Η ρυτίδα του χωρο-χρόνου

Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 οι ανιχνευτές των παρατηρητηρίων LIGO λαμβάνουν βαρυτικά κύματα από το Διάστημα. Αφού οι ερευνητές επιβεβαιώνουν ότι πρόκειται πράγματι για τέτοιου είδους κύματα, ανακοινώνουν λίγους μήνες μετά ότι η συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών είχε ως αποτέλεσμα την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων ισχύος ικανής για να ανιχνευθούν από τα ανθρώπινα επιστημονικά όργανα. Η ιστορική αυτή ανακάλυψη επιβεβαίωσε για ακόμα μία φορά τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, η οποία είχε διατυπωθεί 100 χρόνια πριν από τον Αλβέρτο Αϊνστάιν. Δύο χρόνια μετά, το 2017, το Παρατηρητήριο έρχεται ξανά στο προσκήνιο της επιστημονικής επικαιρότητας: τα βαρυτικά κύματα «ενοχλούν» ξανά το συμβολόμετρο, ειδοποιώντας ότι ένα κοσμικό φαινόμενο έχει λάβει χώρα. Αυτή τη φορά ήταν η συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων που προκάλεσε την έκλυση βαρυτικών κυμάτων. Η παρατήρηση αυτή ήταν, όπως αποδεικνύεται, μόνο η αρχή, αφού οι αστροφυσικοί για δεύτερη φορά στην Ιστορία ανακοίνωσαν αυτόν τον μήνα στο 235ο Συνέδριο της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων τα οποία προέρχονται πιθανότατα από τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων.

Τι είναι τα βαρυτικά κύματα

«Κυρίες και κύριοι, ανιχνεύσαμε βαρυτικά κύματα!». Με αυτά τα λόγια ο φυσικός Ντέιβιντ Ρίιτζ, διευθυντής του Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων μέσω Συμβολόμετρου Λέιζερ της Ουάσιγκτον (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO) ανακοίνωσε την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Γιατί όμως η ανίχνευση των κυμάτων αυτών ήταν τόσο σημαντική για την επιστήμη; Η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων αποτελούσε μια πρόβλεψη της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, μια υπόθεση η οποία έπειτα από αλλεπάλληλες επιβεβαιώσεις έγινε θεωρία και αποτέλεσε εξαιρετικό εργαλείο στα χέρια των επιστημόνων για τη μελέτη του Σύμπαντος.

Κομβικό σημείο για την κατανόηση των βαρυτικών κυμάτων είναι το θεωρητικό μοντέλο του χωροχρόνου, ο οποίος αποτελείται από τέσσερις διαστάσεις: τρεις διαστάσεις για τον χώρο και μία για τον χρόνο. Οι τέσσερις αυτές διαστάσεις δημιουργούν ένα πλέγμα μέσα στο οποίο μπορούν να περιγραφούν ικανοποιητικά τα κοσμικά φαινόμενα. Ο χωροχρόνος αυτός, σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, καμπυλώνεται από την παρουσία της ύλης. Δηλαδή, εάν φανταστούμε το θεωρητικό αυτό μοντέλο ως ένα απλωμένο σεντόνι, η καμπύλωση του χωροχρόνου από την ύλη αντιστοιχεί στο βαθούλωμα του σεντονιού εάν αφήσουμε πάνω σε αυτό ένα μπαλάκι. Σύμφωνα με τις διατυπώσεις του πατέρα της Σχετικότητας, εάν η ύλη καμπυλώνει τον χωροχρόνο, τότε όταν αυτή επιταχύνεται θα πρέπει να προκαλεί κυματισμούς στον χωροχρόνο. Οι κυματισμοί αυτοί είναι τα βαρυτικά κύματα.

Τα κύματα αυτά απομακρύνονται από την πηγή η οποία τα προκάλεσε περίπου όπως απομακρύνονται οι κυματισμοί στη θάλασσα όταν διαταράσσουμε την επιφάνειά της με μια πέτρα. Με ποιον τρόπο όμως μπορεί η ύλη να επιταχυνθεί στο Σύμπαν; Ενας τρόπος είναι μέσω των διπλών συστημάτων, δύο αστρικών σωμάτων δηλαδή τα οποία στροβιλίζονται το ένα γύρω από το άλλο.

Καθώς στροβιλίζονται, τα σώματα αυτά αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη ταχύτητα. Παράλληλα, το σύστημα των διπλών αστρικών σωμάτων εκπέμπει βαρυτικά κύματα, τα οποία αφαιρούν συνεχώς ενέργεια από αυτό, κάτι που έχει ως αποτέλεσμα ο «χορός» μεταξύ των δύο σωμάτων να γίνεται ολοένα και πιο έντονος, μέχρις ότου τα σώματα «εξαντλημένα» να συγκρουστούν στο κέντρο μάζας του συστήματος και να συγχωνευθούν.

Αυτό είναι ένα σύστημα λοιπόν το οποίο προκαλεί την έκλυση βαρυτικών κυμάτων ισχύος ικανής να ανιχνευθεί από τον άνθρωπο. Το σύστημα αυτό μπορεί να είναι, παραδείγματος χάριν, δύο μαύρες τρύπες, μία μαύρη τρύπα και ένας αστέρας νετρονίων ή δύο αστέρες νετρονίων. Μέχρι το 2015 οι επιστήμονες, παρόλο που διέθεταν την κατάλληλη πειραματική διάταξη, δεν μπορούσαν να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα. Αυτό συνέβαινε επειδή ήταν εξαιρετικά δύσκολο να θωρακίσουν τα λέιζερ του ανιχνευτή από παρεμβολές, όπως τα ελαστικά κύματα του εδάφους. Επειτα όμως από κατάλληλες προσαρμογές, οι επιστήμονες κατάφεραν αυτό που ακόμα και ο ίδιος ο Αϊνστάιν είχε αρχίσει να αμφισβητεί προς το τέλος της καριέρας του: ανίχνευσαν βαρυτικά κύματα, επιβεβαιώνοντας για ακόμα μία φορά τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Αναζητώντας την πηγή

Τα βαρυτικά κύματα τα οποία ανιχνεύθηκαν από το παρατηρητήριο LIGO τον Απρίλιο του 2019 προέρχονται πιθανότατα από τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων, των απομειναριών δηλαδή μεγάλων αστέρων των οποίων η μάζα έχει καταρρεύσει στο εσωτερικό τους υπό την επίδραση της βαρύτητας. Εάν οι εικασίες των αστρονόμων επιβεβαιωθούν, θα πρόκειται για τη δεύτερη φορά που οι αστρονόμοι ανιχνεύουν βαρυτικά κύματα προερχόμενα από ένα σύστημα δύο αστέρων νετρονίων. «Τα κύματα προέρχονται από τη συγχώνευση δύο αντικειμένων με συνολική μάζα 3,4 φορές τη μάζα του Ηλίου» σημειώνει στο ΒΗΜΑScience η ερευνήτρια Κατερίνα Χατζηιωάννου, μέλος της κοινοπραξίας LIGO, η οποία συμμετείχε στη δημοσίευση.

«Αυτή η μάζα σημαίνει ότι κατά πάσα πιθανότητα τα αντικείμενα ήταν αστέρες νετρονίων. Για τους αστρονόμους αυτό είναι σημαντικό, γιατί έχουμε δει μόνο δύο τέτοια σήματα και μόνο οι συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία την οποία μπορούμε να ανιχνεύσουμε με τηλεσκόπια. Τα υπόλοιπα βαρυτικά κύματα που έχουμε δει είναι από συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών, οι οποίες μάλλον δεν εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία».

Η πρώτη φορά που ανιχνεύθηκαν κύματα προερχόμενα από συγχώνευση αστέρων νετρονίων ήταν το 2017. Σε εκείνη την περίπτωση, οι αστρονόμοι ήταν σίγουροι ότι επρόκειτο για αστέρες νετρονίων, αφού όταν αυτοί συγκρούονται εκτός από βαρυτικά κύματα εκπέμπουν και ηλεκτρομαγνητικά. Οταν λοιπόν οι επιστήμονες αντιλήφθηκαν ότι το συμβολόμετρο του LIGO ανίχνευσε βαρυτικά κύματα, αμέσως ενεργοποίησαν ραδιοτηλεσκόπια, τα οποία πράγματι ανίχνευσαν κύματα προερχόμενα από την ίδια κατεύθυνση. Στην περίπτωση της πρόσφατης ανακάλυψης ωστόσο οι ερευνητές δεν κατάφεραν να ανιχνεύσουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Εικάζουν παρ’ όλα αυτά ότι πρόκειται για συγχώνευση αστέρων νετρονίων λόγω του μεγέθους τους.

«Το μόνο που γνωρίζουμε για τα κύματα τα οποία ανιχνεύθηκαν τον Απρίλιο είναι ότι τα σώματα τα οποία συγχωνεύθηκαν έχουν μάζες, το καθένα ξεχωριστά, γύρω στις μία-δύο φορές τη μάζα του Ηλίου» σημειώνει η ερευνήτρια, προσθέτοντας ότι «αυτή είναι περίπου και η μάζα την οποία έχουν όλοι οι αστέρες νετρονίων που έχουμε παρατηρήσει στον γαλαξία, ενώ οι μαύρες τρύπες έχουν μεγαλύτερη μάζα, πάνω από πέντε φορές τη μάζα του Ηλίου». Οπως ανέφερε σε δηλώσεις της στο Συνέδριο της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας, η συνολική μάζα των εν λόγω αντικειμένων είναι η μεγαλύτερη η οποία έχει παρατηρηθεί ποτέ σε ζεύγος αστέρων νετρονίων.

Για ποιον λόγο όμως, δεδομένου ότι οι μάζες παραπέμπουν σε αστέρες νετρονίων, οι αστροφυσικοί δεν κατάφεραν να ανιχνεύσουν λάμψεις λόγω της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας; Σύμφωνα με τους ερευνητές, ένας λόγος θα μπορούσε να είναι ότι η συγχώνευση των αστέρων νετρονίων προκάλεσε τη δημιουργία μιας μαύρης τρύπας πολύ μεγάλου μεγέθους, στην οποία παγιδεύθηκε γρήγορα κάθε πιθανή λάμψη. Ενα άλλο ενδεχόμενο είναι ότι η συγκεκριμένη ακτινοβολία απομακρύνθηκε από την πηγή της σε κατεύθυνση διαφορετική από αυτήν όπου βρίσκεται η Γη, και έτσι στάθηκε αδύνατος ο εντοπισμός της.

Σχηματική αναπαράσταση του υπόγειου ιαπωνικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων KAGRA

Μακρινοί γαλαξίες

Ενα άλλο μυστήριο είναι ότι, ενώ η συγχώνευση αυτή παρατηρήθηκε σε έναν γαλαξία ο οποίος απέχει 500 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη, στον γαλαξία μας δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ ένα αντίστοιχο φαινόμενο. Αυτό οδηγεί τους ερευνητές να αναρωτηθούν για ποιον λόγο δεν έχουν παρατηρηθεί συγχωνεύσεις οι οποίες οδηγούν σε σχηματισμούς τόσο μεγάλης μάζας στον «Milky Way». «Το σύστημα το οποίο παρατηρήθηκε έχει μεγαλύτερη μάζα από όλα τα άλλα συστήματα αστέρων νετρονίων που έχουμε δει στον γαλαξία μας – στον Γαλαξία έχουμε δει περίπου 20 τέτοια συστήματα μέσω ραδιοκυμάτων» μας είπε η ελληνίδα ερευνήτρια, συμπληρώνοντας πως «η ανίχνευση του LIGO σημαίνει ότι τέτοια συστήματα αστέρων νετρονίων με μεγάλη συνολική μάζα δημιουργούνται στο Σύμπαν, αλλά για κάποιον λόγο δεν τα ανιχνεύουμε στον γαλαξία μας. Αυτή τη στιγμή δεν κατανοούμε πλήρως ούτε πώς ακριβώς δημιουργούνται αυτά τα «μεγάλα» συστήματα ούτε γιατί δεν τα έχουμε δει ποτέ στον γαλαξία μας».

Μια ερμηνεία η οποία προτάσσεται από μερίδα ερευνητών είναι ότι στην πραγματικότητα ο σχηματισμός ο οποίος παρατηρήθηκε προέκυψε από τη συγχώνευση αρχέγονων μαύρων τρυπών και όχι αστέρων νετρονίων. Αυτή η ερμηνεία ωστόσο σύμφωνα με την ερευνήτρια έχει λίγες πιθανότητες να επιβεβαιωθεί: «Είναι πιθανό, αλλά η πιθανότητα είναι γενικά μικρή. Δεν ξέρουμε αν υπάρχουν αρχέγονες μαύρες τρύπες, τι μάζες έχουν, και αν συγχωνεύονται». Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες είχαν προταθεί από τον Στίβεν Χόκινγκ ως πιθανοί σχηματισμοί προερχόμενοι από τα εμβρυακά στάδια του Σύμπαντος και πολύ πυκνοί σε σκοτεινή ύλη, έναν υποθετικό τύπο ύλης ο οποίος ενδέχεται να αποτελεί μέρος της μάζας του Σύμπαντος.

Σύμφωνα με άρθρο της ιστοσελίδας Scientific American όπου φιλοξενούνται απόψεις επιστημόνων γύρω από αυτό το ενδεχόμενο, παρόλο που η ερμηνεία η οποία περιλαμβάνει τις αρχέγονες μαύρες τρύπες έχει το πλεονέκτημα ότι οι συγκεκριμένοι σχηματισμοί, ως μαύρες τρύπες, ενδέχεται να είναι πλούσια πηγή βαρυτικών κυμάτων, η πιθανότητα τα κύματα τα οποία ανιχνεύθηκαν να προέρχονται από αυτές είναι εξαιρετικά μικρή, αφού, εάν υπάρχουν, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα είναι διεσπαρμένες στο αχανές Σύμπαν. Οποια και να είναι τελικά η εξήγηση, οι ερευνητές θα συνεχίσουν να μελετούν τα κοσμικά φαινόμενα έχοντας πλέον στα χέρια τους το πολύτιμο εργαλείο του ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων. «Συνεχίζουμε τις παρατηρήσεις. Πλέον γνωρίζουμε ότι τέτοια «μεγάλα» συστήματα υπάρχουν και μπορούμε να τα ανιχνεύσουμε με βαρυτικά κύματα. Οπότε συνεχίζοντας τις παρατηρήσεις ξέρουμε ότι θα ανιχνεύσουμε πολλά ακόμα τέτοια σήματα ώστε να κατανοήσουμε τις ιδιότητές τους» σημειώνει η ερευνήτρια Κατερίνα Χατζηιωάννου. Προς στιγμήν, για αυτόν τον σκοπό οι επιστήμονες διαθέτουν τα επιστημονικά όργανα τα οποία είναι εγκατεστημένα στο έδαφος, όμως σύντομα φιλοδοξούν να στείλουν ένα συμβολόμετρο στο Διάστημα, το οποίο θα μπορεί να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα προερχόμενα από πολλές κατευθύνσεις, ένα ερευνητικό έργο το οποίο ήδη βρίσκεται στα σκαριά.

Νέα εποχή με μεγάλες συνεργασίες παρατηρητηρίων

Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων τα οποία προέρχονται από τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων εγκαινίασε μια νέα εποχή για την εποχή της αστρονομίας, αφού για την ολοκληρωμένη μελέτη των κοσμικών φαινομένων καθίσταται πλέον απαραίτητος ο συντονισμός ανιχνευτών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, κοσμικών ακτίνων, βαρυτικών κυμάτων και νετρίνων. Η ανάγκη αυτή φέρνει μεγάλες επιστημονικές συνεργασίες μεταξύ των διαφορετικών παρατηρητηρίων.

Η Ελληνίδα της ερευνητικής ομάδας

Η Κατερίνα Χατζηιωάννου είναι μέλος της επιστημονικής κοινοπραξίας LIGO, η οποία αναλύει τα δεδομένα. Για το βαρυτικό κύμα που ανιχνεύθηκε το 2017 ήταν μέλος της ομάδας η οποία εκτίμησε τις παραμέτρους του συστήματος και τις ιδιότητες των αστέρων νετρονίων – και συγκεκριμένα την καταστατική τους εξίσωση. Για το βαρυτικό κύμα το οποίο ανιχνεύθηκε τον περασμένο Απρίλιο είναι συμπροεδρεύουσα της ομάδας που αναλύει τις ιδιότητες των αστέρων νετρονίων.

Οι… κυνηγοί των βαρυτικών κυμάτων

Δεν είναι μόνο το αμερικανικό LIGO το οποίο διαθέτει πειραματικές δομές ικανές για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Η Ευρώπη διαθέτει το VIRGO, το οποίο βρίσκεται στην Ιταλία, ενώ το KAGRA της Ιαπωνίας είναι ένα συμβολόμετρο με βραχίονες μήκους τριών χιλιομέτρων. Το 2020 αναμένεται να λειτουργήσει συμβολόμετρο παρόμοιο με αυτό του LIGO στην Ινδία.

Πώς λειτουργεί το συμβολόμετρο

Η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων στηρίχθηκε σε μία πειραματική διάταξη, τα πρώτα σχέδια της οποίας είχαν προταθεί από τον Τζόζεφ Βέμπερ το 1965. Ο ίδιος πειραματίστηκε με μία διάταξη κυλίνδρων κατασκευασμένων από αλουμίνιο οι οποίοι, όπως ο ίδιος είχε περιγράψει, θα δονούνταν σε συγκεκριμένες συχνότητες εάν προσέκρουαν πάνω σε αυτούς βαρυτικά κύματα. Η διάταξη αυτή δεν λειτούργησε ποτέ, ωστόσο αποτέλεσε τη βάση για τις μελλοντικές πειραματικές διατάξεις. Εξαρχής, κύριο μέλημα των ερευνητών ήταν να μειώσουν τον «θόρυβο» από άλλες πηγές δονήσεων, έτσι ώστε το όργανο να μπορεί να ανιχνεύσει μόνο τα βαρυτικά κύματα. Η τελική διάταξη, με την οποία οι ερευνητές κατάφεραν να «παγιδεύσουν» τα βαρυτικά κύματα, αποτελείται από ένα λέιζερ, δύο κάτοπτρα και έναν ανιχνευτή. Το λέιζερ εκπέμπει ακτινοβολία προς μία κατεύθυνση. Ενας διαμοιραστής ανακατευθύνει την ακτίνα του λέιζερ σε δύο διαφορετικές κατευθύνσεις, έτσι ώστε να σχηματίζεται μεταξύ τους γωνία ενενήντα μοιρών. Αφού διανύσουν τέσσερα χιλιόμετρα η καθεμία, οι ακτίνες αυτές αντανακλώνται στα κάτοπτρα και επιστρέφουν στην πηγή τους, όπου βρίσκεται ο ανιχνευτής. (Αξίζει εδώ να σημειωθεί ότι ενώ το μήκος της διαδρομής των ακτίνων λέιζερ είναι 4 χιλιόμετρα, χάρη σε ένα τέχνασμα η κάθε ακτίνα λέιζερ κατά την επιστροφή πηγαινοέρχεται ανάμεσα σε δύο σημεία 280 φορές με αποτέλεσμα να διανύει μια διαδρομή σχεδόν 1.100 χιλιομέτρων.)

Ελλείψει βαρυτικού κύματος, οι ακτίνες του λέιζερ υπόκεινται στο φαινόμενο της καταστρεπτικής συμβολής, δηλαδή η μία «εξουδετερώνει» την άλλη, οπότε ο ανιχνευτής δεν καταγράφει κάποια δραστηριότητα. Οταν όμως ένα βαρυτικό κύμα πλησιάζει την πειραματική δομή, αυτό συμπιέζει τον χώρο για ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου προκαλώντας ανεπαίσθητη μεταβολή στο μήκος των δύο βραχιόνων. Αυτή η ανεπαίσθητη για τον άνθρωπο αλλαγή γίνεται αντιληπτή από τον ανιχνευτή αφού η συμβολή των ακτίνων του λέιζερ σταματά να είναι καταστρεπτική λόγω της αλλαγής του μήκους των βραχιόνων και ως εκ τούτου καταγράφεται η διαφορά φάσης των δύο ακτίνων.