Βαρυτικα κυματα
ΠΗΓΗ: efsyn.gr
Ο Θεοχάρης Αποστολάτος είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ. Γεννήθηκε στην Αθήνα το 1966. Φοίτησε στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ την περίοδο 1984-1988.
Τα βαρυτικά κύματα τελικά υπάρχουν!
Την Πέμπτη 11 Φεβρουαρίου 2016 ανακοινώθηκε επίσημα από το Εθνικό Ιδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, τα Πανεπιστήμια Caltech και MIT και τη διεθνή ερευνητική κοινοπραξία LIGO, ότι ανιχνεύθηκαν πρώτη φορά τα ακριβοθώρητα βαρυτικά κύματα. Η ανακάλυψη αυτή, εφόσον επιβεβαιωθεί και από άλλες έρευνες, ανοίγει τον δρόμο για την ανάδυση μιας νέας εποχής στην Αστροφυσική και την Αστρονομία.
Χάρη σε αυτή την ανακάλυψη, η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων, που μέχρι πριν από λίγες μέρες ήταν μόνο μία ενδιαφέρουσα αλλά ανεπιβεβαίωτη πρόβλεψη της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας, σήμερα θεωρείται από τους φυσικούς μια σχεδόν επιστημονική βεβαιότητα.
Στο σημερινό άρθρο μας θα προσπαθήσουμε να διερευνήσουμε τι συνέβαλε σε αυτή την τόσο σύντομη –αλλά θεμελιώδη επιστημονικά και επιστημολογικά– μεταστροφή της επιστημονικής κοινότητας.
Πώς μπορούν κάποια νέα πειραματικά δεδομένα να επιβάλουν την αποδοχή τέτοιων «αόρατων» φυσικών αντικειμένων;
Στην προσπάθειά μας αυτή είχαμε την αμέριστη βοήθεια ενός ειδικού σε αυτόν τον τομέα έρευνας, του καθηγητή Θεοχάρη Αποστολάτου, ο οποίος μας μίλησε για τις πειραματικές προϋποθέσεις και τις ασύλληπτες δυνατότητες αυτών των ερευνών.
Επί έναν αιώνα ήταν μόνο μια ανεπιβεβαίωτη εικασία του Αϊνστάιν
Τους τελευταίους μήνες –από τα τέλη Σεπτεμβρίου 2015– η διεθνής κοινότητα αστροφυσικών ήταν ανάστατη επειδή διαδιδόταν ανεπίσημα στο διαδίκτυο η ανεπιβεβαίωτη πληροφορία ότι Αμερικανοί ερευνητές, που συμμετείχαν στο πείραμα LIGO, είχαν επιτέλους ανιχνεύσει και καταγράψει βαρυτικά κύματα.
Την ύπαρξη αυτών των κυμάτων είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν πριν από ακριβώς εκατό χρόνια, όταν διατύπωσε τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας.
Ομως, μέχρι σήμερα, διαθέταμε μόνο κάποιες ασαφείς ενδείξεις και όχι αδιαμφισβήτητα δεδομένα για την παρουσία τους στον φυσικό κόσμο.
Αν η είδηση αυτή επιβεβαιωνόταν, τότε οι αστροφυσικοί στις ΗΠΑ θα είχαν καταφέρει – πρώτη φορά στην ιστορία της φυσικής– να καταγράψουν τη «φωνή» ή μάλλον το «κροτάλισμα» από τη γένεση μιας μαύρης τρύπας! Στη συγκεκριμένη περίπτωση, ήταν μια γιγάντια μαύρη τρύπα που είχε προκύψει όταν συγχωνεύτηκαν δύο μικρότερες μαύρες τρύπες.
Η επίσημη επιβεβαίωση ήρθε έπειτα από λίγους μήνες –την Πέμπτη 11-02-2016– κατά τη διάρκεια μιας συνέντευξης Τύπου που δόθηκε, ταυτόχρονα σε ΗΠΑ και Ευρώπη (Ιταλία), από μια διεθνή ομάδα πειραματικών και θεωρητικών φυσικών.
Σύμφωνα με την επίσημη ανακοίνωση, διαθέτουμε πλέον επαρκή παρατηρησιακά δεδομένα για την ύπαρξη των ακριβοθώρητων και, μέχρι πρόσφατα, αμφισβητούμενων βαρυτικών κυμάτων!
Γιατί όμως χρειάστηκε να περάσουν τόσοι μήνες μέχρι την επίσημη ανακοίνωση;Κάποιος καχύποπτος αναγνώστης ίσως σκεφτεί ότι η αυτή η εντυπωσιακή ανακάλυψη «μαγειρεύτηκε».
Ομως δεν είναι έτσι. Πριν από κάθε σημαντική επιστημονική ανακοίνωση απαιτείται αρκετός χρόνος για λεπτομερή ανάλυση, διασταύρωση και επαρκή έλεγχο των νέων πειραματικών δεδομένων.
Στη συγκεκριμένη περίπτωση, μάλιστα, τα πράγματα δυσκολεύουν ακόμη περισσότερο, αφού πρόκειται για τα πιο φευγαλέα και άπιαστα αντικείμενα της σύγχρονης πειραματικής φυσικής.
Το αίσιο τέλος ενός αιώνα αστροφυσικών αμφιβολιών
Σύμφωνα με την επίσημη ανακοίνωση, η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων έγινε στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 χάρη στην επαναλειτουργία δύο παρατηρησιακών κέντρων στις ΗΠΑ. Πρόκειται για δύο τεράστιες και πανάκριβες πειραματικές διατάξεις, τα Παρατηρητήρια Βαρυτικών Κυμάτων μέσω Συμβολόμετρου Λέιζερ ή παρατηρητήρια LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), που βρίσκονται, το ένα στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα και το δεύτερο, σε απόσταση 3.000 χιλιομέτρων, στο Χάνφορντ της Ουάσινγκτον.
Τα παρατηρητήρια LIGO, πανομοιότυπα από λειτουργικής και αρχιτεκτονικής απόψεως, λειτουργούσαν κανονικά από το 2002 μέχρι το 2010, χωρίς όμως να πετύχουν κάτι αξιόλογο στον τομέα της ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων.
Γι' αυτό και προχώρησαν σε αναβάθμιση των ανιχνευτικών τους συστημάτων και του λογισμικού τους.
Τον προηγούμενο Σεπτέμβριο, λοιπόν, ξανάρχισαν να λειτουργούν βελτιωμένα και, σχεδόν αμέσως μόλις τέθηκαν σε λειτουργία, κατέγραψαν τα πρώτα εντυπωσιακά αποτελέσματα που ανακοινώθηκαν.
Τι ακριβώς όμως είναι τα βαρυτικά κύματα που ανιχνεύτηκαν, από πού προέρχονται και πώς διαδίδονται;
Στο τέλος της προηγούμενης χρονιάς, στις 25 Νοεμβρίου, συμπληρώθηκε ακριβώς ένας αιώνας από την ημέρα που ο Αϊνστάιν παρουσίασε στην Πρωσική Ακαδημία Επιστημών τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.
Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες προβλέψεις της θεωρίας της Σχετικότητας ήταν ότι όποτε συγκρούονται εξαιρετικά συμπυκνωμένα κοσμικά αντικείμενα, όπως είναι π.χ. οι μαύρες τρύπες, τότε παράγονται πτυχώσεις ή «ρυτιδώσεις» στον χωρόχρονο («ripples in space-time»).
Αυτό συμβαίνει επειδή, σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, ο χωρόχρονος είναι μια δυναμική οντότητα, η οποία μπορεί να παραμορφώνεται ανάλογα με τα πυκνώματα ή τα αραιώματα της ύλης-ενέργειας που υπάρχει μέσα σε αυτόν.
Οπως ακριβώς υπάρχουν τα γνωστά σε όλους κύματα φωτός, έτσι, κατά τον Αϊνστάιν, πρέπει να υπάρχουν και «βαρυτικά κύματα», τα οποία παράγονται όταν μεγάλα υπέρπυκνα αστέρια καταρρέουν (επειδή εξαντλούν τα ενεργειακά τους αποθέματα) και μετατρέπονται σε μαύρες τρύπες, ή πάλι όταν δύο μαύρες τρύπες συγκρούονται και συγχωνεύονται για να προκύψει μία μεγαλύτερη.
Τα βαρυτικά κύματα θα πρέπει λοιπόν να παράγονται σε τέτοιες ακραίες, αλλά όχι ασυνήθιστες, περιπτώσεις. Επιπλέον, η Γενική Σχετικότητα προέβλεπε ότι τα βαρυτικά κύματα πρέπει να διαδίδονται μακριά από τις πηγές γένεσής τους ως περιοδικές συμπιέσεις και τεντώματα του κοσμικού ιστού που συνιστά τον χωρόχρονο.
Με άλλα λόγια, τα βαρυτικά κύματα μπορούν να εξαπλώνονται παντού ως «ρυτιδώσεις» του χωροχρόνου, μεταφέροντας στα πέρατα του κόσμου την ενέργεια των βίαιων συμβάντων που τα προκάλεσε!
Χρειάστηκε να περάσουν δεκαετίες μέχρι οι φυσικοί να καταφέρουν να ελέγξουν πειραματικά τη ρηξικέλευθη εικασία του Αϊνστάιν.
Πάντως, από τη δεκαετία του 1960 επιχείρησαν να ανιχνεύσουν τέτοιες «ρυτιδώσεις» στη δομή του χωροχρόνου, χωρίς σπουδαία αποτελέσματα, επειδή δεν διέθεταν τα κατάλληλα παρατηρησιακά εργαλεία.
Οι πρώτες ελπιδοφόρες προσπάθειες για τον εντοπισμό τους άρχισαν μόνο μετά την κατασκευή ισχυρών ανιχνευτικών συστημάτων, όπως τα παρατηρητήρια LIGO, το γαλλοϊταλικό VIRGO και το γερμανοβρετανικό GEO600.
Ωστόσο, ακόμη και αυτά αποδείχθηκαν, αρχικά, ανεπαρκή και δεν ήταν σε θέση να ανιχνεύουν πραγματικά σήματα βαρυτικών κυμάτων, επειδή τα σήματα αυτά πνίγονταν από τον «θόρυβο» της ίδιας της αρχιτεκτονικής διάταξης των ανιχνευτικών μηχανών.
Πάντως, μετά την πρόσφατη αναβάθμισή τους, το σήμα που ανίχνευσαν είναι αρκετά καθαρό και δείχνει να συμφωνεί επακριβώς με τις πρώιμες προβλέψεις της θεωρίας του Αϊνστάιν.
Πράγματι, τα βαρυτικά κύματα που ανίχνευσε το δίδυμο παρατηρητήριο LIGO προέρχονται από δύο γιγάντιες μαύρες τρύπες – η μάζα της πρώτης ήταν 29 φορές ενώ της δεύτερης 36 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ηλιου.
Αυτές οι μαύρες τρύπες, που βρίσκονταν σε απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη, αφού στροβιλίστηκαν η μια γύρω από την άλλη σε έναν ιδιότυπο κοσμικό χορό μπλουζ, πλησίασαν τόσο κοντά η μια στην άλλη που τελικά συγχωνεύθηκαν, δημιουργώντας μια ακόμη πιο μεγάλη μαύρη τρύπα με μάζα ίση με 62 ηλιακές μάζες (και όχι 65 που θα έπρεπε να λάβουμε αν προσθέταμε τη μάζα της κάθε μιας μαύρης τρύπας!).
Οι 3 ηλιακές μάζες που «λείπουν», μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου εξαϋλώθηκαν σε μια ασύλληπτη ποσότητα ενέργειας η οποία, όπως προβλέπει η Γενική Σχετικότητα, εξαπλώθηκε στο Σύμπαν υπό τη μορφή βαρυτικών κυμάτων.
Τα οποία, μετά από ένα ταξίδι δισεκατομμυρίων ετών φωτός, έφτασαν έως τη Γη και «πιάστηκαν» στην καλοστημένη παγίδα του πειράματος LIGO.
Αξίζει, τέλος, να σημειωθεί ότι σε αυτό το ιστορικό πείραμα συμμετέχουν και κάποιοι διαπρεπείς Ελληνες ερευνητές της διασποράς, όπως η Βίκυ Καλογερά, η οποία διδάσκει Αστροφυσική στο Πανεπιστήμιο Northwestern των ΗΠΑ και, εδώ και 15 χρόνια, συμμετέχει ενεργά στις αστροφυσικές έρευνες του LIGO.
Οπως δήλωσε η ίδια στο Αθηναϊκό και Μακεδονικό Πρακτορείο Ειδήσεων:
«Με την ανακάλυψη αυτή ανοίγουμε ένα καινούργιο παράθυρο παρατηρήσεων στο Σύμπαν. Τα βαρυτικά κύματα μας δίνουν πληροφορίες για τις μαύρες τρύπες και όχι μόνο, που κανένα ηλεκτρομαγνητικό τηλεσκόπιο δεν μπορεί να μας δώσει».
Τα μυστικά του LIGO:
Ο Θεοχάρης Αποστολάτος μάς παρουσιάζει τις τεχνολογικές προϋποθέσεις και τις δυνατότητες του νέου ερευνητικού εργαλείου
Επί δεκαετίες, επιφανείς αστροφυσικοί προσπαθούσαν ανεπιτυχώς να επιβεβαιώσουν ή, έστω, να διαψεύσουν την πρόβλεψη του Αϊνστάιν για την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων.
Ποιο ήταν το πειραματικό «τέχνασμα» που επέτρεψε σήμερα την ανίχνευσή τους;
Το «νέο» πειραματικό εργαλείο είναι κατ’ ουσίαν μια παλιά πειραματική διάταξη (που κατά τύχη είναι στενά συνυφασμένο με τη θεωρία της σχετικότητας όπως αυτή πρωτοδιατυπώθηκε από τον Αϊνστάιν): το συμβολόμετρο.
Σε αντίθεση με προηγούμενες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων, το συμβολόμετρο παρέχει τη δυνατότητα καταγραφής κυμάτων αρκετά μεγάλου εύρους συχνοτήτων, γεγονός πολύ σημαντικό, αφού τα βαρυτικά κύματα που αναμένουμε δεν διακρίνονται από μια συγκεκριμένη συχνότητα.
Η κεντρική ιδέα πίσω από τον ανιχνευτή-συμβολόμετρο σχετίζεται με την υφή των ίδιων των βαρυτικών κυμάτων.
Οντας ρυτιδώσεις του χωροχρονικού ιστού, τα βαρυτικά κύματα στο πέρασμά τους παραμορφώνουν τον χώρο, προκαλώντας περιοδικές επιμηκύνσεις και επιβραχύνσεις των αποστάσεων μεταξύ δύο σωμάτων που αιωρούνται ελεύθερα στον χώρο.
Ενα συμβολόμετρο-ανιχνευτής, σαν τον LIGO, αποτελείται από δύο ζευγάρια κατόπτρων, τοποθετημένα στα άκρα των δύο βραχιόνων που σχηματίζουν ένα τεράστιο Γ (μήκους 4 χιλιομέτρων).
Μια ισχυρή δέσμη λέιζερ, που πηγαινοέρχεται μεταξύ των κατόπτρων, χρησιμοποιείται ως μεζούρα ακριβείας προκειμένου να μετρηθεί η παραμικρή απόκλιση του μήκους των δύο βραχιόνων.
Οι απαιτήσεις ευαισθησίας, προκειμένου να καταστεί η ανίχνευση εφικτή, είναι εξωπραγματικές: το συμβολόμετρο πρέπει να μπορεί να διακρίνει ανοιγοκλεισίματα των βραχιόνων μεγέθους μικρότερου από ένα χιλιοστό της διαμέτρου ενός πρωτονίου!
Ασύλληπτο, αν σκεφθεί κανείς ότι οι διαστάσεις του πρωτονίου είναι μόλις ένα εκατοντάκις χιλιοστό της διαμέτρου ενός ατόμου!
Τα πρώτα συμβολόμετρα που κατασκευάστηκαν δεν είχαν την αρτιότητα της τελευταίας πιο εξελιγμένης μορφής συμβολομέτρου που τελικά κατάφερε να «δει» με αρκετά μεγάλη καθαρότητα το βαρυτικό σήμα.
Επρεπε στην πορεία να λυθούν πολλά τεχνικά ζητήματα προκειμένου ο «θόρυβος» του ίδιου του ανιχνευτή, δηλαδή οι μικροδιαταραχές στο εσωτερικό του ανιχνευτή, να τιθασευτούν.
Πολλοί άνθρωποι μελέτησαν εξονυχιστικά για τουλάχιστον δύο δεκαετίες όλους αυτούς τους «θορύβους» και κατάφεραν να βρουν ευφάνταστες λύσεις για να τους παρακάμψουν.
Το εύρος των πεδίων της φυσικής που καλύπτουν οι μελέτες αυτές είναι εντυπωσιακό: οπτικά συστήματα εξαιρετικής ποιότητας, λέιζερ πολύ υψηλής ισχύος, συστήματα σεισμικής μόνωσης, ογκώδη συστήματα πολύ υψηλού κενού, υλικά με ακραίες οπτικές ιδιότητες, τεχνικές περιορισμού κβαντικών διαταραχών, για να αναφέρουμε μερικά.
Με λίγα λόγια, τα συμβολόμετρα-ανιχνευτές αποτελούν ένα πραγματικό πανηγύρι Φυσικής, το οποίο κατάφερε να κάνει πραγματικότητα, κάτι που ο ίδιος ο Αϊνστάιν, όπως και πολλοί φυσικοί του περασμένου αιώνα, δεν θα μπορούσαν ούτε καν να ονειρευτούν.
Η πρόσφατη ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από το πείραμα LIGO περιγράφεται από τους ειδικούς ως ένα «νέο παράθυρο» για την ουσιαστικότερη γνώση του Σύμπαντος και από τα ΜΜΕ ως η «ανακάλυψη του αιώνα».
Ποιες νέες πειραματικές και θεωρητικές εξελίξεις δρομολογεί για τη Φυσική αυτή η ιδιότυπη «ακουστική» προσέγγιση των κοσμικών συμβάντων;
Η ευαισθησία του ήδη υπάρχοντος ανιχνευτή έχει περιθώρια να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο. Ενα πιο ευαίσθητο συμβολόμετρο θα μπορούσε να ανιχνεύσει πιο αμυδρά σήματα, δηλαδή σήματα που έρχονται από πιο μακριά.
Αυξάνοντας όμως την απόσταση που μπορεί να «ακούσει» ο ανιχνευτής κατά έναν παράγοντα 10, μεγαλώνει το πλήθος των ανιχνεύσιμων σημάτων κατά 1.000.
Περισσότερα σήματα συνεπάγονται πιο πολλά δεδομένα, τα οποία θα καλύπτουν ενδεχομένως κάθε δυνατή μορφή πηγής βαρυτικών κυμάτων.
Γιατί, όμως, θέλουμε να ανιχνεύσουμε πολλά κύματα από διαφορετικές πηγές; Κατ’ αρχάς πρέπει να ξεκαθαρίσουμε ότι, όταν λέμε ότι τα βαρυτικά κύματα «ακούγονται», δεν εννοούμε ότι είναι κάποιου είδους ηχητικά κύματα.
Το «ακούω» χρησιμοποιείται εδώ ως αντιδιαστολή με τις πληροφορίες που συλλέγουμε για το Σύμπαν μέχρι στιγμής μέσω των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Οσο διαφορετική είναι η πληροφορία που φτάνει στον εγκέφαλό μας από τα αυτιά και τα μάτια μας για τον κόσμο που μας περιβάλλει τόσο –και ίσως ακόμη περισσότερο– διαφορετική είναι η πληροφορία που μπορούμε να συλλέξουμε για τον Κόσμο από τα βαρυτικά σε σχέση με αυτές που συλλέγουμε από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Ανιχνεύσιμα ισχυρά βαρυτικά κύματα εκπέμπονται μόνο από σώματα εξαιρετικά συμπαγή (μαύρες τρύπες, αστέρες νετρονίων, εκρήξεις υπερκαινοφανών, βαρυτικές διακυμάνσεις του πρώιμου Σύμπαντος) που κινούνται με ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός.
Τέτοια κοσμικά αντικείμενα όχι μόνο είναι συνήθως παντελώς σκοτεινά, αλλά εμπεριέχουν ένα εξωτικό άυλο «υλικό»: ισχυρότατες στρεβλώσεις του ίδιου του χωροχρόνου. Η θεωρία της Σχετικότητας μας λέει πώς συμπεριφέρεται αυτό το «υλικό» και τα βαρυτικά κύματα είναι ο μοναδικός τρόπος να διαπιστώσουμε αν πράγματι αυτό συμπεριφέρεται σύμφωνα με τις προβλέψεις της Σχετικότητας.
Επιπλέον, οι μαύρες τρύπες, αν και σήμερα είναι απολύτως αποδεκτές οντότητες από την κοινότητα των αστροφυσικών, μέσω των βαρυτικών κυμάτων μπορούν πλέον να παρατηρηθούν αυτές καθεαυτές και όχι να συνάγεται έμμεσα η ύπαρξή τους, όπως συνήθως γίνεται.
Η άμεση παρατήρηση πολλών μαύρων τρυπών θα μας δώσει σημαντικές πληροφορίες για τα δημογραφικά τους στοιχεία ως προς την κατανομή τους και την εξέλιξή τους στο Σύμπαν.
Τέλος, η παρατήρηση βαρυτικών σημάτων από το πρώιμο Σύμπαν θα μπορέσει να μας δώσει πληροφορίες για τις απαρχές του Σύμπαντός μας, πολύ πιο πίσω στο χρόνο από αυτές που μπορούμε να έχουμε μέσω των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Ποιος είναι
Πραγματοποίησε μεταπτυχιακές σπουδές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας (Caltech) την περίοδο 1989-1994, οπότε και εκπόνησε τη διαδακτορική του διατριβή υπό την επίβλεψη του καθηγητή Kip Thorne, πρωτοπόρου ερευνητή των βαρυτικών κυμάτων.
Συνέχισε τις μεταδιδακτορικές του μελέτες στη Γερμανία στο Max Planck Institute της Ιένας και από το 1998 εργάζεται εκπαιδευτικά και ερευνητικά στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ.
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου