Βαρυτικά κύματα: Απαντήσεις για μια ανακάλυψη συγκρίσιμη με την αποκρυπτογράφηση του DNA

Σάββατο, 13 Φεβρουαρίου 2016 20:44
National Science Foundation
Την περασμένη Πέμπτη, οι επικεφαλής του πειράματος LIGO στις ΗΠΑ ανακοίνωσαν πως ανίχνευσαν άμεσα τέτοιες διαταραχές που διαδίδονται στο χωροχρονικό συνεχές, όπως προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Του Κώστα Δεληγιάννη

Αν και Άλμπερτ Αϊνστάιν περιέγραψε πριν από 100 χρόνια τα βαρυτικά κύματα, ο ίδιος δεν φανταζόταν πως θα υπήρχε ποτέ η τεχνολογική δυνατότητα να ανιχνευθούν – αφού αυτό θα σήμαινε πως θα χρειαζόταν να μετρηθούν απειροελάχιστες παραμορφώσεις του χώρου, οι οποίες στην απόσταση Γης-Σελήνης θα ισοδυναμούσαν περίπου με τη διάμετρο ενός μόλις ατόμου.

Κι όμως την περασμένη Πέμπτη, οι επικεφαλής του πειράματος LIGO στις ΗΠΑ ανακοίνωσαν πως ανίχνευσαν άμεσα τέτοιες διαταραχές που διαδίδονται στο χωροχρονικό συνεχές, όπως προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Επομένως, δικαίωσαν τον Αϊνστάιν δείχνοντας επίσης πως η τεχνολογία έχει εξελιχθεί σε τέτοιο βαθμό, που ούτε ένας από τους μεγαλύτερους φυσικούς όλων των εποχών δεν μπορούσε να διανοηθεί έναν αιώνα νωρίτερα.

Τι όμως περιέγραψε ο «πατέρας» της Γενικής Σχετικότητας με τον όρο βαρυτικά κύματα και ποιες είναι οι συνέπειες για τη φυσική από την ανίχνευσή τους; Απαντήσεις σε τέτοια ερωτήματα δείχνουν γιατί επιστήμονες όπως ο Κάρστεν Ντάνζμαν από το Ινστιτούτο Max Planck στη Γερμανία συγκρίνουν το επίτευγμα του Advanced LIGO με την ανακάλυψη του «σωματιδίου του Θεού» και την αποκρυπτογράφηση του DNA.

Τι είναι τα βαρυτικά κύματα;

Πρόκειται για διαταραχές οι οποίες διαδίδονται στον χωρόχρονο. Αν βρισκόμασταν σε ένα πλοίο που έπλεε σε τελείως ήρεμη θάλασσα, θα βλέπαμε η κίνησή του να δημιουργεί «ρυτιδώσεις», οι οποίες διαχέονται σε ολοένα μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας του νερού.  Τα βαρυτικά κύματα είναι οι αντίστοιχες «ρυτιδώσεις» που δημιουργεί η κίνηση των υλικών σωμάτων μέσα στο χωροχρονικό συνεχές, το οποίο έχει τέσσερις διαστάσεις (τρεις χωρικές και μία χρονική) και, σύμφωνα με τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, παραμορφώνεται. Έτσι, οι βαρυτικές δυνάμεις προκαλούνται από την καμπύλωση του χωροχρόνου.

Τι σημαίνει πως πρόκειται για την πρώτη άμεση ανίχνευση;

Έμμεσες ενδείξεις υπάρχουν από το 1974, όταν οι φυσικοί Τσόζεφ Τέιλορ και Ράσελ Χαλς μελέτησαν ένα σύστημα δύο πάλσαρ, δηλαδή δύο περιστρεφόμενων αστέρων νετρονίων που εκπέμπουν ακτινοβολία. Η περίοδος περιστροφής του συστήματος μειώνεται αφού, όπως προβλέπει η Γενική Σχετικότητα, χάνει ενέργεια εκπέμποντας βαρυτικά κύματα. Μάλιστα, αποδεικνύοντας πως οι τιμές συμφωνούν με μεγάλη ακρίβεια με τα αποτελέσματα από τις θεωρητικές εξισώσεις, το 1993 κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ φυσικής.

Γιατί χρειάσθηκαν 100 χρόνια για να εντοπισθούν;

Επειδή είναι εξαιρετικά ασθενή. Ακόμη και σώματα με τερατώδη μάζα που κινούνται με τεράστιες επιταχύνσεις, όπως για παράδειγμα ένα ζεύγος από μαύρες τρύπες οι οποίες στροβιλίζονται η μία γύρω από την άλλη, εκπέμπουν κύματα τα οποία προκαλούν απειροελάχιστες παραμορφώσεις – περίπου 1000 φορές μικρότερες από τη διάμετρο ενός πρωτονίου.

Πώς λειτουργεί το Advanced LIGO;

Όταν τα βαρυτικά κύματα «συναντούν» ένα αντικείμενο, αλλοιώνουν το μέγεθός του – συστέλλοντας τη διάστασή του που είναι παράλληλη με τη διεύθυνση διάδοσης των κυμάτων και διαστέλλοντάς το στο επίπεδο που είναι κάθετο στη διεύθυνση διάδοση.

Κάθε ανιχνευτής του Advanced LIGO αποτελείται από δύο σήραγγες μήκους 4 χιλιομέτρων, οι οποίες είναι κάθετες μεταξύ τους. Στην κοινή τους βάση, μία συσκευή διαιρεί μία δέσμη λέιζερ, στέλλοντας από μία σε κάθε σήραγγα. Κάθε δέσμη θα διατρέξει τη σήραγγα, θα ανακλασθεί στο άκρο από ένα κάτοπτρό, και θα επιστρέψει. Αν οι δέσμες ταξιδέψουν ίσες αποστάσεις, τότε θα γυρίσουν ταυτόχρονα πίσω στη βάση. Αν όμως περάσει από τη διάταξη κάποιο βαρυτικό κύμα, τότε αυτό θα αλλοιώσει τις αποστάσεις που διανύουν οι δέσμες – μία αλλαγή που μπορούν να ανιχνεύσουν οι επιστήμονες.

Το Advanced LIGO, στο οποίο συμμετέχουν περίπου 1.000 επιστήμονες από 15 χώρες, διαθέτει δύο τέτοιες διατάξεις – μία στη Λουιζιάνα και μία στην Ουάσιγκτον. Ο λόγος είναι ο περιορισμός του πειραματικού λάθους αφού, αν ανιχνευθεί κάποιο σήμα στη μία διάταξη, θα πρέπει σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου να καταγραφεί και στην άλλη.

Σε πόσο χρόνο το πείραμα πέτυχε τον στόχο του;

Η πρώτη φάση διήρκεσε από το 2002 μέχρι το 2010, χωρίς να υπάρξει αποτέλεσμα. Με τη λήξη της οι διατάξεις αναβαθμίσθηκαν, μία διαδικασία που διήρκεσε 5 χρόνια και κόστισε 200 εκατομμύρια δολάρια. Η δεύτερη φάση του πειράματος, το οποίο μετονομάσθηκε από LIGO σε Advanced LIGO, ξεκίνησε επίσημα στις 18 Σεπτεμβρίου 2015.

Από πού προήλθε το κύμα που ανιχνεύθηκε;

Από τη συγχώνευση δύο μελανών οπών, με μάζες 36 και 29 φορές μεγαλύτερες από τη μάζα του Ήλιου, σε απόσταση περίπου 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Σε ένα τέτοιο φαινόμενο, αρχικά οι δύο μαύρες τρύπες αρχίζουν να στροβιλίζονται η μία γύρω από την άλλη, με τις ταχύτητές του να αυξάνονται προοδευτικά και να μειώνεται η απόστασή τους. Όταν τελικά συγχωνευθούν, προκύπτει μία νέα μαύρη με ακανόνιστο σχήμα σε πρώτη φάση, το οποίο στην πορεία γίνεται σφαιρικό.

Πότε έγινε η ανίχνευση;

Στις 14 Σεπτεμβρίου, δηλαδή τέσσερις ημέρες πριν από την επίσημη έναρξη της δεύτερης φάσης του πειράματος. Το σήμα καταγράφηκε πρώτα στη Λουιζιάνα και, επτά χιλιοστά του δευτερολέπτου αργότερα, στη διάταξη της Ουάσιγκτον. Στη συνέχεια, η ανάλυση έδειξε πως συμφωνούσε απόλυτα σε διαταραχές από τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών.

Τι αποδείχθηκε με αυτό τον τρόπο;

Κατ’ αρχάς μία από τις τελευταίες προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας που δεν είχε επαληθευτεί με παρατηρησιακά δεδομένα. Επίσης, πέρα από μια ακόμη απόδειξη για την ύπαρξη των μελανών οπών, ήταν η πρώτη φορά που επιστήμονες μπόρεσαν να παρατηρήσουν τη συγχώνευση δύο μελανών οπών και να την αντιπαραβάλουν με τη θεωρητική πρόβλεψη για την εξέλιξή της.

Τι αλλάζει για την αστρονομία;

Ούτε λίγο ούτε πολύ ανοίγει τον δρόμο για έναν εντελώς καινούριο τρόπο μελέτης του σύμπαντος. Επειδή τα βαρυτικά κύματα είναι διαταραχές στον χωρόχρονο, πολλές φορές παραλληλίζονται με τους ήχους – δηλαδή τις δονήσεις που διαδίδονται στον αέρα και αντιλαμβανόμαστε με την ακοή μας. Σε αυτό το πλαίσιο, πολλοί ειδικοί σημείωσαν χαρακτηριστικά πως η αστρονομία αποκτά μία επιπλέον «αίσθηση».

Πρακτικά, αυτό σημαίνει πως τα τηλεσκόπια ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων θα επιτρέπουν στους επιστήμονες να «ακούν» τα κοσμικά φαινόμενα, εκτός από το να τα «βλέπουν» με τα συμβατικά τηλεσκόπια που χρησιμοποιούν έως σήμερα.

Τέτοια φαινόμενα είναι οι εκρήξεις υπερκαινοφανών και τα ζεύγη από αστέρες νετρονίων ή μελανών οπών, τη στιγμή που οι βαρυτικές διαταραχές θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν ως μια επιπλέον μέθοδος μέτρησης της ταχύτητας διαστολής του σύμπαντος, ενδεχομένως βελτιώνοντας τους σημερινούς υπολογισμούς.

Ποιος ο ρόλος του Advanced LIGO από εδώ και πέρα;

Το πείραμα συνεχίζει να αναζητά βαρυτικά κύματα, επομένως σύντομα η ανίχνευσή τους θα αρχίσει να γίνεται σε τακτική βάση. Τα φαινόμενα που βρίσκονται ψηλά στη λίστα του για μελέτη είναι οι συγχωνεύσεις μελανών οπών και οι αστέρες νετρονίων. Το Advanced LIGO συνεργάζεται επίσης με άλλες ανάλογες διατάξεις στον κόσμο, όπως το Virgo στην Ιταλία ή το GEO600 στη Γερμανία, με σκοπό να μπορεί να προσδιορίζει καλύτερα από πού προέρχονται τα κύματα που ανιχνεύει.