Χ. Βάρβογλης: Σύλληψη επ’ αυτοφώρω των βαρυτικών κυμάτων

Είναι αδιαμφισβήτητα η είδηση της εβδομάδας, θα συγκαταλέγεται οπωσδήποτε μέσα στις σημαντικότερες ειδήσεις της χρονιάς, θεωρείται σχεδόν βέβαιο ότι θα κερδίσει το εφετινό Νομπέλ Φυσικής και είναι σίγουρο ότι θα παραμείνει στα «top» των επιστημονικών ανακαλύψεων για πολλές ακόμη δεκαετίες, για να μην πούμε αιώνες. Παρά το γεγονός όμως ότι την περασμένη Πέμπτη και την Παρασκευή όλοι μιλούσαν για αυτήν, οι περισσότεροι έλεγαν ότι δεν την καταλαβαίνουν. Εδώ είμαστε για να σας εξηγήσουμε. Τι ακριβώς είναι τα βαρυτικά κύματα; Γιατί η ανίχνευσή τους εκατό χρόνια μετά την αρχική πρόβλεψή τους είναι τόσο σημαντική; Τι παράθυρα μας ανοίγει για το μέλλον; Απαντήσεις στις σελίδες που ακολουθούν.

Επειτα από προσπάθειες 50 ετών ανιχνεύθηκαν επιτέλους τον περασμένο Σεπτέμβριο τα βαρυτικά κύματα που προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Ηταν η τελευταία από τις βασικές προβλέψεις αυτής της θεωρίας, η οποία δεν είχε επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά ως σήμερα. Το όργανο που πέτυχε αυτή τη σπουδαία πρωτιά είναι το αμερικανικό ζευγάρι των ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων LIGO (Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory). Είναι μια μεγάλη στιγμή στην ιστορία της επιστήμης που ανοίγει ένα νέο παράθυρο παρατήρησης του Σύμπαντος, εκεί όπου τα οπτικά και τα άλλα «κλασικά» τηλεσκόπια δεν έχουν τη δυνατότητα να «κοιτάξουν». Κανείς δεν γνωρίζει σήμερα σε ποια μονοπάτια μπορεί να οδηγήσει αυτή η ανακάλυψη, αλλά σχεδόν όλοι θεωρούν ότι το βραβείο Νομπέλ Φυσικής του 2016 θα την επιβραβεύσει.

Σύμφωνα με τις αναλύσεις των ερευνητών του Ligo οι δύο μαύρες τρύπες κινήθηκαν σπειροειδώς η μία προς την άλλη, συγκρούστηκαν και συγχωνεύθηκαν

Κυνηγώντας το άπιαστο κύμα

Η προσπάθεια για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων ξεκίνησε από τον Αμερικανό Τζόζεφ Γουέμπερ (Joseph Weber) στα μέσα της δεκαετίας του 1960, όταν η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων - ως συνέπεια της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) - δεν ήταν ακόμη γενικά αποδεκτή. Ο λόγος είναι ότι οι εξισώσεις της ΓΘΣ είναι παροιμιώδεις για την πολυπλοκότητά τους και, εκτός από λίγες ειδικές περιπτώσεις, λύνονται μόνο προσεγγιστικά. Αλλά τα πρώτα χρόνια μετά τη δημοσίευση της ΓΘΣ το 1915 δεν ήταν ακόμη σαφές αν οι προσεγγιστικές λύσεις αυτών των εξισώσεων προέβλεπαν την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτωνπου μεταφέρουν ενέργεια. Ο ίδιος ο Αϊνστάιν είχε αλλάξει μερικές φορές γνώμη, από το 1916 ως τα τέλη της δεκαετίας του 1930. Κύματα εμφανίζονται στη Φυσική όταν η μεταβολή ενός μεγέθους διαδίδεται με κάποια ταχύτητα και όχι ακαριαία. Για παράδειγμα, η μεταβολή του ύψους της επιφάνειας της θάλασσας μας δίνει τα γνωστά θαλάσσια κύματα, η μεταβολή της πίεσης της ατμόσφαιρας μας δίνει τα ηχητικά κύματα και η μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου μάς δίνει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα τελευταία παράγονται όταν μετακινούμε ένα φορτισμένο σώμα πέρα-δώθε, οπότε αλλάζουμε το ηλεκτρικό πεδίο γύρω του.
Η ΓΘΣ θεωρεί ότι η βαρυτική δύναμη οφείλεται στην παραμόρφωση του χωροχρόνου από την παρουσία μιας μάζας. Ετσι φαίνεται λογικό, κατ' αναλογία με τον ηλεκτρομαγνητισμό, να υποθέσουμε ότι η μετακίνηση της μάζας, που αλλάζει την παραμόρφωση του χωροχρόνου γύρω της, είναι πηγή βαρυτικών κυμάτων, δηλαδή παραμορφώσεων του χωροχρόνου που διαδίδονται με κάποια ταχύτητα και όχι ακαριαία. Ομως η αναλογία δεν είναι πλήρης επειδή υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου, θετικό και αρνητικό, αλλά μόνο ένα είδος μάζας, οπότε η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων θα έπρεπε να αποδειχθεί μαθηματικά από τις εξισώσεις της ΓΘΣ. Οπως ήδη ανέφερα, αυτό δεν ήταν καθόλου εύκολο. Ο μεγάλος βρετανός αστρονόμος Αρθουρ Εντινγκτον (Arthur Eddington), ο πρώτος που είχε επιβεβαιώσει την πρόβλεψη της ΓΘΣ ότι το φως κάμπτεται από το βαρυτικό πεδίο, είχε πει χαριτολογώντας το 1922 ότι τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται «με την ταχύτητα της σκέψης». Η ανακοίνωση της ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων από τον Γουέμπερ το 1969 αποδείχθηκε τελικά εσφαλμένη. Σχεδόν ταυτόχρονα όμως οι θεωρητικοί φυσικοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα βαρυτικά κύματα πράγματι μεταφέρουν ενέργεια η οποία «αφαιρείται» από την πηγή που τα εκπέμπει. Με αυτόν τον τρόπο επιβεβαιώθηκε έμμεσα η ύπαρξη αυτών των κυμάτων όταν παρατηρήσαμε ένα ζεύγος αστέρων νετρονίων να χάνει διαρκώς ενέργεια - προφανώς από την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων.

Τι είναι το συμβολόμετρο λέιζερ

Το πλάτος των βαρυτικών κυμάτων που προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε εξαρτάται γενικά από το είδος της πηγής τους, αλλά σε κάθε περίπτωση είναι απίστευτα μικρό: μόλις το ένα δισεκατομμυριοστό της διαμέτρου ενός ατόμου! Για να ανιχνεύσουμε ένα τόσο ασθενές σήμα θα πρέπει να κατασκευάσουμε έναν πολύ ευαίσθητο ανιχνευτή και το είδος που επικράτησε είναι το συμβολόμετρο λέιζερ.
Το όργανο αυτό αποτελείται από δύο σωλήνες μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων, κάθετους μεταξύ τους σε σχήμα L, στους οποίους διαδίδεται μια φωτεινή ακτίνα λέιζερ. Η διέλευση ενός βαρυτικού κύματος προκαλεί την περιοδική παραμόρφωση του χώρου έτσι ώστε το μήκος του ενός σωλήνα γίνεται διαδοχικά λίγο μεγαλύτερο και του άλλου λίγο μικρότερο και αντίστροφα. Το φως χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να διανύσει τον μακρύτερο σωλήνα από ό,τι τον κοντύτερο, μεταβολή που ανιχνεύεται με ένα πολύ ευαίσθητο σύστημα. Επειδή το φαινόμενο είναι πολύ ασθενές, η δέσμη λέιζερ κάθε σκέλους ανακλάται μερικές δεκάδες φορές μεταξύ των κατόπτρων για να «ενισχυθεί» η διαφορά του χρόνου διάδοσης.
Τελικά το φως από τα δύο σκέλη συνδυάζεται έτσι ώστε υπό κανονικές συνθήκες οι «κορυφές» των φωτεινών κυμάτων της μιας δέσμης να συμπίπτουν με τις «κοιλάδες» των φωτεινών κυμάτων της άλλης, οπότε παρατηρούμε σκοτάδι. Η διέλευση ενός βαρυτικού κύματος όμως καταστρέφει αυτή την κατάσταση ισορροπίας, με αποτέλεσμα να παρατηρηθεί ένα φωτεινό σήμα.


Γιατί το LIGO έδωσε περισσότερα

Το πείραμα LIGO αποτελείται από δύο πανομοιότυπα συμβολόμετρα λέιζερ, τοποθετημένα στα δύο άκρα των ΗΠΑ: ένα στο βορειοδυτικό τμήμα, στην Πολιτεία Ουάσιγκτον, και ένα στο νοτιοανατολικό τμήμα, στην Πολιτεία Λουιζιάνα. Για να θεωρηθεί ένα σήμα το αποτέλεσμα διέλευσης κάποιου βαρυτικού κύματος θα πρέπει να έχει καταγραφεί και από τα δύο όργανα. Και αυτό πράγματι συνέβη στις 14 Σεπτεμβρίου του περασμένου έτους, λίγες ημέρες μετά την επαναλειτουργία του πειράματος έπειτα από μια αναβάθμιση των οργάνων που αύξησαν την ευαισθησία του.
Η ανάλυση του σήματος που ανίχνευσε το LIGO έδειξε ότι τα βαρυτικά κύματα προέρχονταν από τη σύγκρουση δύο μελανών οπών οι οποίες περιφέρονταν η μία γύρω από την άλλη σε σπειροειδή τροχιά πλησιάζοντας διαρκώς ώσπου συγχωνεύθηκαν. Κατά τα τελευταία στάδια αυτής της διαδικασίας η μεταβολή του βαρυτικού πεδίου του διπλού συστήματος ήταν πολύ έντονη και εκπέμφθηκαν ισχυρά βαρυτικά κύματα, η μορφή των οποίων έφερε την «υπογραφή» του φυσικού συστήματος των δύο μελανών οπών. Ετσι οι επιστήμονες του πειράματος μπόρεσαν να υπολογίσουν τη μάζα τους: η μία ήταν περίπου 36 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ηλιου και η άλλη περίπου 29.

Τι μας «είπαν» οι μαύρες τρύπες

Η παρατήρηση αυτή έχει διπλή σημασία για τους επιστήμονες. Κατά πρώτον, επιβεβαιώνει άμεσα και το τελευταίο από τα φυσικά φαινόμενα τα οποία είχε προβλέψει η ΓΘΣ και, κατά δεύτερο, μας ανοίγει ένα νέο παράθυρο παρατήρησης του Σύμπαντος. Το παράθυρο αυτό θα μας επιτρέψει να «δούμε» και τη «σκοτεινή πλευρά του Σύμπαντος», όπως για παράδειγμα τις μελανές οπές -που δεν είναι απευθείας ορατές με τα συνήθη τηλεσκόπια - αλλά και αθέατες πτυχές αστρικών αντικειμένων, όπως για παράδειγμα το εσωτερικό των υπέρπυκνων αστέρων νετρονίων. Επιπλέον, σύντομα οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα μας δώσουν για πρώτη φορά πληροφορίες για την εικόνα του Σύμπαντος τα πρώτα 300.000 χρόνια της ζωής του, κάτι που δεν ήταν ως σήμερα δυνατό με τα συμβατικά τηλεσκόπια που παρατηρούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα όπως για παράδειγμα τα οπτικά, τα ραδιοφωνικά ή τις ακτίνες-Χ.
Τελειώνοντας θα ήθελα να επισημάνω δύο σημαντικά στοιχεία. Το πρώτο είναι ότι η μορφή του σήματος που ανιχνεύθηκε μπορεί να προέρχεται μόνο από σύγκρουση μελανών οπών, οπότε αποκτήσαμε και μία ακόμη επιβεβαίωση της ύπαρξης αυτού του εξωτικού αντικειμένου, πέρα από τις άλλες έμμεσες ενδείξεις που είχαμε στη διάθεσή μας ως σήμερα. Το δεύτερο είναι ότι, όπως συχνά συμβαίνει, η πειραματική επιβεβαίωση μιας θεωρίας συνοδεύτηκε από την εμφάνιση ενός νέου προβλήματος. Συγκεκριμένα, η κρατούσα θεωρία της αστρικής εξέλιξης δυσκολεύεται να ερμηνεύσει τη δημιουργία ζεύγους μελανών οπών με τόσο μεγάλες μάζες, γεγονός που οδηγεί στην προσπάθεια επίλυσης ενός νέου προβλήματος. Και έτσι οδηγούμαστε σε αυτό που λέω συχνά στους φοιτητές μου: Το ταξίδι της γνώσης μπορεί να μην έχει τέλος.


Ο ήχος του Σύμπαντος

«Αυτό είναι ένα από τα ωραία πράγματα σε αυτό το πείραμα, ότι δεν καταφέραμε μόνο να δούμε το Σύμπαν αλλά και να το ακούσουμε» δήλωσε σε συνέντευξη Τύπου η εκπρόσωπος του LIGO Γκαμπριέλα Γκονσάλες, «παίζοντας» στους δημοσιογράφους το επεξεργασμένο ηχητικό «αποτύπωμα» των βαρυτικών κυμάτων που καταγράφηκαν στα συμβολόμετρα λέιζερ. Οπως είπε δεν ήταν παρά ένα «τσικ», όμως το σύντομο αυτό «τιτίβισμα» σηματοδοτεί ένα ορόσημο στην ιστορία της Φυσικής.
Οπως ανέφερε η κυρία Γκονσάλες, στις 14 Σεπτεμβρίου το πολυπόθητο σήμα των βαρυτικών κυμάτων καταγράφηκε και από τους δύο ανιχνευτές LIGO που βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες σε απόσταση 3.000 χιλιομέτρων μεταξύ τους. Η καταγραφή έγινε με διαφορά 7 χιλιοστών του δευτερολέπτου - χρονικό διάστημα απολύτως συμβατό με την ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει ένα βαρυτικό κύμα, δηλαδή την ταχύτητα του φωτός.
Το σήμα προήλθε από τη σύγκρουση ενός ζεύγους μελανών οπών σε απόσταση 1,2 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Οι μαύρες τρύπες, οι οποίες είχαν μάζα αντίστοιχα περίπου 30 και 35 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ηλίου, βρέθηκαν σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, κινήθηκαν σπειροειδώς η μία προς την άλλη, συγκρούστηκαν και συγχωνεύθηκαν. «Πάρτε κάτι με διάμετρο περίπου 150 χιλιόμετρα και στριμώξτε μέσα του 30 φορές τη μάζα του Ηλίου, μετά επιταχύνετέ το ώστε να αποκτήσει τη μισή ταχύτητα του φωτός. Τώρα πάρτε άλλο ένα πράγμα με μάζα περίπου 30 φορές όση του Ηλίου και επιταχύνετέ το στη μισή ταχύτητα του φωτός. Υστερα βάλτε τα δύο αντικείμενα να συγκρουστούν. Αυτό είδαμε εδώ. Δεν το χωράει ο νους» είπε ο Ντέιβιντ Ράιτζε, εκτελεστικός διευθυντής του LIGO, εξηγώντας το φαινόμενο.
Αυτή η σύγκρουση που δεν τη χωράει ο νους παρήγαγε τεράστια ενέργεια: 3 φορές τη μάζα του Ηλίου, μεγαλύτερη από όση 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 Εκρηξη» επεσήμανε ο Κιπ Θορν από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας (Caltech), βασικός συντελεστής του προγράμματος. Η ενέργεια της έκρηξης εξαπλώθηκε στο Διάστημα από βαρυτικά κύματα, τα οποία έφθασαν ως τη Γη και τους ανιχνευτές του LIGO. Οι ερευνητές του πειράματος κατέγραψαν μια απειροελάχιστη μεταβολή - χιλιάδες φορές μικρότερη από τη διάμετρο ενός πρωτονίου - στις διαστάσεις των σωλήνων μήκους 4 χιλιομέτρων που είναι τοποθετημένοι κάθετα μεταξύ τους σε σχήμα L. Οπως λένε χαρακτηριστικά οι επιστήμονες, εκείνη τη στιγμή όχι μόνο οι σωλήνες του LIGO αλλά ολόκληρη η Γη τεντώθηκε και συρρικνώθηκε ανεπαίσθητα.
Οι ερευνητές μετέτρεψαν το σήμα των βαρυτικών κυμάτων σε ηχητικό και έτσι, όπως είπε η κυρία Γκονσάλες, μπόρεσαν να ακούσουν τον ήχο της κολοσσιαίας σύγκρουσης των δύο μελανών οπών. Η στατιστική αξιοπιστία των ευρημάτων φθάνει, όπως ανακοινώθηκε, τα 5,1 σίγμα (υπερβαίνει δηλαδή το όριο επιβεβαίωσης των 5 σίγμα που θεωρείται απαραίτητο στη σωματιδιακή Φυσική). Μια σειρά άρθρων σχετικών με την ανακάλυψη θα δημοσιευθεί το επόμενο διάστημα στις επιθεωρήσεις «Physical Review Letters» και «The Astrophysical Journal».

3 λύσεις και ένα πρόβλημα

Η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων έρχεται να λύσει ή να υποσχεθεί λύσεις σε ορισμένα μεγάλα αλλά ανοιχτά ερωτήματα της Φυσικής, της Αστροφυσικής και της Κοσμολογίας. Παράλληλα όμως φαίνεται να ανοίγει καινούργια προβλήματα.

Λύση 1η: Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας επιτέλους δικαιώνεται πλήρως - η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων ήταν η μόνη από τις βασικές προβλέψεις της θεωρίας του Αϊνστάιν που ως τώρα δεν είχε επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά.

Λύση 2η: Η όρασή μας στο Διάστημα ήταν ως τώρα στο μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρομαγνητική, στο ορατό και αόρατο φάσμα του φωτός που συλλαμβάνουν τα τηλεσκόπια και τα ραδιοτηλεσκόπια. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία όμως μπλοκάρεται από εμπόδια - νέφη, αντικείμενα κ.ο.κ. Ωστόσο τα βαρυτικά κύματα δεν σταματούν πουθενά, διαδίδονται στην ίδια την υφή του Σύμπαντος διαπερνώντας ολόκληρους γαλαξίες. Αν αναπτύξουμε τους κατάλληλους ανιχνευτές, θα δούμε κυριολεκτικά τον κόσμο με άλλα μάτια αντικρίζοντας για πρώτη φορά και στην πλήρη διάστασή τους βίαια φαινόμενα που ως τώρα δεν μπορούσαμε να συλλάβουμε.

Λύση 3η: Φαινόμενα που σε μεγάλο βαθμό παραμένουν μυστηριώδη για τους επιστήμονες αναμένεται να αποκαλύψουν άγνωστες πτυχές τους μέσω της ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων. Σε αυτά συγκαταλέγονται οι μαύρες τρύπες, οι αστέρες νετρονίων, ακόμη και αυτή η ίδια η Μεγάλη Εκρηξη.

Και το πρόβλημα: Οι μαύρες τρύπες είναι από μόνες τους ήδη μυστηριώδεις, όταν όμως έρχονται σε ζευγάρι τα πράγματα περιπλέκονται ακόμη περισσότερο. Το ζευγάρωμα δύο μελανών οπών με τόσο μεγάλες μάζες όπως αυτές που ανιχνεύθηκαν από το LIGO δεν «χωράει» εύκολα στην υπάρχουσα θεωρία. Οι αστροφυσικοί πρέπει λοιπόν να βάλουν ξανά κάτω τα χαρτιά και τα μολύβια τους.



Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.

Πηγή: Το Βήμα