Βαρυτικά Κύματα: Νέα μέθοδος χρησιμοποιεί τα βαρυτικά κύματα για να συλλάβει διαφεύγουσες μαύρες τρύπες

Ερευνητές έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο για ανίχνευση και μέτρηση ενός από τα πλέον ισχυρά και πιο μυστήρια γεγονότα στο Σύμπαν: μια μαύρη τρύπα που αποβάλλεται από τον γαλαξία που την φιλοξενεί, στον διαγαλαξιακό χώρο με μεγάλες ταχύτητες που φτάνουν και τα 5000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει και να μετρήσει υπερ-λακτίσματα μαύρης τρύπας, τα οποία συμβαίνουν όταν δυο περιστρεφόμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες συγκρούονται μεταξύ τους και η αναπήδηση (ανάκρουση) από τη σύγκρουση είναι τόσο ισχυρή που το απομεινάρι της συγχωνευμένης μαύρης τρύπας αναπηδά έξω από τον γαλαξία που το φιλοξενεί, εξ ολοκλήρου. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύονται στο περιοδικό Physical Review Letters.

Νωρίτερα αυτή τη χρονιά, η Συνεργασία LIGO ανακοίνωσε την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων – πτυχώσεις στην υφή του χωρόχρονου – που προέρχονται από τη σύγκρουση δυο μελανών οπών, επιβεβαιώνοντας την κύρια πρόβλεψη της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein και σηματοδοτώντας την αρχή μια νέας εποχής στην αστρονομία. Όσο η ευαισθησία των ανιχνευτών LIGO βελτιώνεται αναμένεται να ανιχνευτούν ακόμη περισσότερα βαρυτικά κύματα – ήδη τον Ιούνιο ανακοινώθηκε η δεύτερη επιτυχής ανίχνευση.

Καθώς δυο μαύρες τρύπες περιστρέφονται η μια γύρω από την άλλη, εκπέμπουν βαρυτικά κύματα με έναν υψηλά ασύμμετρο τρόπο, ο ποίος οδηγεί σε μια καθαρή εκπομπή ορμής σε ορισμένη προτιμητέα κατεύθυνση. Όταν τελικά οι μαύρες τρύπες συγκρούονται, η διατήρηση της ορμής προσδίδει μια αναπήδηση (ανάκρουση), ή λάκτισμα ανάλογο με αυτό που συμβαίνει όταν ένα όπλο εκπυρσοκροτεί. Όταν οι δυο μαύρες τρύπες δεν περιστρέφονται, η ταχύτητα της αναπήδησης είναι περίπου 170 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Αλλά όταν οι μαύρες τρύπες είναι ταχύτατα περιστρεφόμενες σε ορισμένες κατευθύνσεις, η ταχύτητα της αναπήδησης μπορεί να φτάσει έως και τα 5000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, διευκολύνοντας την απόδραση ακόμη και από τον γαλαξία με την πλέον μεγάλη μάζα, στέλνοντας την μαύρη τρύπα που προέκυψε, από τη συγχώνευση των δυο, μέσα στο διαγαλαξιακό χώρο.

Οι ερευνητές του Cambridge ανάπτυξαν μια νέα μέθοδο για την ανίχνευση αυτών των λακτισμάτων βασιζόμενοι μόνο στο σήμα του βαρυτικού κύματος, χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Doppler. Το φαινόμενο Doppler είναι ο λόγος που ο ήχος από ένα διερχόμενο αυτοκίνητο μοιάζει να έχει χαμηλότερο τόνο καθώς απομακρύνεται. Επίσης χρησιμοποιείται ευρέως στην αστρονομία: η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προέρχεται από ένα κινούμενο αντικείμενο που απομακρύνεται από τη Γη μετατοπίζεται προς το ερυθρό άκρο του φάσματος, ενώ ακτινοβολία που προέρχεται από αντικείμενο που πλησιάζει τη Γη μετατοπίζεται προς το μπλε άκρο του φάσματος. Παρόμοια, όταν μια μαύρη τρύπα που «αναπηδά» έχει επαρκή ορμή, τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπει θα μετατοπίζονται προς το ερυθρό εάν κατευθύνονται μακριά από τη Γη, ενώ θα μετατοπίζονται προς το μπλε αν κατευθύνονται προς τη Γη.

«Αν μπορέσουμε να ανιχνεύσουμε μια μετατόπιση Doppler σε ένα βαρυτικό κύμα από την συγχώνευση δυο μελανών οπών, αυτό που ανιχνεύουμε είναι ένα λάκτισμα μαύρης τρύπας», είπε ο Davide Gerosa, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, από το Τμήμα Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Θεωρητικής Φυσικής του Cambridge. «Ανιχνεύοντας ένα λάκτισμα μαύρης τρύπας θα σήμαινε μια άμεση παρατήρηση ότι τα βαρυτικά κύματα είναι φορείς όχι μόνο ενέργειας, αλλά και γραμμικής ορμής».

Η ανίχνευση αυτού του άπιαστου (ακόμη;) φαινομένου απαιτεί πειράματα βαρυτικών κυμάτων ικανά να παρατηρήσουν συγχωνεύσεις μελανών οπών με πολύ υψηλή ακρίβεια. Ένα λάκτισμα μαύρης τρύπας δεν μπορεί να ανιχνευθεί απευθείας χρησιμοποιώντας τους υπάρχοντες ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που είναι εγκατεστημένοι στη Γη, όπως αυτοί της LIGO. Ωστόσο, σύμφωνα με τους ερευνητές ο νέος ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων, γνωστός με το όνομα eLISA, που θα εγκατασταθεί στο διάστημα από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA) και έχει προγραμματιστεί για να εκτοξευθεί το 2034, θα είναι αρκετά ισχυρός να ανιχνεύσει διάφορες από αυτές τις μαύρες τρύπες που ξεφεύγουν. Το 2015, η ESA εκτόξευσε το LISA Pathfinder, που είναι ένας επιτυχής έλεγχος διαφόρων τεχνολογιών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των βαρυτικών κυμάτων από το διάστημα.

Οι ερευνητές βρήκαν ότι ο ανιχνευτής eLISA θα είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για να ανιχνεύσει λακτίσματα μελανών οπών: θα είναι ικανός να μετρήσει λακτίσματα μικρά έως 500 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, όπως και περισσότερο γρήγορα υπερ-λακτίσματα. Οι μετρήσεις λακτισμάτων θα μας πουν περισσότερα σχετικά με τις ιδιότητες των περιστρεφόμενων μελανών οπών και επίσης θα παράσχουν ένα άμεσο τρόπο μέτρησης της ορμής που φέρεται από τα βαρυτικά κύματα, που μπορεί να οδηγήσουν σε νέες ευκαιρίες για έλεγχο της Γενικής Σχετικότητας.

«Όταν ανακοινώθηκε η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, ξεκίνησε μια νέα εποχή στην αστρονομία, καθώς μπορούμε τώρα να παρατηρήσουμε πραγματικά δυο μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται», είπε ο άλλος συγγραφέας της μελέτης, Christopher Moore, ο οποίος ήταν μέλος της ομάδας που ανακοίνωσε την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων νωρίτερα αυτή τη χρονιά. «Τώρα έχουμε δυο τρόπους ανίχνευσης μελανών οπών, αντί της μίας μόνο – είναι εκπληκτικό ότι μόλις λίγους μήνες πριν δεν θα μπορούσαμε να πούμε κάτι τέτοιο. Με τη μελλοντική εκτόξευση των νέων ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστημα, θα μπορέσουμε να δούμε τα βαρυτικά κύματα σε γαλαξιακή, από την αστρική, κλίμακα».

Πηγή: University of Cambridge

Περισσότερα στη δημοσίευση: Black Hole Kicks as New Gravitational Wave Observables. Phys. Rev. Lett. 117.