Δ. Σιμόπουλος: Εντοπισμός Βαρυτικών Κυμάτων

Μία από τις πλέον εντυπωσιακές προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας του Albert Einstein είναι και η ύπαρξη Βαρυτικών Κυμάτων, που όμως έμεναν επί 100 χρόνια απαρατήρητα, μέχρις ότου στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, στα δύο εργαστήρια LIGO (που είχαν δημιουργηθεί για τον εντοπισμό Βαρυτικών Κυμάτων) σήμανε συναγερμός!
Τα δύο εργαστήρια, στη Λουϊζιάνα και στην Ουάσιγκτον σε απόσταση 3.000 χλμ. μεταξύ τους, είχαν μερικές μόνον ημέρες από τότε που είχαν τεθεί σε λειτουργία μετά την αναβάθμισή τους, και με την πρώτη πέτυχαν διάνα! Εκείνη την ημέρα (στις 12:51 μ.μ. ώρα Ελλάδος) εντόπισαν την 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. Λίγο πριν από την σύγκρουση 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 μία 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 όλοι οι γαλαξίες του Σύμπαντος! Παρ’ όλα αυτά η παραμόρφωση που κατέγραψαν τα δύο συμβολόμετρα LIGO δεν υπερέβαινε τα τέσσερα χιλιοστά της διαμέτρου ενός πρωτονίου, ενώ η πιθανότητα κάποιου λάθους στη παρατήρηση αυτή ήταν μία στο εκατομμύριο, που στην ουσία αποτελεί μία βεβαιότητα! Ας πάρουμε, όμως, τα πράγματα από την αρχή.

Όπως είναι γνωστό η μεγαλύτερη ανακάλυψη του Einstein ήταν η διαπίστωσή του πως η βαρύτητα δεν είναι στην πραγματικότητα μία δύναμη αλλά το αποτέλεσμα της παραμόρφωσης των τεσσάρων διαστάσεων του χωρόχρονου. Οποιοδήποτε μικρό ή μεγάλο κομμάτι ύλης, πλανήτης, άστρο, ή γαλαξίας, παραμορφώνει την δομή του χωρόχρονου γύρω του. Καθώς τα διάφορα αντικείμενα κινούνται μέσα στο Σύμπαν είναι σαν να κυλάνε μέσα, έξω, και γύρω απ' αυτές τις παραμορφώσεις, ενώ η κίνηση τους επηρεάζεται απ’ αυτές παρ’ όλο που δεν μπορούμε να τις δούμε. Αντίθετα, εκείνο το οποίο βλέπουμε είναι το αποτέλεσμα που έχει στα διάφορα αυτά αντικείμενα η επίδραση της φαινομενικά μυστηριώδους δύναμης που ονομάζουμε βαρύτητα, με άλλα λόγια “η ύλη λεει στο 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.

Τα τελευταία 100 χρόνια, η βαρυτική θεωρία του Einstein έχει γίνει αποδεκτή ως η πιο ικανοποιητική απ' όλες τις άλλες. Επί πλέον η θεωρία αυτή περιλαμβάνει με τον καλύτερο τρόπο όλα όσα γνωρίζουν μέχρι σήμερα οι επιστήμονες για τη βαρύτητα. Παρόλα αυτά ακόμη κι αυτή άφηνε ορισμένα βασικά ερωτήματα αναπάντητα, όπως: η παραμόρφωση του χωρόχρονου συμβαίνει άραγε «αστραπιαία» ή μήπως μεταδίδεται με τη μορφή κυμάτων; Η αναζήτηση του Einstein για μια απάντηση στο ερώτημα αυτό, 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 που όμως θα προέρχονταν τέτοια βαρυτικά κύματα; Οι αναζητήσεις του Einstein τον οδήγησαν σε μια εκπληκτική διαπίστωση: ακριβώς όπως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δημιουργούνται από την κίνηση ηλεκτρικών φορτίων και διαδίδονται στον χωρόχρονο, έτσι θα πρέπει να υπάρχουν και βαρυτικά κύματα που θα δημιουργούνται από τη βίαιη μετακίνηση μεγάλων μαζών και θα εμφανίζονται ως πτυχώσεις στη δομή του χωρόχρονου. Ο Einstein υπέθεσε ότι διάφορα καταστροφικά κοσμικά συμβάντα, όπως η τελική εκρηκτική κατάρρευση ενός ετοιμοθάνατου άστρου, ή η σπειροειδής σύμπτυξη ενός ζεύγους άστρων νετρονίων ή μαύρων τρυπών, θα πρέπει να εκπέμπουν και 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 αφού η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, με ισχύ 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης (δύναμης), η επίδραση των βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει να ήταν εξ ίσου αδύναμη οπότε δεν θα μπορούσαν ποτέ να γίνουν αντιληπτά. Γι’ αυτό, άλλωστε, και δεν είχαν εντοπιστεί μέχρι τώρα, κι έτσι η θεωρία του Einstein για τα βαρυτικά κύματα παρέμενε χωρίς αποδείξεις.

Κι όμως στις 11 Φεβρουαρίου 2016 η ομάδα ερευνητών στα εργαστήρια LIGO ανακοίνωσαν τα αποτελέσματα της παρατήρησης που έγινε στις 14 Σεπτεμβρίου 2015. Και δεν έφτανε μόνον αυτό αφού στα μέσα Ιουνίου 2016 το LIGO ξαναχτύπησε και πάλι όταν οι ερευνητές του ανακοίνωσαν τον εντοπισμό ενός ακόμη σήματος που παρατηρήθηκε τα ξημερώματα της 26ης Δεκεμβρίου του 2015 και το οποίο προέρχονταν από την σύγκρουση, και τις τελευταίες 27 περιφορές πριν απ’ αυτή, δύο μικρότερων μαύρων τρυπών (14 και 8 ηλιακών μαζών) και σε απόσταση 1,4 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Η δεύτερη αυτή σύγκρουση είχε σαν αποτέλεσμα την 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.
Ένα χρόνο αργότερα, στις 4 Ιανουαρίου 2017, παρατηρήθηκε ένα τρίτο σήμα το οποίο προέρχονταν κι αυτό από την σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών (αυτή τη φορά 31 και 19 ηλιακών μαζών). Εάν μάλιστα αληθεύουν κι οι φήμες που κυκλοφόρησαν στα μέσα του περασμένου Αυγούστου τότε οι ανιχνευτές LIGO εντόπισαν και μία τέταρτη σύγκρουση η οποία δημιούργησε βαρυτικά κύματα από την συγχώνευση δύο άστρων νετρονίων (πάλσαρ) που αυτή τη φορά βρίσκονταν στον γαλαξία NGC4993 σε απόσταση 130 εκατομμυρίων ετών φωτός προς την κατεύθυνση του αστερισμού της Ύδρας. Τέτοιου είδους συγκρούσεις ήταν αναμενόμενες από το 1974 όταν δύο αμερικανοί αστροφυσικοί, ο καθηγητής Joseph Taylor και ο μεταπτυχιακός του φοιτητής Russel Hulse, ανακάλυψαν συνολικά 40 νέα πάλσαρ, μεταξύ των οποίων κι ένα διπλό σύστημα άστρων νετρονίων. Σύμφωνα με την Γενική Σχετικότητα του Άλμπερτ Einstein τα δύο αυτά πάλσαρ θα έπρεπε να εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες βαρυτικής ακτινοβολίας και ως εκ τούτου θα έπρεπε να χάνουν ενέργεια με αποτέλεσμα οι τροχιές τους να ελαττώνονται συνεχώς και η περίοδος περιφοράς τους να μικραίνει με αποτέλεσμα να συγκρουστούν σε περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια αφού σύμφωνα με τον Einstein ένα τέτοιο διπλό αστρικό σύστημα εκπέμπει βαρυτικά κύματα και γι’ αυτό η περίοδος της τροχιάς του μικραίνει όλο και πιο πολύ.
Παρόλο που οι μεταβολές που μετρήθηκαν ήταν πάρα πολύ μικρές, εντούτοις αντιστοιχούσαν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προέβλεπε η Γενική Σχετικότητα, γεγονός που αποτελούσε μια έμμεση έστω ένδειξη ότι τα βαρυτικά κύματα που προέβλεψε ο Einstein έπρεπε όντως να υπάρχουν. Για την ανακάλυψή τους αυτή οι δύο ερευνητές έλαβαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1993, αφού ο εντοπισμός του διπλού αυτού πάλσαρ θεωρήθηκε ότι πρόσθετε ένα φυσικό εργαστήριο για την μελέτη της βαρύτητας και των βαρυτικών κυμάτων που σύμφωνα με την θεωρία θα έπρεπε να εκπέμπονται. Είναι ήδη γνωστό ότι η ύπαρξη των πάλσαρ είναι αποτέλεσμα της απότομης και υπερβολικά γρήγορης βαρυτικής κατάρρευσης των υλικών της καρδιάς ενός γιγάντιου άστρου και στη τρομαχτική συμπίεση του αστρικού κέντρου. Κάτω από την τεράστια αυτή συμπίεση τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια συγχωνεύονται με τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια του πυρήνα με αποτέλεσμα την δημιουργία νετρονίων και νετρίνων. Κι ενώ τα νετρίνα δραπετεύουν άμεσα από το άστρο, μεταφέροντας μάλιστα και αρκετή από την ενέργειά του, τα νεοσχηματισμένα νετρόνια παραμένουν εκεί και ενώνονται με τα ήδη υπάρχοντα νετρόνια των ατομικών πυρήνων.

Αποτέλεσμα αυτής της συμπίεσης είναι η δημιουργία μιας σφαίρας μερικών χιλιομέτρων με την πιο λεία, στερεή επιφάνεια που έχει γνωρίσει ποτέ το Σύμπαν. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι μ’ ένα άστρο νετρονίων που περιστρέφεται σαν σβούρα δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Υλικά από ένα τέτοιο άστρο με μέγεθος όσο είναι το κεφάλι μιας καρφίτσας, θα "ζύγιζαν" ένα εκατομμύριο τόνους, όσο δέκα σύγχρονα αεροπλανοφόρα, ενώ ένα μωρό 5 κιλών στην επιφάνειά του θα "ζύγιζε" 50 εκατομμύρια τόνους! Αν η Γη μας είχε συμπιεστεί σε μια σφαίρα με την πυκνότητα που έχει ένα τέτοιο άστρο θα χωρούσε άνετα στο εσωτερικό του κλειστού Σταδίου "Ειρήνης και Φιλίας". Όταν λοιπόν δύο τέτοια άστρα νετρονίων βρεθούν το ένα δίπλα στο άλλο, αρχίζει ένας ναπολιτάνικος χορός που αργά ή γρήγορα θα καταλήξει στην σύγκρουσή τους και στη δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας με το 90% των υλικών των δύο πάλσαρ. Κατά την διάρκεια όμως της σύγκρουσης μία ποσότητα υλικών ίση με χίλιες φορές τα υλικά της Γης μετατρέπονται σε βαρέα χημικά στοιχεία, ενώ συγχρόνως εκπέμπονται τεράστιες ποσότητες βαρυτικών κυμάτων.
Με την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων του LIGO μάς ανοίγεται ένα καινούργιο παράθυρο ανακαλύψεων αφού μπορούμε 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. Κι έτσι στο άμεσο μέλλον υπολογίζεται ότι θα υπάρξουν ακόμη πιο μεγάλες δυνατότητες απ’ ότι προηγουμένως αφού η έκταση των παρατηρήσεων των δύο ανιχνευτών θα μεγεθυνθεί, ενώ κι άλλοι ανιχνευτές, όπως ο Virgo σε λειτουργία κοντά στην Πίζα της Ιταλίας, θα βοηθήσουν στον ακριβέστερο εντοπισμό της πηγής προέλευσης των κυματισμών αυτών. Στους επόμενους μήνες μάλιστα προβλέπεται ότι θα υπάρξουν πολλές ακόμη καταγραφές βαρυτικών κυμάτων, ενώ στα επόμενα δύο χρόνια τέτοιου είδους καταγραφές αναμένεται ότι θα γίνονται σε καθημερινή βάση εμπλουτίζοντας ουσιαστικά τις γνώσεις μας για το Σύμπαν.
Γι’ αυτό, και παρ’ όλο που δεν διαθέτω κάποιο… “κληρονομικό χάρισμα”, θεωρώ αρκετά βέβαιο ότι οι ερευνητές που πρωτοστάτησαν στη δημιουργία και την ανάπτυξη των ειδικών παρατηρητηρίων τα οποία απέδειξαν τελικά την πραγματικότητα της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων θα είναι αυτοί που θα παραλάβουν σε δύο περίπου μήνες το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2017: ο Kip Thorne και ο Rainer Weiss. Υπήρχε κι ένας τρίτος στην παρέα, ο Ronald Drever, με τον οποίο οι προηγούμενοι δύο είχαν μοιραστεί σχεδόν όλα τα σχετικά βραβεία το 2016. Αλλά, παρ’ όλο που ο Νίκος Καζαντζάκης έλεγε πως: “μια αστραπή η ζωή μας… αλλά προφταίνουμε,” ο Drever δυστυχώς δεν πρόφτασε, γιατί πέθανε τον περασμένο Μάρτιο.

Διονύσης Π. Σιμόπουλος