Το Νόμπελ Φυσικής 1993 στους Russell Hulse και Joseph Taylor που άνοιξαν το δρόμο για τα βαρυτικά κύματα

hulsejtaylorΤο Νόμπελ Φυσικής για το 1993 μοιράστηκαν οι Russell Hulse (1950) και Joseph Taylor (1941), από το Πανεπιστήμιο του Princeton, για την ανακάλυψη ενός νέου τύπου πάλσαρ, μια ανακάλυψη που άνοιξε νέες δυνατότητες για τη μελέτη των κυμάτων της βαρύτητας.

Στις 2 Ιουλίου του 1974 ανακαλύφθηκαν τα πρώτα σήματα από ένα δυαδικό πάλσαρ, δύο άστρα νετρονίων που περιφέρονταν το ένα γύρω από το άλλο.

Αποδείχθηκε δε πως αυτά μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να επιδειχθεί η ύπαρξη της ακτινοβολίας βαρύτητας. Φαινόταν ότι ο Αϊνστάιν είχε για μια ακόμη φορά δίκιο.

Όταν ένα αστέρι πεθαίνει και το φως του εξασθενίζει αρκετά, μπορεί να μετασχηματιστεί σε πάλζαρ. Κατόπιν εξαφανίζεται.  Δεν το βλέπουμε πλέον. Όμως είναι εκεί. Στέλνει ραδιοσήματα αντί ορατής ακτινοβολίας.

Μια επίγεια ραδιοκεραία που στοχεύει σε αυτό το αστρονομικό αντικείμενο μπορεί να λάβει ένα σήμα με την ίδια συχνότητα που το παλιό άστρο περιστρέφεται. Από την λέξη pulsating radio signal (ραδιοσήμα που πάλλεται) προέρχεται η ονομασία του "pulsar".

Ο διπλός πάλσαρ PSR 1913+ 16 που ανακαλύφθηκε από τους Russel Hulse και Jοe Τaylοr, παρουσιάζει δύο μεγάλα πλεονεκτήματα: αφ’ ενός ως διπλό σύστημα μας παρέχει έναν τρόπο να μελετήσουμε τη βαρύτητα εν δράσει, αφ’ ετέρου διαθέτει τον πάλσαρ ο οποίος λειτουργεί ως εξαιρετικά ακριβές χρονόμετρο. Οι πάλσαρ πιστεύεται ότι είναι άστρα πολύ υψηλής πυκνότητας που συνίστανται κατά κύριο λόγο από νετρόνια.

Ο εν λόγω διπλός πάλσαρ αποτελείται από τον πάλσαρ και από ένα ακόμη συμπαγές άστρο, και οι δύο ραδιοαστρονόμοι διαπίστωσαν ότι η τροχιακή τους περίοδος ελαττωνόταν ακριβώς με το ρυθμό που αναμένεται στην περίπτωση που υπάρχει εκπομπή βαρυτικής ακτινοβολίας.

Το κρίσιμο σημείο έγκειται στο ότι η μείωση της τροχιακής περιόδου του διπλού συστήματος συμφωνούσε με την πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας η οποία περιγράφει το φαινόμενο πολύ καλύτερα από τις ανταγωνίστριες βαρυτικές θεωρίες. ‘Έτσι, η συγκεκριμένη παρατήρηση ενίσχυσε την πίστη μας στην ορθότητα της εν λόγω θεωρίας.

Αποτελούν το υπόλειμμα που άφησε πίσω της μια έκρηξη σουπερνόβα.  Το άστρο περιστρέφεται ταχύτατα, με αποτέλεσμα να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς που χαρακτηρίζονται από απόλυτη κανονικότητα. Ο πάλσαρ των Hulse και Taylοr εκπέμπει παλμούς με περίοδο 0,0590299952709 δευτερολέπτων!

Η ακρίβεια μέχρι δέκατου τρίτου δεκαδικού υπογραμμίζει την κανονικότητα των πάλσαρ, η οποία τους καθιστά εξαιρετικά ακριβή χρονόμετρα.

Από την Ιστορία της Φυσικής

Πάλζαρ και άστρα νετρονίων

Το 1967 οι ραδιοαστρονόμοι Jocelyn Bell και Antony Hewish (Νόμπελ Φυσικής το 1974) ανακάλυψαν ένα αντικείμενο που εξέπεμπε γρήγορους ραδιοπαλμούς – ένα πάλσαρ. Γρήγορα ανακαλύφθηκε ότι τα πάλσαρ ήταν άστρα νετρονίων, που για πολύ καιρό είχαν γίνει αντικείμενα θαυμασμού.

magneticpulsar

Τα ραδιοκύματα από το πάλζαρ εκπέμπονται σε δύο δέσμες που σαρώνουν όλο το διάστημα με τον ίδιο ρυθμό καθώς το πάλζαρ περιστρέφεται

Το άστρο νετρονίων είναι ένα βαρύ άστρο που έχει κάψει όλα του τα πυρηνικά καύσιμα καθώς αυτό πέρασε πρώτα από τη φάση της υπερκαινοφανούς έκρηξης. Μπορεί τότε να απομείνει ένα μικρό, συμπαγές, άστρο, στο οποίο η βαρύτητα είναι τόσο μεγάλη που τα ηλεκτρόνια εισχωρούν στο πυρήνα και μαζί με τα πρωτόνια σχηματίζουν νετρόνια. Η πυκνότητα του άστρου τότε είναι τεράστια. Έχει διάμετρο περίπου 20 km και βάρος τουλάχιστον σαν τον Ήλιο μας.

Το πάλσαρ  είναι ένα ταχύτατα περιστερφόμενο άστρο νετρονίων με ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Έχει μια ταχύτατη ιδιοπεριστροφή (αρκετές εκατοντάδες φορές ανά δευτερόλεπτο). Από τους μαγνητικούς του πόλους εκπέμπονται ραδιοκύματα σε δύο δέσμες σχήματος κώνου. Καθώς το άστρο περιστρέφεται, αυτές οι ακτίνες σαρώνουν τριγύρω το διάστημα σαν το φως των φάρων. Κάθε φορά που στρέφεται ένας πόλος προς τη Γη μπορούμε να καταγράψουμε και από ένα ραδιοπαλμό.

Έρευνα της βαρύτητας με ένα δυαδικό πάλσαρ

Η ανακάλυψη του νέου τύπου πάλσαρ έγινε το 1974 από τους Russell Hulse και Joseph Taylor που χρησιμοποίησαν το ραδιοτηλεσκόπιο των 300m στο Arecibo του Πουέρτο Ρίκο. Ο Taylor, που έγινε μετά καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης, Amherst, και ο ερευνητής σπουδαστής του Hulse έψαχναν συστηματικά για πάλσαρ – ένα είδος γρήγορα περιστρεφόμενου κοσμικού φάρου με μια μάζα κάπως μεγαλύτερη από αυτή του ήλιου και με μια ακτίνα περίπου δέκα χιλιομέτρων. (Ένας άνθρωπος στην επιφάνεια του πάλσαρ θα ζύγιζε περίπου εκατό χιλιάδες εκατομμύρια φορές περισσότερο απ’ ό,τι στη Γη.) Το φως του "φάρου" πάλσαρ βρίσκεται συχνά μέσα στην περιοχή των ραδιοκυμάτων.

Το πρώτο πάλσαρ ανακαλύφθηκε το 1967 στο Εργαστήριο της Ραδιοαστρονομίας στο Κέιμπριτζ της Αγγλίας (βραβείο Νόμπελ 1974 στον Antony Hewish). Αυτό όμως που ήταν νέο για το πάλσαρ των Hulse και Taylor ήταν ότι, από τη συμπεριφορά της ακτινοβολίας του, θα μπορούσε να συναχθεί το συμπέρασμα ότι συνοδεύεται από ένα εξίσου βαρύ αντικείμενο-σύντροφο και σε μια απόσταση που αντιστοιχεί μόνο σε μερικές φορές την απόσταση του φεγγαριού από τη Γη. Η συμπεριφορά αυτού του αστρονομικού συστήματος παρεκκλίνει πολύ από αυτή που μπορεί να υπολογιστεί για ένα ζευγάρι μεγάλων σωμάτων χρησιμοποιώντας τη θεωρία του Νεύτωνα. Έτσι παρατηρώντας το ζεύγος αυτό στο "διαστημικό εργαστήριο" μπορεί να εξετασθεί σοβαρά η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και οι εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας. Μέχρι τότε, η θεωρία του Αϊνστάιν είχε περάσει με επιτυχία τις εξετάσεις. Με μεγάλο ενδιαφέρον αναμενόταν η πρόβλεψη της θεωρίας ότι το δυαδικό σύστημα πρέπει να χάνει ενέργεια με την εκπομπή των κυμάτων της βαρύτητας με σχεδόν τον ίδιο τρόπο που ένα σύστημα με επιταχυνόμενα φορτία εκπέμπει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Η σημασία της ανακάλυψης του δυαδικού πάλσαρ

Η ανακάλυψη του πρώτο δυαδικού πάλσαρ είχε μεγάλη σημασία πρώτιστα για την αστροφυσική και τη φυσική της βαρύτητας. Η βαρύτητα είναι η παλαιότερη γνωστή φυσική αλληλεπίδραση, αυτή που γνωρίζουμε στην καθημερινή ζωή. Συγχρόνως είναι υπό μια έννοια η δύναμη που είναι η πιο δύσκολη να μελετηθεί δεδομένου ότι είναι πάρα πολύ ασθενής σε σχέση με τις άλλες τρεις φυσικές δυνάμεις: την ηλεκτρομαγνητική δύναμη καθώς και την ισχυρή, ασθενή πυρηνική δύναμη. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας και της επιστήμης μετά από το Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο με τους πυραύλους, τους δορυφόρους, τα διαστημικά ταξίδια, τη ραδιοαστρονομία, την τεχνολογία ραντάρ και την ακριβή μέτρηση του χρόνου με τη χρήση των ατομικών ρολογιών οδήγησε σε μια αναγέννηση της μελέτης αυτής της πρώτης γνωστής φυσικής δύναμης. Η ανακάλυψη του δυαδικού πάλζαρ αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα σε αυτήν την ιστορική ανάπτυξη.

Θεωρία σχετικότητας και βαρύτητας φυσική

Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αλβέρτου Αϊνστάιν, η βαρύτητα προκαλείται από τις αλλαγές στη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου, ο χωρόχρονος κάμπτεται κοντά στις μάζες. Ο Αϊνστάιν παρουσίασε τη θεωρία του το 1915 και έγινε παγκόσμια γνωστός όταν το 1919 ο Άγγλος αστροφυσικός Arthur Eddington ανήγγειλε ότι μια από τις προβλέψεις της θεωρίας, η γωνιακή εκτροπή της ακτίνας ενός άστρου που περνά κοντά στην επιφάνεια του ήλιου  – η κάμψη μιας ακτίνας προς τον ήλιο – είχε ελεγχθεί σε μια αποστολή κατά τη διάρκεια της ηλιακής έκλειψης. Αυτή η εκτροπή του φωτός μαζί με μια μικρή συμβολή της Γενικής Σχετικότητας στη κίνηση κοντά στο περιήλιον του Ερμή (μια αργή περιστροφή της ελλειπτικής τροχιάς του Ερμή γύρω από τον ήλιο), ήταν για αρκετές δεκαετίες η μόνη και εν μέρει μάλλον αβέβαιη, υποστήριξη για τη θεωρία του Αϊνστάιν.

Για πολύ καιρό η θεωρία της σχετικότητας θεωρήθηκε αισθητικά πολύ όμορφη και ικανοποιητική, πιθανώς σωστή, αλλά μικρής πρακτικής σημασίας στη φυσική εκτός από τις εφαρμογές στην κοσμολογία, τη μελέτη της προέλευσης, της ανάπτυξης και τη δομή του Σύμπαντος.

Η στάση απέναντι στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας άλλαξε, εντούτοις, κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ’60 όταν οι πειραματικές και οι θεωρητικές εξελίξεις έκαναν τη φυσική βαρύτητας ένα επίκαιρο κομμάτι της φυσικής. Χάρις στην τεχνολογία των δορυφόρων και των ραντάρ, δημιουργήθηκαν νέες ευκαιρίες για ακριβή πειράματα. Ειδικότερα, η έρευνα των Αμερικανών Ρ. Dicke και Ι. Shapiro συνέβαλαν σε αυτό. Ο Dicke εκτέλεσε πειράματα ακρίβειας στα οποία η επίδραση του βαρυτικού πεδίου του ήλιου πάνω στη Γη χρησιμοποιήθηκε για την επαλήθευση της Αρχής της Ισοδυναμίας, την ταύτιση μεταξύ της βαρυτικής και αδρανειακής μάζας – μια από τις βασικές αρχές της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (και επίσης διάφορων εναλλακτικών θεωριών βαρύτητας). Σημαντική συνεισφορά είχε επίσης η πειραματική επαλήθευση από τον Shapiro της θεωρητικής πρόβλεψης, με τη χρησιμοποίηση των ανακλάσεων του ραντάρ από τον Ερμή, μιας νέας συνέπειας της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας – του φαινομένου της χρονικής καθυστέρησης για τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα που περνούν μέσω των πεδίων βαρύτητας.

Όλα αυτά τα πειράματα, εντούτοις, περιορίστηκαν στο ηλιακό μας σύστημα με τα πολύ ασθενή βαρυτικά πεδία και συνεπώς μικρών αποκλίσεων, πολύ δύσκολα να μετρηθούν, από τη Νευτώνεια θεωρία της βαρύτητας. Ως εκ τούτου ήταν δυνατό να εξεταστεί η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και άλλων θεωριών μόνο στην πρώτη μετα-Νευτώνεια προσέγγιση.

Η ανακάλυψη δυαδικού πάλσαρ

Οι Hulse και Taylor ανακάλυψαν το 1974 το πρώτο δυαδικό πάλσαρ, που ονομάστηκε PSR 1913 + 16 (το PSR σημαίνει πάλσαρ, και το 1913 + 16 ταυτοποιεί τη θέση του πάλζαρ στον ουρανό) φέρνοντας έτσι μια επανάσταση στο πεδίο αυτό. Στο σύστημα αυτό υπάρχουν δύο πολύ μικρά αστρονομικά αντικείμενα, το κάθε ένα με μια ακτίνα περίπου δέκα χιλιομέτρων αλλά με μια μάζα συγκρίσιμη με αυτήν του ήλιου, και σε μια απόσταση το ένα από το άλλο, μερικές φορές την απόσταση της Σελήνης από τη Γη.

Εδώ οι αποκλίσεις από τη Νευτώνεια βαρυτική φυσική είναι μεγάλες. Σαν παράδειγμα μπορεί να αναφερθεί ότι η μετατόπιση του αντίστοιχου περιηλίου για το άστρο (το περίαστρον), η περιστροφή της ελλειπτικής τροχιάς που το πάλσαρ (σύμφωνα με τον πρώτο νόμο Kepler) ακολουθεί σε αυτό το σύστημα, είναι σε ετήσια βάση 4 μοίρες. Η αντίστοιχη σχετικιστική μετατόπιση για το ευνοϊκότερο παράδειγμα στο ηλιακό μας σύστημα, η προαναφερθείσα κίνηση του περιηλίου του Ερμή, είναι 43 δευτερόλεπτα του τόξου ανά αιώνα. Η διαφορά στο μέγεθος μεταξύ των μετατοπίσεων οφείλεται εν μέρει στην τροχιακή ταχύτητα του δυαδικού πάλσαρ, το οποίο είναι σχεδόν πέντε φορές μεγαλύτερο από αυτό του Ερμή, και εν μέρει λόγω του πάλσαρ που εκτελεί περίπου 250 φορές περισσότερος περιστροφές σε ένα έτος από τον Ερμή. Ο χρόνος περιφοράς του δυαδικού πάλσαρ είναι κάτι μικρότερος από οκτώ ώρες, που μπορεί να συγκριθεί με τον έναν μήνα που θέλει το φεγγάρι μας για να περιστραφεί γύρω από τη Γη.

Μια πολύ σημαντική ιδιότητα του νέου πάλσαρ είναι ότι η περίοδος του παλμού του, ο χρόνος μεταξύ δύο σημάτων του (0.05903 δευτερόλεπτα) έχει αποδειχθεί ότι είναι εξαιρετικά σταθερός, σε αντιδιαστολή με αυτό που ισχύει για πολλά άλλα πάλσαρ. Η περίοδος του παλμού του πάλσαρ αυξάνεται κατά τι λιγότερο από 5% κατά τη διάρκεια 1 εκατομμυρίου ετών. Αυτό σημαίνει ότι το πάλσαρ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένα ρολόι ακριβείας, που μπορεί να ανταγωνιστεί με τα καλύτερα ατομικά ρολόγια. Αυτό είναι ένα πολύ χρήσιμο χαρακτηριστικό γνώρισμα κατά τη μελέτη των χαρακτηριστικών του συστήματος.

Η πολύ σταθερή περίοδος του παλμού είναι στην πραγματικότητα ο μέσος όρος της περιόδου του παλμού που παρατηρείται στη Γη κατά τη διάρκεια του χρόνου που χρειάζεται για να κάνει μια περιστροφή το σύστημα του πάλσαρ. Η παρατηρηθείσα περίοδος μεταβάλλεται στην πράξη αρκετές δεκάδες μικροδευτερόλεπτα. Αυτή η μεταβολή οφείλεται στο φαινόμενο Doppler, και οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το παρατηρηθέν πάλζαρ κινείται σε μια περιοδική τροχιά, που σημαίνει ότι πρέπει να έχει ένα σύντροφο άστρο. Καθώς το πάλζαρ πλησιάζει τη Γη, οι παλμοί φθάνουν στη Γη με μεγαλύτερη συχνότητα. Καθώς αυτό υποχωρεί φθάνουν με μικρότερη συχνότητα. Από την παραλλαγή στην περίοδο του παλμού, μπορούν να βγουν συμπεράσματα για τη ταχύτητα του πάλσαρ στην τροχιά του και άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα του συστήματος.

Επίδειξη των κυμάτων βαρύτητας

Μια πολύ σημαντική παρατήρηση έγινε επειδή το σύστημα παρακολουθείτο για κάμποσα χρόνια. Κι αυτή συμφωνούσε με τις θεωρητικές προβλέψεις που είχαν γίνει αμέσως μετά από την αρχική ανακάλυψη του πάλζαρ. Διαπιστώθηκε ότι η περίοδος της τροχιάς μειώνεται. Τα δύο αστρονομικά σώματα περιστρέφονται ολοένα και πιο γρήγορα το ένα γύρω από το άλλο, σε μια όλο και περισσότερο κλειστή τροχιά. Η μεταβολή βέβαια είναι πολύ μικρή. Αντιστοιχεί σε μια μείωση της περιόδου της τροχιάς περίπου 75 χιλιοστά του ενός δευτερολέπτου ετησίως, αλλά, λόγω της παρατήρησης του κατά τη διάρκεια αρκετών χρόνων, έγινε εντούτοις μετρήσιμη. Αυτή η μεταβολή θεωρήθηκε ότι εμφανίστηκε επειδή το σύστημα εκπέμπει ενέργεια υπό μορφή κυμάτων βαρύτητας σύμφωνα με αυτό που πρόβλεψε ο Αϊνστάιν το 1916. Συγκεκριμένα αυτό πρέπει να συμβαίνει στις μάζες που κινούνται σχετικά η μια ως προς την άλλη. Σύμφωνα με τα πιο πρόσφατα στοιχεία, η θεωρητικά υπολογισμένη τιμή από τη θεωρία της Σχετικότητας συμφωνεί με, περίπου, μισό τοις εκατό με την παρατηρηθείσα τιμή. Η πρώτη αναφορά αυτής της επίδρασης έγινε από τον Taylor και τους συναδέλφους του στα τέλη του 1978, τέσσερα χρόνια αφότου αναφέρθηκε η ανακάλυψη του δυαδικού πάλζαρ.

gravwaves

Από ένα δυαδικό πάλσαρ, εκπέμπονται επίσης τα κύματα βαρύτητας

Η καλή συμφωνία μεταξύ της παρατηρηθείσας τιμής και της θεωρητικά υπολογισμένης τιμής της τροχιακής πορείας μπορεί να θεωρηθεί ως έμμεση απόδειξη της ύπαρξης των κυμάτων βαρύτητας. Θα πρέπει πιθανώς να περιμένουμε λίγα χρόνια ακόμη για μια άμεση επίδειξη της ύπαρξής τους. Πολλά προγράμματα ήδη έχουν αρχίσει για πάρουμε άμεσες παρατηρήσεις των κυμάτων  βαρύτητας που προσκρούουν επάνω στη Γη (πρόγραμμα LIGO κλπ).

Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα δυαδικό πάλσαρ είναι πάρα πολύ ασθενικό για να παρατηρηθεί στη Γη με τις υπάρχουσες τεχνικές. Εντούτοις, ίσως οι βίαιες διαταραχές της ύλης που πραγματοποιούνται όταν πλησιάζουν δύο αστρονομικά αντικείμενα σε ένα δυαδικό αστέρι (ή δυαδικό πάλσαρ) πολύ κοντά το ένα με το άλλο, μπορούν να προκαλέσουν κύματα βαρύτητας που θα μπορούσαν να παρατηρηθούν κι εδώ στη Γη.

Αναμένεται επίσης να είμαστε σε θέση να παρατηρήσουμε κι άλλα πολλά βίαια γεγονότα στο Σύμπαν. Η αστρονομία των κυμάτων βαρύτητας είναι ένας πολύ πρόσφατος, αλλά μέχρι τώρα μη αποδεδειγμένος, κλάδος της παρατηρησιακής αστρονομίας. Ένας άλλος κλάδος είναι η αστρονομία νετρίνων. Η αστρονομία κυμάτων βαρύτητας θα ήταν τότε η πρώτη παρατηρητική τεχνική για την οποία η βασική αρχή εξετάστηκε αρχικά σε ένα αστροφυσικό πλαίσιο. Όλες οι προηγούμενες παρατηρητικές τεχνικές στην αστρονομία έχουν βασιστεί στα φυσικά φαινόμενα που έγιναν αρχικά γνωστά με μια επίγεια σύνδεση.

Advertisements