Απαντήσεις για τα βαρυτικά κύματα. Μια ανακάλυψη συγκρίσιμη με την αποκρυπτογράφηση του DNA

στις

Ένα από τα ερωτήματα που έθεσε ο Αϊνστάιν ήταν και το εάν η παραμόρφωση του χωρόχρονου συμβαίνει «αστραπιαία» ή μεταδίδεται με τη μορφή κυμάτων. Η αναζήτηση του Einstein για μια απάντηση, 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 πού όμως θα προέρχονταν τέτοια κύματα βαρύτητας; Ο Einstein υπέθεσε ότι τα κύματα αυτά θα εκπέμπονταν από διάφορα σώματα με τεράστιες μάζες που θα υφίσταντο βίαιες μεταβολές στο Διάστημα.

blackholemergerΤο δεύτερο βαρυτικό κύμα που ανιχνεύτηκε στις 26 Δεκεμβρίου 2015 ονομάζεται GW151226. Ενώ ακριβώς τρεις μήνες μετά την πρώτη πρώτη ανίχνευση βαρυτικού κύματος στην ιστορία της φυσικής, στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, το GW150914.

Καταστροφικά κοσμικά φαινόμενα, όπως η εκρηκτική κατάρρευση ενός ετοιμοθάνατου γιγάντιου άστρου, ή η σπειροειδής σύμπτυξη ενός αστρικού ζεύγους θα πρέπει να εκπέμπουν 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 τα κύματα βαρύτητας ήταν τόσο αδύναμα, ώστε να μην μπορέσουν να γίνουν ποτέ αντιληπτά. Γι’ αυτό και δεν είχαν εντοπιστεί έως τώρα, κι έτσι η θεωρία του Einstein για τα βαρυτικά κύματα παρέμενε χωρίς αποδείξεις. Παρ’ όλα αυτά, οι ενδείξεις που συγκεντρώνονταν τα τελευταία χρόνια οδηγούσαν τους επιστήμονες να συμπεράνουν ότι ο Einstein είχε για άλλη μια φορά δίκιο στους υπολογισμούς του για το Σύμπαν.

anixneusi-barutikon-kumaton-genikis-theorias-tis-sxetikotitasΠριν μερικές δεκαετίες είχαμε ορισμένες «ισχυρές ενδείξεις» για την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων, μετά την ανακάλυψη ενός συστήματος δύο πάλσαρ, το 1974 από τους Αμερικανούς αστροφυσικούς Russel Hulse και Joseph Taylor, οι οποίοι τιμήθηκαν για την ανακάλυψή τους με το Βραβείο Νόμπελ, το 1993.  Παρατηρώντας αυτά τα άστρα νετρονίων, διαπίστωσαν ότι η περίοδος της τροχιάς τους μειώνονταν, γεγονός που πρέπει να οφείλονταν στην εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Αν και οι μεταβολές αυτές ήταν απειροελάχιστες, εντούτοις αντιστοιχούσαν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προέβλεπε η Γενική Σχετικότητα. Μάλιστα, καθώς τα δύο άστρα νετρονίων στροβιλίζονται όλο και πιο κοντά το ένα στο άλλο, υπολογίστηκε ότι θα συγκρουστούν σε περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια.

Πριν από περίπου 1,4 δισεκατομμύρια χρόνια, δυο μακρινές μαύρες τρύπες – η μία με μάζα 36 ηλιακών μαζών και η άλλη με 29 ηλιακές μάζες – πλησίασαν η μία την άλλη και τελικά συγκρούστηκαν σε ένα βίαιο συμβάν που κυριολεκτικά δημιούργησε κύματα στην ίδια την υφή του χωροχρόνου, κύματα που ανιχνεύθηκαν τη στιγμή που έφτασαν στη Γη τον Δεκέμβριο του 2015. Ήταν η δεύτερη φορά που το φαινόμενο γίνεται αντιληπτό από τη Γη από τις ομάδες των LIGO και Virgo, έπειτα από έναν αιώνα παθιασμένης αναζήτησης

Λίγο πριν από τη σύγκρουση, μάλιστα, 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 μια 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 Ουάσιγκτον (που είχαν δημιουργηθεί γι’ αυτού του είδους τις παρατηρήσεις) δεν υπερέβαινε τα τέσσερα χιλιοστά της διαμέτρου ενός πρωτονίου.

Η πιθανότητα κάποιου λάθους στην παρατήρηση αυτή είναι μία στο εκατομμύριο, που στην ουσία την καθιστά βεβαιότητα! Όπως βεβαιότητα είναι επίσης και η επόμενη απονομή του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής το ερχόμενο Φθινόπωρο στους τρεις κύριους δημιουργούς του LIGO, τους Reiner Weiss, Kip Thorne και Ronald Drever, στους οποίους έχουν ήδη απονεμηθεί όλα τα σχετικά βραβεία Φυσικής. Και δικαίως, γιατί ήδη η ανάπτυξη των παρατηρητηρίων LIGO, απέδειξαν πανηγυρικά την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων. Μ’ αυτό τον τρόπο, μας άνοιξαν ένα σπουδαίο νέο παράθυρο ανακαλύψεων για τα τεκταινόμενα στο Σύμπαν, αφού μπορούμε πλέον 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.

Με την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων του LIGO αποδείχτηκε, μεταξύ άλλων, πως οι μαύρες τρύπες δεν είναι απλώς μαθηματικά μόνο κατασκευάσματα της θεωρίας του Αϊνστάιν αλλά υπάρχουν πράγματι στο Σύμπαν ακόμη και σε διπλά συστήματα τέτοιων αντικειμένων. Μέχρι τώρα δεν είχαμε ποτέ μια τόσο άμεση πληροφόρηση που να προέρχεται από τις ίδιες τις μαύρες τρύπες, αν και είχαμε φυσικά ενδείξεις για την ύπαρξή τους από άλλες πηγές.

Τα βαρυτικά κύματα μπορούν να περιγράψουν επίσης και τη βίαιη προέλευσή τους, ενώ η συχνότητα και η έντασή τους στον χρόνο μάς αποκαλύπτουν την ιστορία της πηγής που τα δημιούργησε, τη μάζα, την ταχύτητα περιστροφής, το σχήμα της τροχιάς, τη θέση της και την απόστασή της. Κι όχι μόνο αυτό, 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 ίσως να δημιουργήθηκε με την απότομη διόγκωση του σύμπαντος, στη φάση της πληθωριστικής του διαστολής στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του πρώτου δευτερολέπτου της ύπαρξής του.

Μετά από την πρώτη παρατήρηση του 2015, στα μέσα του περασμένου Ιουνίου (2016) οι ερευνητές του LIGO ανακοίνωσαν τον εντοπισμό ενός ακόμη σήματος, που παρατηρήθηκε τα ξημερώματα της επομένης ημέρας των Χριστουγέννων του 2015 και το οποίο προέρχονταν από την σύγκρουση (καθώς και τις τελευταίες 27 περιφορές πριν απ’ αυτή) δύο μικρότερων μαύρων τρυπών, 14 και 8 ηλιακών μαζών αντίστοιχα, σε απόσταση 1,4 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.

Η δεύτερη αυτή σύγκρουση, είχε σαν αποτέλεσμα τη 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.

Έκτοτε και επί 10 περίπου μήνες, τα εργαστήρια σταμάτησαν την λειτουργία τους για να βελτιωθεί η ευαισθησία των παρατηρήσεών τους, και επανέλαβαν την λειτουργία τους μόλις τον περασμένο Νοέμβριο του 2016, που αναμένεται να συνεχιστεί μέχρι τον ερχόμενο Μάιο του 2017. Με το εργαστήριο της Λουιζιάνας να έχει ήδη μία αυξημένη ευαισθησία περίπου 15-25% μεγαλύτερη από την περσινή, αναμένεται ότι στη διάρκεια αυτού του εξαμήνου θα υπάρξουν μέχρι και δέκα νέες καταγραφές βαρυτικών κυμάτων, ενώ στα επόμενα ένα με δύο χρόνια τέτοιου είδους καταγραφές φαίνεται ότι μπορεί να γίνονται σε καθημερινή βάση, αφού υπολογίζεται ότι τέτοιου είδους συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών στο Σύμπαν συμβαίνουν μια φορά κάθε 15 λεπτά.

LIGOLIGO

Δεν θα ήταν μάλιστα καθόλου παράξενο, εάν στην πρώτη επέτειο της επίσημης ανακοίνωσης, σε μερικές ημέρες, γίνει μία ακόμη ανακοίνωση νέων καταγραφών βαρυτικών κυμάτων από το LIGO

. Αναμένεται επίσης και η λειτουργία ενός ακόμη παρόμοιου ανιχνευτή, ονόματι Virgo, κοντά στην Πίζα της Ιταλίας, που θα βοηθήσει μελλοντικά στον ακριβέστερο εντοπισμό της πηγής προέλευσης των κυματισμών αυτών.

Επίσης, δύο ερευνητικές ομάδες από τα Πανεπιστήμια Τζονς Χόπκινς και Τόκιο, ανεξάρτητα η μία από την άλλη, εκτιμούν ότι οι μικρομεσαίες μαύρες τρύπες που εμπλέκονται σ’ αυτές τις συγκρούσεις ίσως να προέρχονται από τις πρώτες στιγμές της γέννησης του Σύμπαντος, πριν από 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια.

Οι δύο αυτές ομάδες ερευνητών, εκτιμούν ότι αυτού του είδους τα αντικείμενα πρέπει να είναι οι «αρχέγονες» μαύρες τρύπες, όπως προβλέπονται από ορισμένες θεωρίες της γέννησης του Σύμπαντος και οι οποίες είχαν απασχολήσει την επιστημονική κοινότητα την δεκαετία του 1990, ενώ άλλοι ερευνητές θεωρούν ότι τέτοιου είδους μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να αποτελέσουν και την λύση της ύπαρξης της «Σκοτεινής Ύλης», που συνεισφέρει το 85% της Ύλης του Σύμπαντος.

Άλλοι πάλι υπολογισμοί των δεδομένων από τις δύο πρώτες παρατηρήσεις, εκτιμούν ότι οι μαύρες αυτές τρύπες προέρχονται από την απ’ ευθείας κατάρρευση μεγάλων ποσοτήτων ύλης, χωρίς την προηγούμενη έκρηξη μιας σουπερνόβα – όπως συμβαίνει με τις «κανονικές αστρικές» μαύρες τρύπες.

Είναι, πάντως, βέβαιο ότι το νέο αυτό παράθυρο που μας άνοιξε η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων θα μας αποκαλύψει πολλά από τα μυστικά που κρύβουν οι μαύρες τρύπες, αλλά και γενικότερα το Σύμπαν.

Διονύσης Σιμόπουλος – Πηγή

Advertisements