ΒΑΡΥΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ Νότες του κοσμικού πενταγράμμου

ΒΑΡΥΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

Νότες του κοσμικού πενταγράμμου

Απεικόνιση της καμπύλωσης του χωροχρόνου γύρω από τη Γη και η κίνηση της Σελήνης.

Την Πέμπτη, 11 Φλεβάρη, η ερευνητική ομάδα του πειράματος LIGO στις ΗΠΑ ανακοίνωσε την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Αναμφισβήτητα, πρόκειται για μία από τις σημαντικότερες επιστημονικές ανακαλύψεις των τελευταίων εκατό ετών. Τι είναι όμως τα βαρυτικά κύματα και γιατί είναι τόσο σημαντικά;
Χώρος και χρόνος: Δύο έννοιες που, στην καθημερινότητά μας, θεωρούνται απόλυτες, αυθύπαρκτες, αμετάβλητες. Ο χώρος γύρω μας - οι αποστάσεις, τα σχήματα - δεν αλλάζει, ενώ ο χρόνος κυλάει πάντα με τον ίδιο ρυθμό. Το 1905, με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, ο Αλμπερτ Αϊνστάιν ήρε αυτήν την άποψη. Ο χώρος και ο χρόνος όχι μόνο είναι έννοιες σχετικές, αλλά και αλληλένδετες. Ενας παρατηρητής που κινείται με σταθερή ταχύτητα στον χωροχρόνο μετράει αποστάσεις και χρονικά διαστήματα διαφορετικά από έναν ακίνητο. Αυτές οι διαφορές είναι αμελητέες για μικρές ταχύτητες, αλλά αισθητές για ταχύτητες που πλησιάζουν αυτήν του φωτός. Το 1916, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ) συμπεριέλαβε στην παραπάνω εικόνα και επιταχυνόμενους παρατηρητές, των οποίων δηλαδή η ταχύτητα δεν παραμένει σταθερή. Αυτή η γενίκευση εξήγησε τη φύση της βαρύτητας, δηλαδή της ελκτικής δύναμης που ασκείται ανάμεσα σε δύο σώματα, καθότι, σύμφωνα με τη ΓΘΣ, η βαρύτητα είναι φαινόμενο ισοδύναμο με την επιτάχυνση. Ο Αϊνστάιν έδειξε ότι η βαρύτητα δεν είναι τίποτα άλλο παρά η καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από ένα σώμα, όπως ένα τεντωμένο σεντόνι καμπυλώνεται, αν τοποθετήσουμε ένα αντικείμενο μεγάλης μάζας στο κέντρο του. Ετσι, όταν ένα σώμα «πέφτει» στο βαρυτικό πεδίο ενός μεγαλύτερου σώματος (π.χ. ένα αντικείμενο που πέφτει στο έδαφος ή η περιφορά της Σελήνης γύρω από τη Γη), δε δέχεται κάποια δύναμη, αλλά απλώς ακολουθεί την τροχιά που του υπαγορεύει ο καμπυλωμένος χώρος.

Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν κυμάνσεις του χωροχρόνου. Απεικόνιση βαρυτικών κυμάτων από ένα ζεύγος αστέρων νετρονίων.

Η ΓΘΣ αποτέλεσε επανάσταση για τη Φυσική. Οχι μόνο έδωσε απαντήσεις σε προβλήματα που δεν μπορούσαν να αντιμετωπιστούν με τους νόμους του Νεύτωνα, αλλά προέβλεψε και μια σειρά από φαινόμενα, όπως η καμπύλωση της τροχιάς του φωτός κοντά σε ισχυρά βαρυτικά πεδία. Μέχρι πρότινος, όλες οι προβλέψεις της ΓΘΣ είχαν επαληθευτεί εκτός από μία: Τα βαρυτικά κύματα.
Στη σχετικιστική της περιγραφή, η βαρύτητα αποτελεί ένα δυναμικό, και όχι στατικό, φαινόμενο. Ενα σώμα το οποίο κινείται - για παράδειγμα η Γη γύρω από τον Ηλιο - μεταβάλλει την καμπυλότητα του χώρου. Η μεταβολή αυτή πρέπει με κάποιον τρόπο να γίνει αισθητή και στο χώρο γύρω από το κινούμενο σώμα. Ετσι, με τον ίδιο τρόπο που η μεταβολή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου διαδίδεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, το μεταβαλλόμενο βαρυτικό πεδίο έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Τα βαρυτικά κύματα, λοιπόν, συνιστούν κυμάνσεις του ίδιου του χωροχρόνου (Εικόνα 2) και μεταφέρουν την πληροφορία της αλλαγής του βαρυτικού πεδίου ενός συστήματος.
Εκατό ολόκληρα χρόνια μετά την πρόβλεψή τους, τα βαρυτικά κύματα έκαναν πρόσφατα για πρώτη φορά την εμφάνισή τους στον ανιχνευτή LIGO στις ΗΠΑ. Ο λόγος για τον οποίο η ανίχνευσή τους ήρθε με τόσο μεγάλη καθυστέρηση συνίσταται στο ότι τα βαρυτικά κύματα είναι πολύ ασθενή. Παρότι συγκρατεί εμάς πάνω στη Γη και τη Γη γύρω από τον Ηλιο, η βαρύτητα αποτελεί την πιο ασθενή αλληλεπίδραση στη φύση. Ετσι, ακόμα και οι μεγαλύτερες αλλαγές στο βαρυτικό πεδίο δε γίνονται εύκολα αντιληπτές.

Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων LIGO, στην πολιτεία της Λουιζιάνα των ΗΠΑ. Ενας «δίδυμος» ανιχνευτής βρίσκεται στην πολιτεία της Ουάσιγκτον.

Η διέλευση ενός βαρυτικού κύματος προκαλεί μικροσκοπικές μεταβολές στην απόσταση ανάμεσα σε δύο σημεία του χώρου. Χαρακτηριστικά, για ένα αρκετά ισχυρό βαρυτικό κύμα, αυτές οι μεταβολές είναι της τάξης του 0,00000000000000000001%! Η απόσταση Γης - Ηλιου θα άλλαζε, εξαιτίας της διέλευσης ενός τέτοιου κύματος, κατά μόλις ένα εκατομμυριοστό του χιλιοστού! Γίνεται εύκολα κατανοητό, λοιπόν, ότι η μέτρηση τόσο μικρών μεταβολών απαιτεί τεράστια ακρίβεια. Οι σύγχρονοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων χρησιμοποιούν ακτίνες λέιζερ, οι οποίες διαδίδονται εντός δύο βραχιόνων, ίσου μήκους, σε σχήμα «Γ». Εάν διέλθει ένα βαρυτικό κύμα, το μήκος των βραχιόνων αλλάζει, με αποτέλεσμα οι δύο ακτίνες να μη διανύουν πλέον την ίδια απόσταση. Εκμεταλλευόμενοι μια τεχνική που ονομάζεται συμβολομετρία, οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν αυτήν τη διαφορά κι έτσι να «δουν» το βαρυτικό κύμα. Δεδομένου ότι το μήκος των βραχιόνων του ανιχνευτή LIGO είναι τέσσερα χιλιόμετρα, οι μεταβολές που απαιτείται να μετρηθούν είναι έως και χίλιες φορές μικρότερες από το μέγεθος του πρωτονίου, του συστατικού σωματιδίου του ατομικού πυρήνα!
Οι βασικότερες πηγές βαρυτικών κυμάτων συμπεριλαμβάνουν ίσως τα πιο συναρπαστικά αντικείμενα στο σύμπαν: Τις μαύρες τρύπες και τους αστέρες νετρονίων. Πρόκειται για υπέρπυκνες συγκεντρώσεις ύλης, με τεράστια βαρυτικά πεδία, οι οποίες αποτελούν υπολείμματα αστέρων που έχουν εξαντλήσει τα καύσιμά τους. Η μελέτη των ιδιοτήτων αυτών των σωμάτων συνιστά ιδιαίτερη πρόκληση. Στους μεν αστέρες νετρονίων συναντάμε την ύλη κάτω από ακραίες συνθήκες που δεν μπορούν να αναπαραχθούν σε επίγεια πειράματα, στις δε μαύρες τρύπες οι πυκνότητες είναι τόσο μεγάλες που ούτε το ίδιο το φως μπορεί να διαφύγει από το βαρυτικό τους πεδίο, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει καμία πληροφορία για το εσωτερικό τους.
Ορισμένες φορές, τα αντικείμενα αυτά σχηματίζουν ζεύγη, όπου το ένα περιφέρεται ταχύτατα γύρω από το άλλο, διαταράσσοντας έντονα το βαρυτικό πεδίο και παράγοντας βαρυτικά κύματα (Εικόνα 2). Ενα τέτοιο σήμα εγκαινίασε τον ανιχνευτή LIGO στις 14 του Σεπτέμβρη 2015. Δύο μαύρες τρύπες, με μάζες 36 και 29 φορές μεγαλύτερες από τη μάζα του Ηλιου αντίστοιχα, παρατηρήθηκαν σε απόσταση ενός δισεκατομμυρίου ετών φωτός να περιφέρονται η μία γύρω από την άλλη με συχνότητα 17 περιφορών ανά δευτερόλεπτο. Λόγω της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων, η τροχιά του διπλού συστήματος φθίνει, με αποτέλεσμα οι μαύρες τρύπες να πλησιάζουν μεταξύ τους και να περιφέρονται ακόμα πιο γρήγορα (75 περιφορές το δευτερόλεπτο). Τελικά, και αφού αναπτύξουν ταχύτητες κοντά στο μισό της ταχύτητας του φωτός, συγκρούονται και σχηματίζουν μία μεγαλύτερη μαύρη τρύπα, με μάζα 62 φορές μεγαλύτερη από του Ηλιου. Η διαφορά του αθροίσματος των αρχικών μαζών (36+29=65) από την τελική ισούται με την Ενέργεια που εκπέμφθηκε από το συγκεκριμένο σύστημα με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων. Σε μόλις δύο δέκατα του δευτερολέπτου, το σύστημα αυτό εξέπεμψε όση Ενέργεια διαθέτουν τρεις Ηλιοι, τη στιγμή που ο Ηλιος μας, στη διάρκειας δισεκατομμυρίων ετών ζωή του, καταναλώνει ένα ελάχιστο ποσοστό της Ενέργειάς του! Η μαύρη τρύπα που προκύπτει μετά τη σύγκρουση του ζεύγους βρίσκεται αρχικά σε μια διαταραγμένη κατάσταση, στη διάρκεια της οποίας ταλαντώνεται έντονα σε χαρακτηριστική συχνότητα, μέχρι τελικά να ισορροπήσει. Η παρατήρηση αυτής της ταλάντωσης αποδεικνύει περίτρανα την ύπαρξη αυτών των εξωτικών σωμάτων, καθώς η συχνότητα αυτή προβλέπεται από τη θεωρία και είναι χαρακτηριστική για τις μαύρες τρύπες. Το φαινόμενο αυτό, που ονομάζεται «κουδούνισμα» (ringing), δεν αποτελεί φυσικά προνόμιο των μαύρων τρυπών, καθώς όλα τα αντικείμενα στη φύση διαθέτουν χαρακτηριστικές συχνότητες ταλάντωσης - για παράδειγμα ο ήχος μιας καμπάνας.
«Ακούγοντας» τους παλμούς του χώρου ανοίγουμε ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν. Μέχρι τώρα, οι αστρονόμοι συνέλεγαν πληροφορίες μόνο μέσω της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, δηλαδή του φωτός. Πλέον, και όσο η ευαισθησία των ανιχνευτών θα βελτιώνεται ολοένα και περισσότερο, θα έχουμε πρόσβαση και σε ηλεκτρομαγνητικά «σκοτεινές» περιοχές του ουρανού. Μαύρες τρύπες και αστέρες νετρονίων περιμένουν να φανερώσουν τα μυστικά τους!
Η παρατήρηση της συγχώνευσης ενός ζεύγους μαύρων τρυπών σηματοδοτεί την αρχή μιας νέας εποχής για την αστρονομία. Μιας εποχής, στην οποία ηλεκτρομαγνητική και βαρυτική ακτινοβολία, το φως και το τραγούδι του σύμπαντος, συνεισφέρουν από κοινού στην περαιτέρω κατανόηση αυτού του απέραντου κόσμου, όπου οι επιστήμονες, ως άλλοι ποιητές, «αγρυπνούν με το βλέμμα τους ίσο κι αθόλωτο για να μετρούν τις φρικιάσεις του φωτός και τους παλμούς του σύμπαντος» (Γιάννης Ρίτσος, «Το τραγούδι της αδελφής μου»).

Παντελής ΠΝΙΓΟΥΡΑΣ
Υποψήφιος διδάκτορας Φυσικής, Πανεπιστήμιο του Tubingen, Γερμανία