμάτων η οποία, ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, θα ήταν αντίστοιχη με την ενέργεια που εκπέμπουν 50 φορές όλα τα άστρα του Σύμπαντος! Παρ’ όλα αυτά η παραμόρφωση που κατέγραψαν τα δύο συμβολόμετρα LIGO στη Λουιζιάνα και την Ουάσιγκτον (που είχαν δημιουργηθεί γι’ αυτού του είδους τις παρατηρήσεις) δεν υπερέβαινε τα τέσσερα χιλιοστά της διαμέτρου ενός πρωτονίου.
Η πιθανότητα κάποιου λάθους στην παρατήρηση αυτή είναι μία στο εκατομμύριο, που στην ουσία την καθιστά βεβαιότητα! Όπως βεβαιότητα είναι επίσης και η επόμενη απονομή του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής το ερχόμενο Φθινόπωρο στους τρεις κύριους δημιουργούς του LIGO, τους Reiner Weiss, Kip Thorne και Ronald Drever, στους οποίους έχουν ήδη απονεμηθεί όλα τα σχετικά βραβεία Φυσικής. Και δικαίως, γιατί ήδη η ανάπτυξη των παρατηρητηρίων LIGO, απέδειξαν πανηγυρικά την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων. Μ’ αυτό τον τρόπο, μας άνοιξαν ένα σπουδαίο νέο παράθυρο ανακαλύψεων για τα τεκταινόμενα στο Σύμπαν, αφού μπορούμε πλέον να «ακούσουμε» για πρώτη φορά τους ψιθύρους του Σύμπαντος να μάς «μιλάνε», μια και οι συχνότητες των βαρυτικών αυτών κυμάτων είναι συχνότητες που ακούει το ανθρώπινο αυτί.

Ποιες είναι λοιπόν οι νέες ανακαλύψεις που μας αποκαλύπτουν τα Βαρυτικά Κύματα;

Με την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων του LIGO αποδείχτηκε, μεταξύ άλλων, πως οι μαύρες τρύπες δεν είναι απλώς μαθηματικά μόνο κατασκευάσματα της θεωρίας του Αϊνστάιν αλλά υπάρχουν πράγματι στο Σύμπαν ακόμη και σε διπλά συστήματα τέτοιων αντικειμένων. Μέχρι τώρα δεν είχαμε ποτέ μια τόσο άμεση πληροφόρηση που να προέρχεται από τις ίδιες τις μαύρες τρύπες, αν και είχαμε φυσικά ενδείξεις για την ύπαρξή τους από άλλες πηγές.
Τα βαρυτικά κύματα μπορούν να περιγράψουν επίσης και τη βίαιη προέλευσή τους, ενώ η συχνότητα και η έντασή τους στον χρόνο μάς αποκαλύπτουν την ιστορία της πηγής που τα δημιούργησε, τη μάζα, την ταχύτητα περιστροφής, το σχήμα της τροχιάς, τη θέση της και την απόστασή της. Κι όχι μόνο αυτό, αφού μπορούν επίσης να μας αποκαλύψουν και το τι συνέβη στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη γέννηση του Σύμπαντος. Γιατί, όπως η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου είναι η ηλεκτρομαγνητική υπογραφή της Μεγάλης Εκρηξης, μπορεί να υπάρχει επίσης κι ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων που ίσως να δημιουργήθηκε με την απότομη διόγκωση του σύμπαντος, στη φάση της πληθωριστικής του διαστολής στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του πρώτου δευτερολέπτου της ύπαρξής του.

Εκείνη η πρώτη παρατήρηση του 2015, είναι η μοναδική που έχει ανακοινωθεί μέχρι σήμερα;

Όχι, βέβαια! Στα μέσα του περασμένου Ιουνίου οι ερευνητές του LIGO ανακοίνωσαν τον εντοπισμό ενός ακόμη σήματος, που παρατηρήθηκε τα ξημερώματα της επομένης ημέρας των Χριστουγέννων του 2015 και το οποίο προέρχονταν από την σύγκρουση (καθώς και τις τελευταίες 27 περιφορές πριν απ’ αυτή) δύο μικρότερων μαύρων τρυπών, 14 και 8 ηλιακών μαζών αντίστοιχα, σε απόσταση 1,4 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.
Η δεύτερη αυτή σύγκρουση, είχε σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας μαύρης τρύπας 21 ηλιακών μαζών ενώ τα υλικά μιας ολόκληρης ηλιακής μάζας είχαν μετατραπεί, σε κλάσμα του δευτερολέπτου, σε βαρυτική ενέργεια η οποία έφτασε στη Γη με την μορφή κυματισμών στο χωροχρονικό συνεχές του Σύμπαντος, και η οποία αντιστοιχεί με την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας ίσης μ’ αυτήν που εκπέμπουν ένα τρισεκατομμύριο γαλαξίες σαν τον δικό μας.
Έκτοτε και επί 10 περίπου μήνες, τα εργαστήρια σταμάτησαν την λειτουργία τους για να βελτιωθεί η ευαισθησία των παρατηρήσεών τους, και επανέλαβαν την λειτουργία τους μόλις τον περασμένο Νοέμβριο που αναμένεται να συνεχιστεί μέχρι τον ερχόμενο Μάιο. Με το εργαστήριο της Λουιζιάνας να έχει ήδη μία αυξημένη ευαισθησία περίπου 15-25% μεγαλύτερη από την περσινή, αναμένεται ότι στη διάρκεια αυτού του εξαμήνου θα υπάρξουν μέχρι και δέκα νέες καταγραφές βαρυτικών κυμάτων, ενώ στα επόμενα ένα με δύο χρόνια τέτοιου είδους καταγραφές φαίνεται ότι μπορεί να γίνονται σε καθημερινή βάση, αφού υπολογίζεται ότι τέτοιου είδους συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών στο Σύμπαν συμβαίνουν μια φορά κάθε 15 λεπτά.
Δεν θα ήταν μάλιστα καθόλου παράξενο, εάν στην πρώτη επέτειο της επίσημης ανακοίνωσης, σε μερικές ημέρες, γίνει μία ακόμη ανακοίνωση νέων καταγραφών βαρυτικών κυμάτων από το LIGO. Αναμένεται επίσης και η λειτουργία ενός ακόμη παρόμοιου ανιχνευτή, ονόματι Virgo, κοντά στην Πίζα της Ιταλίας, που θα βοηθήσει μελλοντικά στον ακριβέστερο εντοπισμό της πηγής προέλευσης των κυματισμών αυτών.

Υπάρχουν άλλες, νεότερες εκτιμήσεις από αυτή την καταγραφή;

Πράγματι, δύο ερευνητικές ομάδες από τα Πανεπιστήμια Τζονς Χόπκινς και Τόκιο, ανεξάρτητα η μία από την άλλη, εκτιμούν ότι οι μικρομεσαίες μαύρες τρύπες που εμπλέκονται σ’ αυτές τις συγκρούσεις ίσως να προέρχονται από τις πρώτες στιγμές της γέννησης του Σύμπαντος, πριν από 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια.
Οι δύο αυτές ομάδες ερευνητών, εκτιμούν ότι αυτού του είδους τα αντικείμενα πρέπει να είναι οι «αρχέγονες» μαύρες τρύπες, όπως προβλέπονται από ορισμένες θεωρίες της γέννησης του Σύμπαντος και οι οποίες είχαν απασχολήσει την επιστημονική κοινότητα την δεκαετία του 1990, ενώ άλλοι ερευνητές θεωρούν ότι τέτοιου είδους μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να αποτελέσουν και την λύση της ύπαρξης της «Σκοτεινής Ύλης», που συνεισφέρει το 85% της Ύλης του Σύμπαντος.
Άλλοι πάλι υπολογισμοί των δεδομένων από τις δύο πρώτες παρατηρήσεις, εκτιμούν ότι οι μαύρες αυτές τρύπες προέρχονται από την απ’ ευθείας κατάρρευση μεγάλων ποσοτήτων ύλης, χωρίς την προηγούμενη έκρηξη μιας σουπερνόβα - όπως συμβαίνει με τις «κανονικές αστρικές» μαύρες τρύπες.
Είναι, πάντως, βέβαιο ότι το νέο αυτό παράθυρο που μας άνοιξε η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων θα μας αποκαλύψει πολλά από τα μυστικά που κρύβουν οι μαύρες τρύπες, αλλά και γενικότερα το Σύμπαν.

Πηγή: http://www.skai.gr/