Η ESA συγχαίρει για την επιβεβαιώση της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων

Τα βαρυτικά κύματα δεν είναι πια είναι πια κάτι άπιαστο. Αποτελούν πλέον μια συναρπαστική ανακάλυψη που έρχεται 100 χρόνια από τότε που πρωτοδιατυπώθηκε ως πρόταση. Τον Νοέμβριο του 1915, ο Einstein παρουσίασε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, εισάγοντας μια δραματική αλλαγή στην προοπτική της φυσικής κατανόησης μιας από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις της φύσης: της Βαρύτητας.

Η θεωρία αυτή περιγράφει τη βαρύτητα ως τον τρόπο αλληλεπίδρασης της ύλης με τον ευέλικτο «χωροχρόνο» στον οποίο είναι ενσωματωμένη. Τεράστια σώματα παραμορφώνουν τον ιστό του χωροχρόνου αλλάζοντας την καμπυλότητα του καθώς κινούνται. Όταν επιταχύνονται τα μεγάλα σώματα παράγουν μικροσκοπικές διακυμάνσεις στον ιστό του χωροχρόνου – βαρυτικά κύματα – που είχαν προβλεφθεί στο πλαίσιο της Γενικής Σχετικότητας το 1916 και παρουσιάστηκε για πρώτη φορά σε μελέτη που δημοσιεύθηκε από τον Einstein το 1918. Αυτές οι μικροσκοπικές κοσμικές διαταραχές τελικά αποκαλύφθηκαν μετά από σχεδόν έναν αιώνα θεωρητικών ερευνών και πειραματικών αναζητήσεων.

Η ανακάλυψη ανακοινώθηκε χθες από τους επιστήμονες της συνεργασίας Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Το LIGO περιλαμβάνει δύο ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων στο Livingston στη Louisiana και στο Hanford στην Washington των ΗΠΑ και σε αυτό εμπλέκονται πάνω από χίλιοι επιστήμονες από όλο τον κόσμο. Το πείραμα χρησιμοποιεί ακτίνες λέιζερ για να παρακολουθεί δύο κάθετα σκέλη, με το καθένα να εκτείνεται 4 χιλιόμετρα, που ψάχνουν για μικροσκοπικές αλλαγές στο μήκος τους που θα μπορούσαν να προκληθούν από κύματα βαρύτητας που το διαπερνούν.

Πρόσφατα αναβαθμισμένο σε Advanced LIGO, το πείραμα πέτυχε αυτό το ιστορικό αποτέλεσμα κατά την πρώτη παρατήρηση που έτρεξε με τη νέα ρύθμιση, η οποία συγκέντρωσε δεδομένα μεταξύ Σεπτεμβρίου 2015 και Γενάρη 2016. «Αυτή είναι τεράστια είδηση για όλους εκείνους που μελετούν τη βαρύτητα και τη γενική σχετικότητα, και στέλνουμε τα πιο θερμά συγχαρητήριά μας στους συναδέλφους στη συνεργασία LIGO για το εξαιρετικό αποτέλεσμα τους», λέει ο Paul McNamara, επιστήμονας του έργου LISA Pathfinder της ESA.

Το LISA Pathfinder είναι η αποστολή επίδειξης τεχνολογίας της ESA, για πιθανές μελλοντικές αποστολές που θα παρατηρήσουν τα βαρυτικά κύματα από το διάστημα. Το διαστημικό σκάφος που εκτοξεύθηκε στις 3 Δεκεμβρίου 2015, έφτασε στην επιχειρησιακή τροχιά του τον Ιανουάριο και βρίσκεται στο στάδιο τελικών ελέγχων πριν από την έναρξη της επιστημονικής αποστολής του την 1η Μαρτίου.

«Με το LISA Pathfinder θα ελέγξουμε την υποκείμενη τεχνολογία για να παρατηρήσουμε τα βαρυτικά κύματα από το διάστημα, και είναι ακόμα πιο ενθαρρυντικό να γνωρίζουμε ότι αυτές οι – για πολύ καιρό – μυστηριώδεις διακυμάνσεις έχουν πλέον εντοπιστεί άμεσα», προσθέτει ο Paul.

Μια πρώτη έμμεση επιβεβαίωση ότι υπάρχουν τα βαρυτικά κύματα υπήρξε στα τέλη της δεκαετίας του 1970 με τις παρατηρήσεις ενός ζεύγους άστρων νετρονίων – τους νεκρούς πυρήνες μεγάλων άστρων – που βρίσκονταν σε τροχιά μεγάλης ταχύτητας του ενός γύρω από το άλλο. Ένα από τα δύο αστέρια νετρονίων εμφανίζεται ως παλλόμενη πηγή ραδιοκυμάτων, ή πάλσαρ, που επέτρεψε ακριβείς μετρήσεις χρονισμού του συστήματος. Δεδομένου ότι τα δύο αστρικά υπολείμματα γύριζαν το ένα γύρω από το άλλο, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι κινούνται σε πιο μικρές και πιο γρήγορες τροχιές και ο ρυθμός της επιτάχυνσης ήταν ακριβώς όπως αναμένονταν αν έχαναν ενέργεια εκπέμποντας βαρυτικά κύματα.

Η χθεσινή ωστόσο ανακοίνωση της συνεργασίας LIGO αναφέρεται στην άμεση ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων που οι επιστήμονες αναζητούν εδώ και δεκαετίες. «Βγάζουμε το καπέλο στη συνεργασία LIGO για το αξιοσημείωτο επίτευγμα τους, έχοντας τελειοποιήσει τις πειραματικές εγκαταστάσεις ώστε να φτάσουν στην εξαιρετική ευαισθησία που απαιτείται για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από το έδαφος», λέει ο César García Marirrodriga, διαχειριστής του έργου LISA Pathfinder της ESA.

Το καταγραφόμενο σήμα είναι πολύ ισχυρό και φαίνεται να προέρχεται από ένα ζευγάρι συγχωνευμένων μαύρων τρυπών περίπου 1,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Τα δύο τερατώδη σώματα, με μάζες που ισοδυναμούν με 36 και 29 φορές τη μάζα του Ήλιου αντιστοίχως, συγχωνεύτηκαν για να σχηματίσουν μια ενιαία, ακόμα πιο γιγαντιαία μαύρη τρύπα αντίστοιχη 62 ηλιακών μαζών απελευθερώνοντας τις υπόλοιπες 3 ηλιακές μάζες σε βαρυτικά κύματα.

«Τώρα που τα βαρυτικά κύματα έχουν βρεθεί μπορούμε να αρχίσουμε να ψάχνουμε την φυσική των πηγών τους. Εκεί είναι όπου η κίνηση στο διάστημα θα κάνει τη διαφορά», λέει ο Oliver Jennrich, αναπληρωτής επιστήμονας του έργου LISA Pathfinder στην ESA.

Όπως το φως, έτσι και τα βαρυτικά κύματα καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων και τα διάφορα αστρονομικά αντικείμενα αναμένεται να εκπέμπουν αυτά τα κύματα όλα σε όλο το φάσμα. Επίγεια πειράματα όπως το LIGO είναι ευαίσθητα σε κύματα υψηλής συχνότητας όπως εκείνα που προέρχονται από συγχωνευμένα ζευγάρια μαύρων τρυπών ή άστρα νετρονίων, με συχνότητες 10-1000 Hz.

Για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων με χαμηλότερες συχνότητες, όπως εκείνες από τη συγχώνευση των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στο κέντρο των μεγάλων γαλαξιών, οι επιστήμονες θα πρέπει να διερευνήσουν τις αλλαγές στο μήκος πολύ μακρύτερων βραχιόνων – περίπου ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μόνο στο διάστημα χρησιμοποιώντας ακτίνες λέιζερ για την παρακολούθηση της απόστασης μεταξύ τριών μαζών σε ελεύθερη πτώση που χωρίζονται από πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις από ότι μπορεί να επιτευχθεί στη Γη.

Η ESA έχει προσδιορίσει το βαρυτικό σύμπαν ως το επιστημονικό θέμα για την αποστολή του L3, την τρίτη αποστολή Μεγάλης κατηγορίας στο κοσμικό επιστημονικό πρόγραμμα Vision, με αποτέλεσμα ένα μεγάλο παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων στο διάστημα τα επόμενα χρόνια. Σήμερα το LISA Pathfinder είναι ένα βήμα πιο κοντά προς την κατεύθυνση L3, γιατί θα εξετάσει εάν είναι δυνατόν να τεθούν μάζες σε καθαρή ελεύθερη πτώση, ατάραχες από οποιεσδήποτε εξωτερικές δυνάμεις, στο επίπεδο που απαιτείται για τα μελλοντικά διαστημικά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων.

Στις 3 Φεβρουαρίου οι δύο μάζες στην καρδιά του διαστημικού σκάφους – ένα ζεύγος πανομοιότυπων κύβων από χρυσό-πλατίνα, 46 mm σε κάθε πλευρά – ξεκλειδώθηκαν από τον έναν από τους δύο μηχανισμούς που τους κρατούσαν ασφαλισμένους κατά τη διάρκεια της εκτόξευσης και του ταξιδιού. Η τελική απελευθέρωση θα πραγματοποιηθεί την επόμενη εβδομάδα, αφήνοντας τους δύο κύβους χωρίς φυσική επαφή με το διαστημικό σκάφος, πριν από την έναρξη των επιστημονικών εργασιών.

Για να αντισταθμιστούν άλλες δυνάμεις που ενεργούν στους κύβους το LISA Pathfinder θα μετρήσει τη θέση και τον προσανατολισμό τους με εξαιρετική ακρίβεια και το ίδιο θα κάνει πολύ μικρούς ελιγμούς για να παραμείνει στο κέντρο ενός από αυτά. «Το LISA Pathfinder έχει ένα δύσκολο έργο μπροστά του και έχουμε την τιμή να συνεισφέρουμε σε αυτή τη νέα εποχή της έρευνας βαρυτικών κυμάτων που εγκαινιάστηκε σήμερα από την ανακάλυψη LIGO», καταλήγει ο Paul.

Πηγή: ESA

Περισσότερα στην δημοσίευση: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger

Ακούστε τη συνέντευξη του Αναπληρωτή Καθηγητή του Φυσικού Τμήματος του ΑΠΘ, κ. Τσάγκα, για τα βαρυτικά κύματα.