Ιστορική επιβεβαίωση της ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων

Ακριβώς πριν από 100 χρόνια, ο πατέρας της Σχετικότητας προέβλεψε την ύπαρξή αυτού του παράξενου φαινομένου, αργότερα όμως άλλαξε γνώμη και μάλιστα αρκετές φορές. Ακριβώς εκατό χρόνια μετά, το αμερικανικό πείραμα LIGO φαίνεται πως επιβεβαίωσε τον Άλμπερτ Αϊνστάιν για τα περίφημα βαρυτικά κύματα.

«Κυρίες και κύριοι, ανιχνεύσαμε βαρυτικά κύματα. Τα καταφέραμε!» ανακοίνωσε πανηγυρικά ο Ντέιβιντ Ρέιτζε, εκτελεστικός διευθυντής του LIGO, μιλώντας σε συνέντευξη Τύπου του αμερικανικού Εθνικού Ιδρύματος Επιστήμης το απόγευμα της Πέμπτης στην Ουάσινγκτον.

Στις 14 Σεπτεμβρίου, ανέφερε η εκπρόσωπος του πειράματος Γκέιμπι Γκονζάλες, και οι δύο ανιχνευτές LIGO στις ΗΠΑ, οι οποίοι απέχουν μεταξύ τους 3.000 χιλιόμετρα, κατέγραψαν το πολυπόθητο σήμα με διαφορά 7 χιλιοστών του δευτερολέπτου -όσο θα περίμενε κανείς για ένα κύμα που ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός.

«Μπορεί κανείς να πιστέψει ότι οι παραμορφώσεις είναι αληθινές μόνο αν τις δει σε δύο μέρη που βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους» εξήγησε η Γκονζάλες.

Δύο από τους βασικούς συντελεστές του LIGO, ο Ράινερ Ράις του MIT (A) και ο Κιπ Θορν του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια (Caltech) αγκαλιάστηκαν κατά την ανακοίνωση της ανακάλυψης στην Ουάσινκγτον (Reuters)

Το σήμα προήλθε από δύο μαύρες τρύπες σε απόσταση 1,2 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Οι μαύρες τρύπες βρέθηκαν σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, κινήθηκαν σπειροειδώς η μία προς την άλλη και τελικά συγκρούστηκαν και συγχωνεύτηκαν, παράγοντας πανίσχυρα κύματα που έφτασαν μέχρι τους ανιχνευτές.

Εκεί καταγράφηκε μια απειροελάχιστη μεταβολή, μικρότερη από τη διάμετρο ενός πρωτονίου, στις διαστάσεις δύο κάθετων σωλήνων μήκους 4 χιλιομέτρων. Εκείνη τη στιγμή, ολόκληρη η Γη τεντώθηκε και συρρικνώθηκε ανεπαίσθητα.

Το σήμα μετατράπηκε από τους ερευνητές σε ηχητικό αρχείο, το οποίο τους επέτρεψε να ακούσουν τον ήχο δύο μελανών οπών που συγκρούονται.

O «ήχος» της σύγκρουσης δύο μελανών οπών

Η ανακάλυψη έχει γίνει δεκτή για δημοσίευση σε μια σειρά άρθρων στις επιθεωρήσεις Physical Review Letters και The Astrophysical Journal. Η στατιστική αξιοπιστία των ευρημάτων φτάνει μάλιστα τα «5,1 σίγμα», πάνω από το όριο των 5 σίγμα που θεωρείται συνήθως το στάνταρτ για την επιβεβαίωση ανακαλύψεων στο χώρο της σωματιδιακής φυσικής.

Εφόσον αντέξει τον έλεγχο της επιστημονικής κοινότητας, η ανακάλυψη πιστεύεται ευρέως ότι θα βραβευτεί με Νόμπελ, πιθανώς φέτος.

Από τη βαρύτητα στα βαρυτικά κύματα

Η μεγάλη επανάσταση που έφερε η γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν είναι ότι περιέγραψε τη δύναμη της βαρύτητας ως παραμόρφωση του χώρου και του χρόνου.

Αν κανείς φανταστεί τον τετρασδιάστατο χωροχρόνο ως επίπεδη επιφάνεια, οποιαδήποτε μάζα υπάρχει σε αυτήν την επιφάνεια δημιουργεί ένα βαθούλωμα, σαν να αφήνει κανείς ένα καρπούζι πάνω σε τεντωμένο σεντόνι.

Το 1916, ένα χρόνο μετά την δημοσίευση της θεωρίας της γενικής σχετικότητας, ο Αϊνστάιν προέβλεψε ότι τα αντικείμενα μεγάλης μάζας που κινούνται επιταχυνόμενα παράγουν κυματισμούς στο χωροχρόνο που διαδίδονται προς όλες τις κατευθύνσεις με την ταχύτητα του φωτός.

Τα κύματα αυτά ονομάστηκαν βαρυτικά επειδή παραμορφώνουν το «σεντόνι» του χωροχρόνου όπως η βαρύτητα.

Πρακτικά, τα βαρυτικά κύματα τεντώνουν το χώρο σε μια διάσταση (ας πούμε κατά μήκος) και τον συμπιέζουν σε μια άλλη (ας πούμε κατά πλάτος), μεταβάλοντας ανεπαίσθητα τις διαστάσεις των αντικειμένων που συναντούν την πορεία τους.

Το πρόβλημα είναι ότι δεν μπορεί να μετρήσει κανείς αυτή τη μεταβολή με έναν απλό χάρακα –ο ίδιος ο χάρακας θα μάκραινε ή θα γινόταν κοντύτερος μαζί με το αντικείμενο που θα έπρεπε να μετρήσει.

Στους ανιχνευτές LIGO, δύο κάθετες δέσμες λέιζερ μετρούν με ακρίβεια το μήκος δύο σωλήνων μήκους 4 χιλιομέτρων (Πηγή: LIGO)

Τη λύση έδωσαν οι ανιχνευτές LIGO, οι οποίοι άρχισαν να συλλέγουν δεδομένα το 2001 και αναβαθμίστηκαν πέρυσι, λίγο πριν καταγράψουν το πολυπόθητο σήμα.

Καθένας από τους ανιχνευτές αποτελείται από δύο κάθετους βραχίονες μήκους 4 χιλιομέτρων, μέσα στους οποίους αναπηδούν δύο κάθετες δέσμες λέιζερ.

Τα λέιζερ ουσιαστικά συγκρίνουν διαρκώς το μήκος των δύο κάθετων σωλήνων και καταγράφουν απειροελάχιστες αποκλίσεις, 10.000 φορές μικρότερες από ένα πρωτόνιο -τόσο μικρές που οι μετρήσεις πρέπει να διακόπτονται κάθε φορά που περνά ένα τρένο σε απόσταση πολλών χιλιομέτρων ή ένα δέντρο πέφτει με γδούπο.

Το σήμα που καταγράφηκε στις 14 Σεπτεμβρίου υπολογίζεται ότι προέρχεται από τη σύγκρουση δύο μελανών οπών με μάζα 29 φορές και 36 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου.

Προσμοίωση των βαρυτικών κυμάτων που παρήγαγαν οι μαύρες τρύπες

Η σύγκρουση απελευθέρωσε ενέργεια που αντιστοιχεί σε 3 φορές τη μάζα του Ήλιου (η ενέργεια και η μάζα είναι ισοδύναμες στη Σχετικότητα) και εξαπλώθηκε στο Διάστημα από τα βαρυτικά κύματα.

Η ενέργεια αυτή είναι μεγαλύτερη από ό,τι εκπέμπουν στον ίδιο χρόνο όλα τα άστρα του ορατού Σύμπαντος μαζί.

«Είναι μακράν η πιο ισχυρή έκρηξη που έχει καταγράψει ο άνθρωπος μετά τη Μεγάλη Έκρηξη» επισήμανε ο Κιπ Θορν του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια (Caltech), βασικός συντελεστής της προσπάθειας

Παράθυρο στο Σύμπαν

Εκτός του ότι επιβεβαιώνει τον Αϊνστάιν, η ανακάλυψη στο LIGO αναμένεται να προσφέρει έναν νέο, επαναστατικό τρόπο παρατήρησης του Σύμπαντος.

Τα περισσότερα από όσα γνωρίζουμε για τον Κόσμο προέρχεται από παρατηρήσεις της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας –το ορατό και αόρατο φως που φτάνει σε τηλεσκόπια και ραδιοτηλεσκόπια.

Το πρόβλημα είναι ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπλοκάρεται από σύννεφα σκόνης ή άλλα αντικείμενα που βρίσκονται ανάμεσα στην πηγή της ακτινοβολίας και τον παρατηρητή.

Αυτό δεν ισχύει για τα βαρυτικά κύματα, τα οποία διαδίδονται στην ίδια την υφή του Σύμπαντος, διαπερνώντας ανενόχλητα ολόκληρους γαλαξίες.

Οι υφιστάμενοι και οι μελλοντικοί ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσαν λοιπόν να καταγράψουν βίαια φαινόμενα που θα ήταν αδύνατο να δουν τα τηλεσκόπια.

Βαρυτικά κύματα πιστεύεται για παράδειγμα ότι παράγονται από άστρα νετρονίων και μαύρες τρύπες που συγκρούονται ή ακόμα και από γερασμένα άστρα που εκρήγνυνται σε σουπερνόβα (το υλικό τους επιταχύνεται απότομα καθώς εκτοξεύεται προς τα έξω).

Ακόμα και ο κλάδος της κοσμολογίας θα είχε πολλά να κερδίσει από την παρατήρηση αυτών των ρυτιδώσεων στο χωροχρόνο: βαρυτικά κύματα πιστεύεται ότι κατέκλυσαν ολόκληρο το Σύμπαν μια στιγμή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Τον Μάρτιο του 2014, διεθνής ερευνητική ομάδα προκάλεσε σάλο όταν ανακοίνωσε ότι εντόπισε ίχνη μιας ιδιαίτερης κατηγορίας βαρυτικών κυμάτων, τα οποία πρέπει να εμφανίστηκαν μια στιγμή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η μελέτη όμως τέθηκε υπό αμφισβήτηση, και η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων παρέμενε ανεπιβεβαίωτη μέχρι σήμερα.

Τώρα που η θεωρία επιβεβαιώνεται, οι ερευνητές του LIGO έχουν λόγο να συνεργαστούν ακόμα πιο στενά με αντίστοιχα πειράματα σε άλλες χώρες, όπως οι ευρωπαϊκοί ανιχνευτές GEO600 και Virgo.

Για το μέλλον σχεδιάζονται ακόμα μεγαλύτεροι ανιχνευτές, αποτελούμενοι από δορυφόρους που μετρούν με ακρίβεια τη μεταξύ τους απόσταση.

Παράδειγμα είναι η αποστολή LISA της ευρωπαϊκής διαστημικής υπηρεσίας ESA, η οποία προγραμματίζεται να εκτοξευτεί το 2034.

Βαγγέλης Πρατικάκης

Newsroom ΑΛΤΕΡ ΕΓΚΟ