Μία από τις μεγαλύτερες επιστημονικές ανακαλύψεις των τελευταίων 100 χρόνων στη φυσική
• Τι είναι τα “Βαρυτικά κύματα”;
• Πως ανακαλύφθηκαν;
• Γιατί η ανίχνευση τους είναι τόσο σημαντική;
Μια εκλαϊκευμένη προσέγγιση σε ένα κοσμοϊστορικό επιστημονικό γεγονός
11 Φεβρουαρίου 2016. Μια μέρα ορόσημο για την επιστήμη και ειδικά για τη Φυσική και την Κοσμολογία. Είναι η ημέρα που ανακοινώνεται επίσημα από τον καθηγητή φυσικής του Πανεπιστημίου της Florida, David Reitze, η ανίχνευση, για πρώτη φορά, βαρυτικών κυμάτων.
Ηταν η πολυπόθητη για δεκαετίες ανίχνευση, για την οποία είχαν δαπανηθεί τεράστια χρηματικά ποσά και για την οποία είχαν δουλέψει για χρόνια πλήθος επιστημόνων. Το γεγονός, αν και αναφέρθηκε στα μέσα μαζικής ενημέρωσης ως σημαντικό, δεν έτυχε προβολής αντάξιας της σημασίας του. Και αυτό ήταν σε κάποιο βαθμό αναμενόμενο και δικαιολογημένο καθόσον, για το ευρύτερο κοινό, τα βαρυτικά κύματα είναι κάτι το άγνωστο.
Σκοπός του άρθρου αυτού είναι να παρουσιάσει την ιστορικής σημασίας επιστημονική επιτυχία με μια γλώσσα κατανοητή από τον μη ειδικό. Για το λόγο αυτό θα αποφύγουμε -όσο είναι δυνατό- τη χρήση ειδικής επιστημονικής ορολογίας, ώστε να γίνει κατανοητό από τον απλό πολίτη τι είναι τελικά αυτό που ανακαλύφθηκε και γιατί είναι τόσο σημαντικό.
Ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή. Την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων είχε προβλέψει ο μεγάλος φυσικός του 20ου αιώνα, ο Αλμπερτ Αϊνστάιν. Ο μεγάλος αυτός φυσικός στη “Γενική θεωρία της σχετικότητας” που δημοσίευσε το 1916 προέβλεπε θεωρητικά την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων. Ωστόσο για δεκαετίες, κανένας δεν έδωσε σημασία, ίσως και ο ίδιος να τα θεώρησε ως μαθηματικό δημιούργημα των υπολογισμών του και όχι ως μια πραγματικότητα. Είκοσι χρόνια αργότερα, το 1936, ο Αϊνστάιν ασχολήθηκε ξανά με το θέμα αυτό, αλλά αυτή τη φορά κατέληξε ότι δεν υπάρχουν τα βαρυτικά κύματα! Μάλιστα έστειλε προδημοσίευση σχετικό άρθρο σε πολύ γνωστό επιστημονικό περιοδικό με τίτλο “υπάρχουν βαρυτικά κύματα;”. Ευτυχώς για τον ίδιο, ο κριτής του περιοδικού αντιλήφτηκε ότι ο Αϊνσταιν είχε κάνει κάποια μαθηματικά λάθη, τον ειδοποίησε και εκείνος απέσυρε το άρθρο πριν δημοσιευθεί! Ετσι τα χρόνια περνούσαν και η θεωρία τω βαρυτικών κυμάτων είχε σχεδόν ξεχαστεί. Μέχρι που η Γαλλίδα φυσικομαθηματικός Ιβον Σοκέ-Μπρυά, το 1951, απέδειξε μαθηματικά ότι αν η γενική σχετικότητα είναι ορθή, τότε θα πρέπει να υπάρχουν τα βαρυτικά κύματα. Ομως η γενική θεωρία της σχετικότητας ολοένα γινόταν αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα, παρά τους αρχικούς δισταγμούς. Αυτός είναι ο λόγος που άρχισαν ξανά να γίνονται πλήθος πειραμάτων για να επιβεβαιωθεί η ύπαρξη τους. Κανένα όμως πείραμα δεν είχε καταφέρει μέχρι σήμερα να τα ανιχνεύσει.
Το 1970 είχαμε μια έμμεση επιβεβαίωση ύπαρξης βαρυτικής ακτινοβολίας από τους Hulse και Taylor με τη παρατήρηση ενός συστήματος διπλού πάλσαρ (αστέρες νετρονίων). Παρατήρησαν και μέτρησαν, με απίστευτη ακρίβεια, ότι η συχνότητα των ραδιοπαλμών που εξέπεμπε το σύστημα αυτό μειωνόταν κατά 75 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου κάθε έτος! Αυτό σημαίνει ότι έχαναν ενέργεια -“βαρυτική” ενέργεια- και μάλιστα τόση όση ακριβώς προέβλεπε η θεωρία του Αϊνστάιν (με ελάχιστη υπόκλιση 0,5%). Για την ανακάλυψη τους αυτή τιμήθηκαν το 1993 με το Νόμπελ Φυσικής.
Τι είναι όμως αυτά βαρυτικά κύματα
Ο Αϊνστάιν πρόβλεψε ότι όταν ένα σώμα επιταχύνεται εκπέμπει ένα είδους κύματα, τα βαρυτικά κύματα(1). Μόνο που τα κύματα αυτά είναι τόσο ασθενή που δεν είναι δυνατόν να ανιχνευθούν παρά μόνο αν τα επιταχυνόμενα σώματα είναι τεραστίων μαζών, επιταχύνονται πολύ γρήγορα και οι συσκευές ανίχνευσης τους είναι εξαιρετικά ευαίσθητες. Σώματα τόσο μεγάλων διαστάσεων δεν μπορούμε βέβαια να βρούμε στη γη καθόσον και η ίδια η γη είναι ένα μικρό, πολύ μικρό σώμα σε κοσμική κλίμακα.
Μια λύση είναι ένα πολύ μεγάλο άστρο, π.χ. ένα άστρο νετρονίων(2) ή μια μαύρη τρύπα. Για να έχουμε και επιτάχυνση στο σώμα αυτό, θα πρέπει να μη πάρουμε ένα μόνο άστρο αλλά ένα σύστημα “διπλών” άστρων. Τα δύο αυτά άστρα περιστρέφονται γύρω από το κοινό κέντρο μάζας τους. Η περιστροφή αυτή είναι μια επιταχυνόμενη κίνηση (έχει “κεντρομόλο επιτάχυνση” όπως λέμε στη Φυσική). Επίσης, η σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών θα πρέπει να δημιουργεί ανιχνεύσιμα κύματα βαρύτητας. Θα μπορούσαμε επίσης να βρούμε βαρυτικά κύματα μετά από μια έκρηξη ενός σουπερνόβα. Η μεγάλη έκρηξη από την οποία δημιουργήθηκε το σύμπαν, το περίφημο Big Bag, θα πρέπει επίσης να δημιούργησε ένα τεράστιο βαρυτικό κύμα το οποίο ίσως να κατακλύζει ακόμα και τώρα το σύμπαν όπως κάνει η κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων (3).
Θα πρέπει εδώ να αναφέρουμε ότι τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται μέσα στο χωροχρόνο (στο χώρο δηλ. των τεσσάρων διαστάσεων με τις τρεις διατάσεις του χώρου και μία χρονική). Η διάδοση αυτή των βαρυτικών κυμάτων, κατά τον Αϊνστάιν, θα πρέπει να προκαλεί μικρές παραμορφώσεις, “ρυτιδώσεις”, “τρεμούλιασμα”, στον χωροχρόνο. Οπως μια βάρκα που πλέει σε τελείως ήρεμη θάλασσα δημιουργεί “ρυτιδώσεις”, οι οποίες διαχέονται σε ολοένα μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας του νερού. Αυτές λοιπόν οι ρυτιδώσεις του χωροχρόνου σημαίνουν ότι ο χώρος επιμηκύνεται και βραχύνεται και ο χρόνος συστέλλεται και διαστέλλεται. Οταν τα βαρυτικά κύματα “συναντούν” ένα αντικείμενο, αλλοιώνουν το μέγεθός του – συστέλλοντας τη διάστασή του που είναι παράλληλη με τη διεύθυνση διάδοσης των κυμάτων και διαστέλλοντάς το στο επίπεδο που είναι κάθετο στη διεύθυνση. Μια τέτοια λοιπόν πολύ μικρή παραμόρφωση του χρόνου και του χώρου θα μπορούσαμε να ανιχνεύσουμε αρκεί να βρούμε τον τρόπο να μετρήσουμε μια τόσο μικρή -απειροελάχιστη!- μεταβολή.
Πως ανακαλύφθηκαν τα βαρυτικά κύματα
Για την ανίχνευση λοιπόν μιας απειροελάχιστης μεταβολής του μήκος που θα προκαλούσαν τα βαρυτικά κύματα σε ένα αντικείμενο κατασκεύασαν δύο ανιχνευτές -έναν στην πολιτεία της Ουάσινγκτον (ΝΑ των ΗΠΑ) και έναν ακόμα στη Λουιζιάνα (ΒΔ των ΗΠΑ). Ονομάστηκαν LIGO (4). Καθένας από τους δύο ανιχνευτές αποτελείται από δύο σωλήνες τοποθετημένους κάθετα ο ένας στον άλλο, μέσα στους οποίους υπάρχουν δέσμες λέιζερ που μετρούν το μήκος των σωλήνων με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια (5). Τα βαρυτικά κύματα θα γίνονταν θεωρητικά αντιληπτά από μικρές μεταβολές στο μήκος των δύο σωλήνων, λόγω της παραμόρφωσης του χώρου. Οι σωλήνες έχουν μήκος 4 χιλιόμετρα, και η πειραματική αυτή διάταξη μπορεί να μετρά μεταβολές τουλάχιστον 1.000 φορές μικρότερες από τη διάμετρο ενός ατόμου! (6).
Να αναφέρουμε εδώ ότι για το πείραμα αυτό εργάστηκαν 1015 επιστήμονες (μεταξύ αυτών πέντε Ελληνικής καταγωγής) για δεκαετίες υπό την επιστημονική καθοδήγηση του Γερμανού φυσικού Ράινερ Γουάις και των Αμερικανών φυσικών Ροναλντ Ντρέβερ και Κιπ Θορν. Το αρχικό κόστος ήταν 250 εκατομμύρια δολάρια και η αναβάθμιση που του έγινε το 2010-15 άλλα 205 εκατομμύρια δολάρια.
Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, καταγράφηκε σήμα πρώτα στη Λουιζιάνα και, επτά χιλιοστά του δευτερολέπτου αργότερα, στη διάταξη της Ουάσιγκτον. Ονομάστηκε GW150914, με το αριθμητικό τμήμα να αναφέρεται στην ημερομηνία ανακάλυψης του. Το βαρυτικό κύμα δημιουργήθηκε από τη συγχώνευση δύο μελανών οπών, με μάζες 36 και 29 φορές μεγαλύτερες από τη μάζα του Ηλιου, σε απόσταση περίπου 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Η συγχώνευση δύο μελανών είναι ένα φαινόμενο όπου δύο μαύρες τρύπες αρχίζουν να στροβιλίζονται η μία γύρω από την άλλη, με συνεχώς αυξανόμενη ταχύτητα και με την μία να πλησιάζει την άλλη. Οταν τελικά συγχωνευθούν, προκύπτει μία νέα μαύρη τρύπα. Στην περίπτωσή μας η διάρκεια της συγχώνευσης κράτησε μόλις 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου και οι δύο μαύρες τρύπες έχασαν, ούτε λίγο ούτε πολύ, ενέργεια αντίστοιχη με 3 ηλιακές μάζες! Αυτή η ενέργεια δεν μετατράπηκε σε φως αλλά σε βαρυτικά κύματα που κατέκλεισαν το σύμπαν και τα οποία έφθασαν και σε εμάς εδώ στη γη, μετά από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια και για την ακρίβεια: στις 09:50:45 το πρωί της 14ης Σεπτεμβρίου 2015!
Η μετέπειτα ανάλυση των σημάτων έδειξε πως το βαρυτικό κύμα που ανιχνεύτηκε συμφωνούσε απόλυτα σε διαταραχές που προέρχονται από τη σύγκρουση των δύο μαύρων τρυπών. Μάλιστα, η γενική θεωρία της σχετικότητας προβλέπει ότι τα βαρυτικά κύματα τρέχουν με την ταχύτητα του φωτός. Επειδή λοιπόν οι δύο ανιχνευτές απέχουν 3.000 Km ο ένας από τον άλλο, το κύμα θα χρειαστεί περίπου δέκα χιλιοστά του δευτερολέπτου (10 ms) για να πάει από τον ένα στον άλλο ανιχνευτή. Πράγματι, το βαρυτικό κύμα ανιχνεύτηκε με διαφορά 7 ms, πράγμα που αποτελεί μια πρόσθετη επιβεβαίωση της γνησιότητας του.
Στις 15 Ιουνίου 2016, ανακοινώθηκε επίσημα ότι και δεύτερο βαρυτικό κύμα, με το όνομα GW151226, καταγράφηκε από το σύστημα LIGO στις 03:38:53 της 26ης Δεκεμβρίου 2015. Και στην περίπτωση αυτή δύο μαύρες τρύπες με μάζες 14 και 8 φορές τη μάζα του ήλιου μας συγχωνεύτηκαν σε μία νέα.
Για άλλη μια φορά λοιπόν, το πείραμα επιβεβαιώνει τον Αϊνστάιν!
Γιατί είναι τόσο σημαντική η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων
• Μέχρι σήμερα η παρατήρηση του μακρινού σύμπαντος γίνεται με τη χρήση οργάνων που καταγράφουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, μια περιοχή της οποίας είναι το ορατό φως.
Το φως, τα κοσμικά φωτόνια δηλαδή, είναι για τους αστρονόμους οι αγγελιοφόροι που μεταφέρουν τις πληροφορίες από τον ουρανό στη γη. Τα τηλεσκόπια δέχονται το φως των μακρινών αστέρων το οποίο μεταφέρει ένα πλήθος -κρυμμένων και μη – πληροφοριών: Μας πληροφορεί για τη σύσταση του αστέρα, για την ταχύτητα του σε σχέση εμάς κ.λπ. Είναι λοιπόν το φως ένα καλό εργαλείο εξέτασης του σύμπαντος. Έχει όμως και μειονεκτήματα το φως, και να μερικά:
Οι μαύρες τρύπες δεν εκπέμπουν φως γιατί έχουν τόσο ισχυρό βαρυτικό πεδίο που ακόμα και το φως δεν μπορεί να τους ξεφύγει. Έτσι δεν μπορούμε να τις δούμε.
Ούτε κάποια άστρα που ονομάζονται “άστρα νετρονίων ή πούλσαρς” μπορούν να μελετηθούν με το φως. Ο λόγος είναι ότι είναι πολύ μικροί για να ανιχνεύονται στον ουρανό ως άστρα αφού η ακτίνα τους δεν ξεπερνά τα 20 χιλιόμετρα, αν και έχουν μάζα μεγαλύτερη από τον ήλιο μας
Το φως δεν υπήρχε ανέκαθεν, αλλά 379.000 χρόνια μετά την μεγάλη έκρηξη (Big Bang) που δημιούργησε το σύμπαν. Ετσι το φως δεν μπορεί να μας μεταφέρει πληροφορίες για τα πρώτα χρόνια της ζωής του σύμπαντος. Είναι σαν να υπάρχει ένα μαύρο πέπλο που μας εμποδίζει να δούμε πιο πίσω από το χρονικό αυτό σημείο. Ισως με τα βαρυτικά κύματα, τα οποία θα πρέπει να εκπεμπόταν από τη στιγμή της δημιουργίας του σύμπαντος και τα οποία ίσως υπάρχουν διάχυτα ακόμα στο σύμπαν, μπορέσουμε να “δούμε” τι υπάρχει πίσω από το μαύρο αυτό χρονικό πέπλο.
Με τη μελέτη των βαρυτικών κυμάτων η επιστήμη και ειδικά η κοσμολογία έχει ένα δεύτερο ισχυρό εργαλείο μελέτης του σύμπαντος το οποίο υπόσχεται να φέρει επανάσταση στις γνώσεις μας για την κοσμική εξέλιξη. Μια νέα αστρονομία γεννιέται: η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων.
• Με την πειραματική επιβεβαίωση των βαρυτικών κυμάτων, επιβεβαιώνεται έμμεσα και η ύπαρξη των μαύρων οπών.
• Είναι η τελευταία πρόβλεψη τις Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν που δεν είχε ακόμα επιβεβαιωθεί, εξαλείφοντας και τα ελάχιστα ίχνη αμφιβολίας για το κατά πόσο η θεωρία αυτή είναι σωστή.
Στην ερευνητική ομάδα του LIGO αποφασίστηκε να απονεμηθεί στο τέλος του 2016 το βραβείο Breakthrough. Μέλος της επιτροπής για το βραβείο είναι και ο διάσημος φυσικός Στίβεν Χόκινγκ. Θεωρείται επίσης πολύ πιθανή η απονομή και του βραβείου Νομπέλ 2016 στην ίδια επιστημονική ομάδα.
Βιβλιογραφία:
1. LIGO, https://en.wikipedia.org/wiki/LIGO
2. Κριστοφ Γκαλφαρ “Το σύμπαν στα χέρια σας”
3. Ελέξης Δεληβοριάς, “Ο Αϊνστάιν επιβεβαιώνεται ξανά: Τα βαρυτικά κύματα υπάρχουν!”
4. http://www.ligo.org/
5. https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160615
6. Περισκόπιο της επιστήμης, Τ.410: “Βαρυτικά κύματα”
7. http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-ondes-gravitationnelles-une-nouvelle-fenetre-sur-l-univers-36660.php
Παραπομπές:
(1) Με δύο μόνο εξαιρέσεις, όταν το σώμα είναι τέλεια σφαιρικό ή τέλεια κυλινδρικό.
(2) Αστρο νετρονίων χαρακτηρίζεται το υπόλειμμα του πυρήνα ενός αστέρα μικρής ή μεσαίας μάζας που απομένει μετά τον θάνατο του αστέρα αυτού. Τα άστρα νετρονίων είναι το ένα από τα τρία είδη “αστρικών πτωμάτων” (τα άλλα δύο είναι οι λευκοί νάνοι και οι μαύρες τρύπες). Ο Ήλιος μας θα μετατραπεί σε ένα λευκό νάνο σε περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια.
(3) Κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων: Η ακτινοβολία που ανακαλύφθηκε το 1965 και η οποία αποτελεί τον “απόηχο” της μεγάλης έκρηξης από την οποία δημιουργήθηκε το σύμπαν. Μια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, μικρού μήκους κύματος, διάχυτη, που έρχεται ομοιόμορφα απ’ όλες τις διευθύνσεις του ουρανού, θερμοκρασίας -270 C. Χάρις σε αυτή μπορέσαμε να χρονολογήσουμε τη δημιουργία του σύμπαντος σε 13,7 δισεκατομμύρια έτη.
(4) Ο λόγος που χρησιμοποιήθηκαν δύο όμοιες διατάξεις και μάλιστα σε μεγάλη απόσταση η μία από την άλλη είναι ο περιορισμός του πειραματικού λάθους αφού, αν ανιχνευθεί κάποιο σήμα στη μία διάταξη, θα πρέπει σε κλάσμα του δευτερολέπτου να καταγραφεί και στην άλλη. Επειδή μάλιστα η διάταξη είναι εξαιρετικά υπερευαίσθητη σε παρεμβολές κάθε παρεμβολή που υπάρχει στη μία διάταξη και δεν υπάρχει στην άλλη, απορρίπτεται. Τέτοιες παρεμβολές μπορεί να είναι: Μικροσεισμοί ακόμα και κάτω του 1 Ρίχτερ, καιρικά φαινόμενα, το πέρασμα ενός οχήματος από κάποια απόσταση, ακόμα και η “πίεση” που ασκεί το φως του λέιζερ πάνω στο κάτοπτρο μπορεί να δημιουργήσει “παράσιτο”!
(5) Η μεγάλη ευαισθησία της ανιχνευτικής διάταξης επιτυγχάνεται αξιοποιώντας το φαινόμενο της συμβολής του φωτός. Πρόκειται για μια εξέλιξη της ίδια τεχνικής που χρησιμοποιήθηκε το 1887 στο περίφημο πείραμα των Michelson και Morley και με το οποίο αποδείχθηκε ότι ο “αιθέρας” δεν υπάρχει. και η ταχύτητα του φωτός είναι πάντοτε σταθερή.
(6) Αν και το φυσικό μήκος των δύο σωλήνων-βραχιόνων είναι 4Km, στην πραγματικότητα συμπεριφέρονται (έχουν δηλαδή “ενεργό μήκος”) 400 φορές μεγαλύτερο, δηλ. 1.600 Km. Αυτό επιτυγχάνεται με παλινδρόμηση των δύο ακτινών λέιζερ 400 φορές μέσα στο κάθε σωλήνα χρησιμοποιώντας ανακλαστικά κάτοπτρα στα άκρα, πριν συναντηθούν ξανά και δώσουν τα φαινόμενα συμβολής.
