Η χθεσινή ανακοίνωση LIGO VIRGO για τα βαρυτικά κύματα


Όπως ανέφερα σε χθεσινή μου ανάρτηση η ανακοίνωση που έγινε από τα συνεργαζόμενα ερευνητικά εργαστήρια LIGO στην Αμερική και VIRGO στην Ιταλία στο 235ο Συνέδριο της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας (AAS, Χαβάη, 5-8 Ιανουαρίου) στο οποίο συμμετέχουν 3.500 άτομα αφορούσε, όπως ήταν φυσικό, τον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων, μια ανακάλυψη που ήταν μέχρι τώρα διφορούμενη. Με την έναρξη της τρίτης περιόδου ερευνών Βαρυτικών Κυμάτων τον περασμένο Απρίλιο και μέσα στη διάρκεια ενός μηνός εντοπίστηκαν πέντε διαφορετικές πηγές τέτοιων κυμάτων από διαφορετικές πηγές. Μία απ’ αυτές (GW190426) αφορούσε την αφομοίωση ενός άστρου νετρονίων από μία Μαύρη Τρύπα, κάτι που παρατηρήθηκε τότε για πρώτη φορά.
Mια μέρα νωρίτερα όμως παρατηρήθηκαν βαρυτικά κύματα (GW190425) τα οποία θεωρήθηκε ότι οφείλονταν στη σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων (πάλσαρ) με την μορφή μιας “κιλονόβας”, που είναι 1.000 φορές πιο έντονη από τις κανονικές αστρικές εκρήξεις νόβα, γεγονός που βοηθά ιδιαίτερα στη μελέτη τέτοιων κατακλυσμιαίων φαινομένων όχι μόνο με την μορφή βαρυτικών κυμάτων αλλά και ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών τις οποίες μελετούν τα επίγεια και τα διαστημικά μας τηλεσκόπια. Η πηγή αυτή φαίνεται ότι βρίσκονταν σε απόσταση 500 εκατομμυρίων ετών φωτός, ενώ η προηγούμενη παρόμοια δημιουργία βαρυτικών κυμάτων από τη σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων είχε εντοπιστεί δύο χρόνια νωρίτερα, στις 17 Αυγούστου 2017, σε απόσταση 130 εκατομμυρίων ετών φωτός.

H ανακοίνωση παρουσιάζεται στη Χαβάη
https://aas.org/press/AAS-press-conference-webcasts και αμέσως μετά θα προσθέσω τις δικές μου παρατηρήσεις.

Για να γίνει κατανοητό τι συμβαίνει σε τέτοιες περιπτώσεις να υπενθυμίσουμε ότι όταν δύο άστρα νετρονίων (πάλσαρ) 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 16.000 φορές τα υλικά της Γης μετατρέπονται σε βαρέα χημικά στοιχεία μεταξύ των οποίων και ο χρυσός σε ποσότητα που υπολογίζεται ότι φτάνει τις 800 φορές την μάζα της Σελήνης. Κι έτσι μαζί με την δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας, την εκπομπή τεραστίων ποσοτήτων βαρυτικών κυμάτων και εκλάμψεων ακτίνων γάμα, δημιουργούνται επίσης και τα υπόλοιπα βαρέα στοιχεία ανώτερα του σιδήρου.
Στην σημερινή ανακοίνωση επισημαίνεται το γεγονός ότι η συνολική μάζα του ζευγαριού αυτού ήταν πολύ πιο μεγάλη (φτάνει τις 3,4 φορές την μάζα του Ήλιου) απ’ ότι αναμένεται κανονικά όταν σε παρόμοιες περιπτώσεις η μάζα κυμαίνεται μεταξύ 2,5-2,9 φορές την μάζα του Ήλιου. Μετά από μήνες διερεύνησης των πληροφοριών που συνέλεξαν οι δύο ανιχνευτές (Στη Λουϊζιάνα και στην Πίζα) θεωρείται (με πιθανότητα 96%) ότι το αποτέλεσμα της σύγκρουσης των δύο άστρων νετρονίων ήταν η δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας. Αντίθετα στην προηγούμενη σύγκρουση άστρων νετρονίων τον Αύγουστο του 2017 η μάζα καθενός από τα δύο μέλη του ζευγαριού ήταν γύρω στη 1,5 φορά την μάζα του Ήλιου ενώ το αποτέλεσμα της σύγκρουσης ήταν η δημιουργία ενός άστρου νετρονίων με μάζα 2,8 φορές τα υλικά που έχει ο Ήλιος, κι όχι την δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας όπως έγινε στην περίπτωση της σύγκρουσης του περασμένου Απριλίου.
Για τον εντοπισμό των Βαρυτικών Κυμάτων καθένας από τους ανιχνευτές αυτούς αποτελείται από δύο κυλινδρικούς βραχίονες, κάθετους μεταξύ τους, με μήκος 4 χλμ. ο καθένας σε απόλυτο σχεδόν κενό που φτάνει να είναι ίσο με το ένα τρισεκατομμυριοστό της ατμοσφαιρικής πίεσης που επικρατεί στην επιφάνεια της θάλασσας. Στο εσωτερικό των κυλίνδρων εκπέμπονται δέσμες ακτίνων λέιζερ που ανακλώνται συνεχώς από καθρέφτες με αποτέλεσμα η απόσταση των 4 χλμ. να αυξάνεται κατά 280 φορές κάνοντας έτσι το μήκος κάθε βραχίονα ουσιαστικά να είναι ίσο με 1.120 χλμ. Μ’ αυτόν τον τρόπο μπορούμε να μετρήσουμε απειροελάχιστες ταλαντώσεις στις ακτίνες λέιζερ μέχρι και μήκους ενός δεκάκις χιλιοστού της διαμέτρου ενός πρωτονίου.
Στην ουσία οι ανιχνευτές των εργαστηρίων αυτών δεν είναι τίποτε άλλο παρά τεράστια συμβολόμετρα, μιας τεχνικής που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην πιο απλή της μορφή το 1887 στο πείραμα "Michelson-Morley", αν και οι σύγχρονοι ανιχνευτές είναι ουσιαστικά 144.000 φορές μεγαλύτεροι εκείνου. Σήμερα η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ευρέως στην Αστρονομία, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση του συστήματος των ραδιοτηλεσκοπίων ALMA του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου που είναι εγκατεστημένα στη Χιλή. Η δημιουργία τέτοιων εργαστηρίων εγκατεστημένων σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους είναι απαραίτητη γιατί οι ανιχνευτές αυτοί είναι τόσο ευαίσθητοι ώστε μπορούν να καταγράψουν τους κραδασμούς από την διέλευση ενός φορτηγού στην περιοχή τους, μέχρι και τις διακυμάνσεις ενός μικρού σεισμού χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά. Η μεγάλη απόστασή τους χρησιμεύει επίσης και στον καλύτερο εντοπισμό της απόστασης της πηγής των βαρυτικών κυμάτων γιατί λόγω της απόστασης καταγράφονται οι ίδιες βαρυτικές ταλαντώσεις, αλλά με μια ελάχιστα μικρή χρονική καθυστέρηση ίση με δέκα χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Οι ανιχνευτές LIGO και VIRGO και σύντομα κι ένας τέταρτος στην Ιαπωνία (KAGRA), είναι ό,τι καλύτερο διαθέτουμε για τον εντοπισμό των Βαρυτικών Κυμάτων. Γιατί με την λειτουργία τεσσάρων ανιχνευτών ο εντοπισμός της πηγής των Βαρυτικών Κυμάτων θα είναι τρεις φορές πιο ακριβής απ’ ό,τι μέχρι τώρα. Κι έτσι στο άμεσο μέλλον υπολογίζεται ότι θα υπάρξουν ακόμη πιο μεγάλες δυνατότητες απ’ ότι προηγουμένως αφού η έκταση των παρατηρήσεων των ανιχνευτών αυτών θα επεκταθεί με την δημιουργία κι άλλων ανιχνευτών όχι μόνο στην επιφάνεια της Γης (όπως στην Ινδία) αλλά και στο διάστημα (με το πρόγραμμα LISA). Με την ενεργοποίηση περισσότερων παρόμοιων εργαστηρίων η ευαισθησία τους θα γίνει ακόμη πιο μεγάλη. 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.
Απλώς να υπενθυμίσουμε για την ιστορία ότι η ύπαρξη Βαρυτικών Κυμάτων, ένα από τα πλέον βασικά ερωτήματα της Γενικής Σχετικότητας, έμενε επί 100 χρόνια τώρα αναπάντητο. Ο Αϊνστάιν μάλιστα πίστευε ότι αφού η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, με ισχύ 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, η επίδραση των βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει να ήταν εξ ίσου αδύναμη οπότε δεν θα μπορούσαν ποτέ να γίνουν αντιληπτά. Μία έμμεση ένδειξη ότι τα βαρυτικά κύματα πρέπει να υπάρχουν εντοπίστηκε το 1974 από τους αμερικανούς αστροφυσικούς Russel Hulse και Joseph Taylor που τους χάρισε μάλιστα και το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1993. Οι μελέτες που έκαναν τότε σε ένα διπλό σύστημα άστρων νετρονίων παρατήρησαν ότι η περίοδος της τροχιάς τους μειώνονταν γεγονός που πρέπει να οφείλονταν στην εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Αν και οι μεταβολές αυτές ήταν ελάχιστες, εντούτοις αντιστοιχούσαν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προβλέπει η Γενική Σχετικότητα.
Φυσικά η έμμεση εκείνη ένδειξη έγινε άμεση με την δημοσίευση (στις 11 Φεβρουαρίου 2016) των αποτελεσμάτων της παρατήρησης που έγινε στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 (στις 12:51 μ.μ. ώρα Ελλάδος) για 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 όλα τα άστρα του Σύμπαντος! Παρ’ όλα αυτά η παραμόρφωση που κατέγραψαν τα δύο συμβολόμετρα LIGO στη Λουιζιάνα και την Ουάσγκτον (που είχαν δημιουργηθεί γι’ αυτού του είδους τις παρατηρήσεις) δεν υπερέβαινε τα τέσσερα χιλιοστά της διαμέτρου ενός πρωτονίου.
Το σημαντικό είναι ότι η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων μάς ανοίγει ένα καινούργιο παράθυρο ανακαλύψεων γιατί στην ουσία μπορούμε να "ακούσουμε" για πρώτη φορά τους ψιθύρους του Σύμπαντος να μάς "μιλάνε", αφού οι συχνότητες των βαρυτικών αυτών κυμάτων είναι συχνότητες που μπορεί να ακούσει το ανθρώπινο αυτί. Κι έτσι τα βαρυτικά κύματα μπορούν να περιγράψουν τη βίαιη προέλευσή τους, την ιστορία της πηγής που τα δημιούργησε, την μάζα, την ταχύτητα περιστροφής, το σχήμα της τροχιάς, την θέση της και την απόστασή της. Κι όχι μόνο, 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 Έκρηξης, μπορεί να υπάρχει επίσης κι ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων που πρέπει να δημιουργήθηκε με την απότομη διόγκωση του Σύμπαντος στην φάση της πληθωριστικής του διαστολής στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του πρώτου δευτερολέπτου της ύπαρξής του. Μας ανοίγεται έτσι ένας νέος κόσμος ανακαλύψεων που υπόσχεται να μας αποκαλύψει πολλά από τα άγνωστα μέχρι τώρα μυστικά του Σύμπαντος.

Η εργασία και οι σχετικές πληροφορίες βρίσκονται εδώ:
https://dcc.ligo.org/LIGO-P190425/public

του Διονύσιου Σιμόπουλου Επίτιμου διευθυντή Ευγενιδείου Πλανηταρίου

Σχόλια

Δημοφιλείς αναρτήσεις