Ο Αλμπερτ Αϊνστάιν αμέσως μετά τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας ανακάλυψε ότι η παρουσία μάζας σε κάποιο σημείο του χωροχρόνου1 διαμορφώνει τον χωρόχρονο στην περιοχή της, η έννοια του χώρου και του χρόνου δεν υπάρχει χωρίς την παρουσία μάζας2 και ο χωρόχρονος διαφέρει ριζικά στη γειτονιά μιας μαύρης τρύπας από τη γειτονιά του Ηλιου. Ο Αϊνστάιν περιέγραφε αυτή τη σχέση του χωροχρόνου με τη μάζα με το ρητό: «Η ύλη λέει στον χώρο πώς θα καμπυλωθεί και ο χώρος λέει στην ύλη πώς θα κινηθεί». Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας είναι όμως μια δυναμική θεωρία και προβλέπει ακόμη ότι σχεδόν κάθε μεταβολή της μάζας, ή της κατανομής της, θα αποτυπωθεί στον χωρόχρονο με τη μορφή κυμάτων που απομακρύνονται και διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Από όλα τα παραπάνω λοιπόν προκύπτει το ερώτημα που σήμερα βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της έρευνας στην Αστροφυσική: Θα μπορέσουμε ποτέ να παρατηρήσουμε αυτά τα κύματα;
Ως τώρα το Σύμπαν το παρατηρούσαμε μόνο μέσα από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ορατή, υπέρυθρη και υπεριώδης ακτινοβολία, ακτίνες Χ και γάμμα, ραδιοκύματα κλπ.). Επειδή το βαρυτικό πεδίο όμως είναι γενικά πολύ ασθενές, μόνο μεγάλης κλίμακας εκρηκτικά γεγονότα αναμένεται να παράγουν ανιχνεύσιμα βαρυτικά κύματα. Μερικά από τα αστροφυσικά φαινόμενα που θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν τα βαρυτικά κύματα είναι τα εξής:
* Διπλά συστήματα αστέρων νετρονίων που συγκλίνουν3 σε ένα συμπαγές κεντρικό αντικείμενο το οποίο ίσως στη συνέχεια καταρρεύσει σε μελανή οπή.
* Μελανές οπές που «καταπίνουν» αστέρες νετρονίων, καθώς και συγκρούσεις και συγχωνεύσεις μεταξύ μελανών οπών.
* Η γέννηση και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά (π.χ. αναπάλσεις, περιστροφή κλπ.) ενός αστέρα νετρονίων, που προκύπτει από την έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς αστέρα. Ενα τέτοιο φαινόμενο συμβαίνει με ρυθμό περίπου ένα κάθε 40 χρόνια στον γαλαξία μας ή και με ρυθμό αρκετών κάθε χρόνο αν μπορούμε να κοιτάξουμε ως το σμήνος της Παρθένου.
* «Αστροσεισμοί» (ανάλογοι με τους γήινους) και λεπτομερείς πληροφορίες για τον τρόπο που αυτοί μεταβάλλουν το σχήμα και την περιστροφή ενός αστέρα.
* Βαρυτικά κύματα που δημιουργήθηκαν κατά τη Μεγάλη Εκρηξη.
* Φαινόμενα που ακόμη αγνοούμε την ύπαρξή τους.
Τα βαρυτικά κύματα από τις παραπάνω αστροφυσικές πηγές μπορούν γενικά να χωρισθούν σε τρεις κατηγορίες: κύματα από εκρήξεις (bursts), περιοδικά κύματα και στοχαστικά κύματα.
Η πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων θα αποτελέσει ένα βαρυσήμαντο γεγονός για τη Φυσική. Αλλά η πραγματική αποζημίωση όλων των κόπων και των προσπαθειών θα είναι η νέα εικόνα που θα αποκτήσουμε για το τι συμβαίνει σε κάποιες μεριές του Σύμπαντος που μόνο τα βαρυτικά κύματα μπορούν να μας δώσουν την ευκαιρία να δούμε.
Επειτα από περισσότερα από 25 χρόνια προσπαθειών δεν έχουμε καταφέρει ακόμη να ανιχνεύσουμε βαρυτικά κύματα. Παρ’ όλα αυτά υπάρχουν ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξή τους. Το 1975 οι Taylor και Hulse από το Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης παρατήρησαν τον διπλό πάλσαρ PSR 1913+16 του οποίου η περίοδος περιφοράς μειώνεται τα τελευταία 30 χρόνια με ρυθμό σύμφωνο με αυτόν που προβλέπεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας στην περίπτωση όπου έχουμε εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Γι’ αυτή τους την ανακάλυψη τους απονεμήθηκε το βραβείο Νομπέλ Φυσικής το 1994. Το διπλό αυτό σύστημα είναι παράδειγμα ενός συστήματος που συγκλίνει.
Τα βαρυτικά κύματα αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη. Καθώς ένα τέτοιο κύμα διαπερνά ένα σώμα, μια δύναμη ενεργεί πάνω του, προκαλώντας σε αυτό επιμήκυνση κατά μία διεύθυνση και συρρίκνωση κατά την κάθετη διεύθυνση. Παρ’ όλα αυτά η αλληλεπίδραση είναι πολύ ασθενής και είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθεί.
Η πρωτοποριακή ιδέα για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων προτάθηκε από τον J. Weber στις αρχές της δεκαετίας του ’60. Βασιζόταν στη μέτρηση της ταλάντωσης που προκαλούν αυτά τα κύματα στην ύλη, με τη βοήθεια ενός πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου. Ετσι το 1966 κατασκεύασε τον πρώτο βαρυτικό ανιχνευτή συντονισμού, που αποτελείτο από μια μεγάλη ράβδο από αλουμίνιο που ήταν απομονωμένη από κάθε είδους κραδασμό και βρισκόταν μέσα σε έναν θάλαμο κενού. Η απομόνωση από κραδασμούς, όπως π.χ. τα σεισμικά ή ακουστικά κύματα που προέρχονται από τη Γη ή οι θερμικές ταλαντώσεις της ύλης λόγω της θερμοκρασίας κ.ά., είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, καθώς οι ταλαντώσεις που αυτά θα προκαλέσουν στην ύλη κατά την πρόσπτωσή τους θα είναι ένα μικρό μόνο ποσοστό της τιμής του μήκους της διαμέτρου του πυρήνα ενός ατόμου! Είναι λοιπόν απαραίτητο η ευαισθησία του οργάνου να είναι μεγάλη. Από τις πρώτες προσπάθειες του J. Weber η ευαισθησία έχει βελτιωθεί πολλές τάξεις μεγέθους. Τώρα πλέον είμαστε σε θέση να ανιχνεύσουμε την έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς στον Γαλαξία μας, κάτι που δυστυχώς όμως είναι σχετικά σπάνιο φαινόμενο. Για να αυξήσουμε την πιθανότητα ανίχνευσης στο άμεσο μέλλον, πρέπει να κοιτάξουμε βαθύτερα μέσα στο Σύμπαν.
Σήμερα έχουν αρχίσει να κατασκευάζονται ουσιαστικά δύο είδη οργάνων για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων: οι σχεδόν σφαιρικοί βαρυτικοί ανιχνευτές συντονισμού και τα συμβολόμετρα Λέιζερ. Και τα δύο όργανα βασίζονται στο γεγονός ότι τα βαρυτικά κύματα αλληλεπιδρούν με την ύλη με τον τρόπο που προαναφέραμε, αλλά είναι εντελώς διαφορετικά στη φιλοσοφία κατασκευής τους. Οι βαρυτικοί ανιχνευτές μετρούν τη μεταβολή του πλάτους ταλάντωσης της ύλης που μπορεί να προκαλέσει ένα προσπίπτον κύμα και επειδή όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η μεταβολή τόσο καλύτερα ανιχνεύεται, απαιτείται να έχουν μεγάλη μάζα. Τα πλεονεκτήματα αυτού του οργάνου είναι ότι, επειδή έχει περίπου σφαιρικό σχήμα (σε αντίθεση με τους ως τώρα ανιχνευτές που έχουν τη μορφή ράβδου), είναι δυνατόν να ανιχνεύσει κύματα που έρχονται από όλες τις διευθύνσεις και είναι πολωμένα επίσης σε οποιαδήποτε διεύθυνση.
Το συμβολόμετρο Λέιζερ είναι ένα όργανο που αποτελείται από δύο κάθετους μεταξύ τους σωλήνες, στο εσωτερικό των οποίων δημιουργείται σχεδόν τέλειο κενό. Στο τέλος καθενός από αυτούς υπάρχουν τοποθετημένα κάτοπτρα που ανακλούν ακτινοβολία Λέιζερ η οποία ταξιδεύει κατά μήκος κάθε βραχίονα. Οταν ένα βαρυτικό κύμα φθάσει εκεί, θα μεταβάλει το μήκος των τμημάτων που αποτελούν το συμβολόμετρο. Μια τέτοια μεταβολή θα παρατηρηθεί από την απειροελάχιστη αλλαγή των σχημάτων συμβολής που σχηματίζονται από τις ανακλώμενες δέσμες Λέιζερ στο τέλος κάθε σωλήνα. Ενα πλεονέκτημά τους είναι ότι μπορούν να ανιχνεύσουν κύματα σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων (50 Hz – 1.500 Hz), αλλά το μέγεθός τους είναι τεράστιο γιατί όσο πιο μεγάλοι σε μήκος είναι οι βραχίονες των οργάνων αυτών τόσο καλύτερη και η διακριτική τους ικανότητα. Συμβολόμετρα που κατασκευάζονται για να λειτουργήσουν στο Διάστημα (όπως το LISA) δεν χρειάζονται την προσθήκη βραχιόνων για τεχνητό κενό. Ετσι θα αποτελούνται μόνο από τρία ξεχωριστά τμήματα που θα βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους, ενώ μία δέσμη Λέιζερ θα ταξιδεύει ανάμεσά τους σχηματίζοντας ορθή γωνία.
Η προσπάθεια ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων τον τελευταίο καιρό επιταχύνεται σημαντικά καθώς κατασκευάζονται νέοι ανιχνευτές με όλο και αυξημένη διακριτική ικανότητα. Η τιμή της διακριτικής ικανότητας που πρέπει να επιτευχθεί για να μπορέσουμε να παρατηρήσουμε βαρυτικά κύματα είναι της τάξεως του 10-21(σχετική μεταβολή μήκους ίση με 10-21). Αυτό όμως από μόνο του δεν είναι αρκετό. Πρέπει επίσης να επιβεβαιωθεί και η ταυτόχρονη ανίχνευση ενός γεγονότος από διαφορετικά όργανα, έτσι ώστε να είναι σίγουρη η ύπαρξή του. Γι’ αυτόν τον λόγο οι διάφοροι σταθμοί (όργανα) ανίχνευσης συνεργάζονται μεταξύ τους.
Πιστεύεται ότι πολύ σύντομα θα έχει επιτευχθεί η κατάλληλη διακριτική ικανότητα χάρη στους νέους ανιχνευτές που τώρα κατασκευάζονται, όπως το LIGO (Laser Interferometer Gravitational – wave Observatory) που αποτελεί μια αμερικανική προσπάθεια και το VIRGO που αποτελεί ιταλογαλλική συνεργασία. Αλλα παρόμοια προγράμματα που αναπτύσσονται αυτή τη στιγμή είναι τα GEO, TIGA, LISA κ.ά.
1. Από την εμπειρία μας γνωρίζουμε ότι όταν θέλουμε να περιγράψουμε ένα γεγονός πλήρως δεν αρκεί μόνο να πούμε πού έγινε αλλά πρέπει να πούμε και πότε έγινε. Είναι δηλαδή σαν να περιγράφουμε το συγκεκριμένο γεγονός χρησιμοποιώντας ένα σύστημα τεσσάρων συντεταγμένων όπου οι τρεις διαστάσεις αναφέρονται στον χώρο και η τέταρτη στον χρόνο.
2. Δεν έχει νόημα να μιλάμε για γεγονότα πριν από τη Μεγάλη Εκρηξη γιατί ο χώρος και ο χρόνος δημιουργήθηκαν εκείνη τη στιγμή.
3. Με τον όρο «σύγκλιση» εννοούμε τη σταδιακή προσέγγιση των δύο σωμάτων και τελικά τη δημιουργία ενός συμπαγούς αντικειμένου.
