Τα βαρυτικά κύματα είναι ανεπαίσθητοι κυματισμοί του χωροχρόνου που δημιουργούνται από ορισμένα από τα πιο βίαια γεγονότα του σύμπαντος. Δεν είναι κύματα ήχου ούτε φωτός. Είναι πραγματικές μεταβολές στις αποστάσεις μέσα στον ίδιο τον χωροχρόνο.
Όταν δύο μαύρες τρύπες ή δύο αστέρες νετρονίων κινούνται η μία γύρω από την άλλη και τελικά συγχωνεύονται, μπορούν να στείλουν τέτοιους κυματισμούς σε ολόκληρο το σύμπαν. Η ανίχνευσή τους άνοιξε έναν εντελώς νέο τρόπο παρατήρησης του κόσμου γύρω μας.
Τι ακριβώς είναι τα βαρυτικά κύματα;
Στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο χώρος και ο χρόνος δεν αντιμετωπίζονται ως δύο ανεξάρτητες έννοιες αλλά ως ένα ενιαίο τετραδιάστατο πλαίσιο, τον χωροχρόνο.
Η ύλη και η ενέργεια καμπυλώνουν τον χωροχρόνο. Όταν πολύ μεγάλες μάζες επιταχύνονται με κατάλληλο τρόπο και η κατανομή της μάζας τους μεταβάλλεται, μπορούν να δημιουργηθούν διαταραχές που απομακρύνονται από την πηγή ως βαρυτικά κύματα.
Τα κύματα αυτά ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Καθώς περνούν από μια περιοχή, μεταβάλλουν για ελάχιστο χρόνο τις αποστάσεις ανάμεσα σε ελεύθερα αντικείμενα.
Πότε προέβλεψε ο Αϊνστάιν την ύπαρξή τους;
Ο Αϊνστάιν διατύπωσε τη Γενική Σχετικότητα το 1915 και λίγο αργότερα έδειξε ότι οι εξισώσεις της επέτρεπαν την ύπαρξη κυμάτων βαρύτητας.
Για πολλές δεκαετίες, όμως, τα βαρυτικά κύματα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν άμεσα. Οι παραμορφώσεις που προκαλούν όταν φτάνουν στη Γη είναι απίστευτα μικρές και απαιτούν όργανα εξαιρετικής ακρίβειας.
Υπήρχαν έμμεσες ενδείξεις πριν από την άμεση ανίχνευση. Η μεταβολή της τροχιάς δυαδικών αστέρων νετρονίων, για παράδειγμα, συμφωνούσε εντυπωσιακά με την απώλεια ενέργειας που προέβλεπε η Γενική Σχετικότητα μέσω βαρυτικών κυμάτων.
Η ημέρα που το LIGO τα ανίχνευσε για πρώτη φορά
Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, οι δύο ανιχνευτές του LIGO στις Ηνωμένες Πολιτείες κατέγραψαν ένα σήμα που ονομάστηκε GW150914.
Το σήμα είχε δημιουργηθεί από δύο μαύρες τρύπες που περιστρέφονταν η μία γύρω από την άλλη, πλησίασαν και τελικά συγχωνεύθηκαν σε μία μεγαλύτερη μαύρη τρύπα περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά.
Η ανακάλυψη ανακοινώθηκε στις 11 Φεβρουαρίου 2016. Ήταν η πρώτη άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων και ταυτόχρονα η πρώτη άμεση παρατήρηση μιας συγχώνευσης δύο μαύρων τρυπών.
Ποια κοσμικά γεγονότα δημιουργούν βαρυτικά κύματα;
Θεωρητικά, πολλές μεταβαλλόμενες κατανομές επιταχυνόμενης μάζας παράγουν βαρυτική ακτινοβολία. Στην πράξη όμως, για να φτάσει στη Γη ένα σήμα αρκετά ισχυρό ώστε να ανιχνευθεί, συνήθως χρειάζονται εξαιρετικά συμπαγή και μεγάλης μάζας αντικείμενα.
Συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών
Δύο μαύρες τρύπες σε ένα δυαδικό σύστημα χάνουν σταδιακά τροχιακή ενέργεια μέσω βαρυτικών κυμάτων. Καθώς πλησιάζουν, περιστρέφονται όλο και γρηγορότερα μέχρι να συγχωνευθούν.
Το σήμα αυξάνεται σε συχνότητα και ένταση καθώς πλησιάζει η τελική συγχώνευση, δημιουργώντας τον χαρακτηριστικό τύπο σήματος που συχνά περιγράφεται ως chirp.
Συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων
Οι αστέρες νετρονίων είναι εξαιρετικά πυκνά υπολείμματα άστρων. Όταν δύο από αυτούς συγχωνεύονται, παράγουν βαρυτικά κύματα και μπορούν παράλληλα να δημιουργήσουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Αυτό επιτρέπει στους επιστήμονες να παρατηρούν το ίδιο γεγονός με διαφορετικούς «αγγελιοφόρους»: βαρυτικά κύματα, ακτίνες γάμμα, ορατό φως και άλλα μήκη κύματος.
Εκρήξεις και άλλες πιθανές πηγές
Μια ασύμμετρη κατάρρευση του πυρήνα ενός μεγάλου άστρου θα μπορούσε επίσης να παράγει βαρυτικά κύματα. Οι επιστήμονες αναζητούν ακόμη συνεχή σήματα από περιστρεφόμενους αστέρες νετρονίων και ένα διάχυτο υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων από πολλές διαφορετικές πηγές.
Τι συμβαίνει όταν ένα βαρυτικό κύμα περνά από τη Γη;
Αν ένα βαρυτικό κύμα περάσει μέσα από μια ομάδα ελεύθερων αντικειμένων, οι μεταξύ τους αποστάσεις αλλάζουν ανεπαίσθητα. Σε μία κατεύθυνση ο χώρος «τεντώνεται», ενώ στην κάθετη κατεύθυνση «συμπιέζεται». Λίγο αργότερα η παραμόρφωση αντιστρέφεται.
Δεν πρόκειται για αντικείμενα που παρασύρονται μέσα σε κάποιο υλικό μέσο. Μεταβάλλεται η ίδια η γεωμετρία των αποστάσεων που μετράμε.
Η επίδραση είναι εκπληκτικά μικρή. Στην πρώτη ανίχνευση του LIGO, το GW150914 προκάλεσε διαφορά μήκους στους βραχίονες των ανιχνευτών περίπου 4 × 10−18 μέτρα, δηλαδή περίπου 1/200 της διαμέτρου ενός πρωτονίου.
Πώς μπορεί το LIGO να μετρήσει κάτι τόσο μικρό;
Οι ανιχνευτές LIGO έχουν δύο κάθετους βραχίονες μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων. Μια δέσμη λέιζερ χωρίζεται και ταξιδεύει κατά μήκος των δύο βραχιόνων, ανακλάται σε ειδικούς καθρέφτες και επιστρέφει.
Αν περάσει ένα βαρυτικό κύμα, το μήκος του ενός βραχίονα μεταβάλλεται ελάχιστα σε σχέση με το άλλο. Η μεταβολή επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο συμβάλλουν οι δύο δέσμες λέιζερ όταν επανενώνονται.
Έτσι, το LIGO δεν «φωτογραφίζει» το βαρυτικό κύμα. Μετρά την απειροελάχιστη αλλαγή που προκαλεί στις αποστάσεις.
Γιατί λέμε ότι πλέον μπορούμε να «ακούμε» το σύμπαν;
Για αιώνες, σχεδόν όσα γνωρίζαμε για το μακρινό σύμπαν προέρχονταν από το φως και τις διαφορετικές μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας: ραδιοκύματα, υπέρυθρο, ορατό φως, υπεριώδες, ακτίνες Χ και ακτίνες γάμμα.
Τα βαρυτικά κύματα μεταφέρουν διαφορετικό είδος πληροφορίας. Μπορούν να μας αποκαλύψουν απευθείας την κίνηση συμπαγών αντικειμένων ακόμη και όταν το γεγονός παράγει ελάχιστο ή καθόλου φως.
Η έκφραση ότι οι επιστήμονες «ακούν» το σύμπαν είναι βέβαια μεταφορά. Τα βαρυτικά κύματα δεν είναι ηχητικά κύματα, αλλά τα σήματά τους μπορούν να μετατραπούν σε ακουστικές συχνότητες ώστε να γίνουν αντιληπτά και με την ακοή.
Τι μπορούν να μας πουν για τις μαύρες τρύπες;
Πριν από την αστρονομία βαρυτικών κυμάτων, οι μαύρες τρύπες μελετώνταν κυρίως μέσω της επίδρασής τους στην ύλη και στο φως γύρω τους.
Τα βαρυτικά κύματα επιτρέπουν να μετρηθούν ιδιότητες όπως οι μάζες και η περιστροφή μαύρων τρυπών που συγχωνεύονται. Με αυτά τα δεδομένα οι φυσικοί μπορούν επίσης να ελέγξουν αν το παρατηρούμενο σήμα συμφωνεί με τις προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας σε εξαιρετικά ισχυρά βαρυτικά πεδία.
Με αυτόν τον τρόπο ανακαλύφθηκε ένας ολόκληρος πληθυσμός δυαδικών μαύρων τρυπών που ήταν πολύ δύσκολο να μελετηθεί με τα συμβατικά τηλεσκόπια.
Μπορούν να μας αποκαλύψουν το πρώιμο σύμπαν;
Αυτό είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά ενδεχόμενα, αλλά χρειάζεται προσοχή. Δεν έχει ανιχνευθεί μέχρι σήμερα ένα βαρυτικό κύμα για το οποίο να έχει αποδειχθεί ότι προέρχεται από τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Θεωρητικά, πολύ πρώιμες κοσμικές διεργασίες θα μπορούσαν να έχουν δημιουργήσει ένα αρχέγονο υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων. Επειδή τα βαρυτικά κύματα μπορούν να ταξιδεύουν μέσα στο σύμπαν χωρίς να απορροφώνται όπως το φως από την ύλη, ένα τέτοιο σήμα θα μπορούσε να προσφέρει πληροφορίες από εποχές που δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε με συμβατικά τηλεσκόπια.
Η αναζήτηση τέτοιων πολύ χαμηλών ή διαφορετικών συχνοτήτων απαιτεί διαφορετικά είδη παρατηρητηρίων από το LIGO.
Δεν υπάρχουν μόνο LIGO και Virgo
Τα επίγεια συμβολόμετρα LIGO, Virgo και KAGRA παρατηρούν συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων και είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών αστρικής μάζας και αστέρων νετρονίων.
Άλλα βαρυτικά κύματα έχουν πολύ χαμηλότερες συχνότητες. Για αυτά χρησιμοποιούνται διαφορετικές τεχνικές, όπως η εξαιρετικά ακριβής παρακολούθηση πάλσαρ.
Παράλληλα, το διαστημικό παρατηρητήριο LISA σχεδιάζεται για τη μέτρηση χαμηλότερων συχνοτήτων από εκείνες που μπορούν να παρατηρηθούν αποτελεσματικά από επίγεια συμβολόμετρα. Θα μπορεί, μεταξύ άλλων, να μελετά συστήματα πολύ μεγαλύτερων μαύρων τρυπών.
Είναι επικίνδυνα τα βαρυτικά κύματα για τη Γη;
Όχι. Τα βαρυτικά κύματα που φτάνουν σε εμάς από μακρινά αστροφυσικά γεγονότα προκαλούν τόσο μικρές μεταβολές ώστε απαιτούνται εξαιρετικά ευαίσθητα επιστημονικά όργανα για να ανιχνευθούν.
Δεν τα αισθανόμαστε και δεν προκαλούν πρακτικές επιπτώσεις στους ανθρώπους, στα κτίρια ή στον πλανήτη όταν περνούν από την περιοχή μας.
Ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν
Η πρώτη άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων δεν επιβεβαίωσε απλώς μια σημαντική πρόβλεψη της Γενικής Σχετικότητας. Δημιούργησε έναν νέο κλάδο αστρονομίας.
Για πρώτη φορά μπορούμε να μελετάμε συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών και αστέρων νετρονίων μέσα από τις ίδιες τις παραμορφώσεις που δημιουργούν στον χωροχρόνο. Και καθώς διαφορετικοί ανιχνευτές εξερευνούν διαφορετικές συχνότητες, το σύμπαν αρχίζει να αποκαλύπτει γεγονότα που τα τηλεσκόπια από μόνα τους δεν μπορούσαν να μας δείξουν.
Πηγές:
- LIGO Scientific Collaboration – GW150914
- LIGO – Frequently Asked Questions
- ESA – Gravitational waves: ripples in spacetime
- ESA – LISA
