Η επίσημη ημέρα ανακάλυψης (ανίχνευσης) βαρυτικών κυμάτων είναι η 11η Φεβρουαρίου 2016. Ήταν τότε, σε μια συνέντευξη Τύπου στην Ουάσιγκτον, που οι ηγέτες της συνεργασίας LIGO ανακοίνωσαν ότι μια ομάδα ερευνητών είχε καταφέρει να καταγράψει αυτό το φαινόμενο για πρώτη φορά στην ιστορία της ανθρωπότητας.
Προφητείες του μεγάλου Αϊνστάιν
Ακόμη και στις αρχές του περασμένου αιώνα (1916), ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πρότεινε ότι τα βαρυτικά κύματα υπάρχουν στο πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (GR) που διατύπωσε ο ίδιος. Δεν μπορεί παρά να θαυμάσει κανείς τις λαμπρές ικανότητες του διάσημου φυσικού, ο οποίος, με ελάχιστα πραγματικά δεδομένα, κατάφερε να βγάλει τόσο εκτεταμένα συμπεράσματα. Ανάμεσα στα πολλά άλλα προβλεπόμενα φυσικά φαινόμενα που επιβεβαιώθηκαν τον επόμενο αιώνα (επιβράδυνση της ροής του χρόνου, αλλαγή της κατεύθυνσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε βαρυτικά πεδία κ.λπ.), δεν ήταν δυνατό να ανιχνευθεί πρακτικά η παρουσία αυτού του τύπου κύματος αλληλεπίδραση των σωμάτων μέχρι πρόσφατα.
Η βαρύτητα είναι μια ψευδαίσθηση;
Γενικά, στο φωςΗ θεωρία της σχετικότητας δύσκολα μπορεί να ονομάσει τη βαρύτητα δύναμη. Αυτό είναι συνέπεια της διαταραχής ή της καμπυλότητας του χωροχρονικού συνεχούς. Ένα καλό παράδειγμα που επεξηγεί αυτό το αξίωμα είναι ένα τεντωμένο κομμάτι ύφασμα. Κάτω από το βάρος ενός ογκώδους αντικειμένου που τοποθετείται σε μια τέτοια επιφάνεια, σχηματίζεται μια εσοχή. Άλλα αντικείμενα που κινούνται κοντά σε αυτή την ανωμαλία θα αλλάξουν την τροχιά της κίνησής τους, σαν να «έλκονται». Και όσο μεγαλύτερο είναι το βάρος του αντικειμένου (τόσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος και το βάθος της καμπυλότητας), τόσο μεγαλύτερη είναι η «δύναμη έλξης». Όταν κινείται μέσα στο ύφασμα, μπορείτε να παρατηρήσετε την εμφάνιση ενός αποκλίνοντος "κυματισμού".
Κάτι παρόμοιο συμβαίνει στο παγκόσμιο διάστημα. Κάθε ταχέως κινούμενη μαζική ύλη είναι πηγή διακυμάνσεων στην πυκνότητα του χώρου και του χρόνου. Ένα βαρυτικό κύμα με σημαντικό πλάτος, που σχηματίζεται από σώματα με εξαιρετικά μεγάλες μάζες ή όταν κινείται με τεράστιες επιταχύνσεις.
Φυσικά χαρακτηριστικά
Οι διακυμάνσεις της μετρικής του χωροχρόνου εκδηλώνονται ως αλλαγές στο βαρυτικό πεδίο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται αλλιώς κυματισμοί χωροχρόνου. Το βαρυτικό κύμα δρα στα σώματα και τα αντικείμενα που συναντώνται, συμπιέζοντάς τα και τεντώνοντάς τα. Οι τιμές παραμόρφωσης είναι πολύ μικρές - περίπου 10-21 από το αρχικό μέγεθος. Η όλη δυσκολία ανίχνευσης αυτού του φαινομένου ήταν ότι οι ερευνητές έπρεπε να μάθουν πώς να μετρούν και να καταγράφουν τέτοιες αλλαγές με τη βοήθεια κατάλληλου εξοπλισμού. Η δύναμη της βαρυτικής ακτινοβολίας είναι επίσης εξαιρετικά μικρή - για ολόκληρο το ηλιακό σύστημα είναιμερικά κιλοβάτ.
Η ταχύτητα διάδοσης των βαρυτικών κυμάτων εξαρτάται ελαφρώς από τις ιδιότητες του αγώγιμου μέσου. Το πλάτος της ταλάντωσης σταδιακά μειώνεται με την απόσταση από την πηγή, αλλά ποτέ δεν φτάνει στο μηδέν. Η συχνότητα κυμαίνεται από αρκετές δεκάδες έως εκατοντάδες Hertz. Η ταχύτητα των βαρυτικών κυμάτων στο διαστρικό μέσο πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός.
Περιστασιακά στοιχεία
Για πρώτη φορά, η θεωρητική επιβεβαίωση της ύπαρξης κυμάτων βαρύτητας επιτεύχθηκε από τον Αμερικανό αστρονόμο Joseph Taylor και τον βοηθό του Russell Hulse το 1974. Μελετώντας τις εκτάσεις του Σύμπαντος χρησιμοποιώντας το ραδιοτηλεσκόπιο του Αστεροσκοπείου Arecibo (Πουέρτο Ρίκο), οι ερευνητές ανακάλυψαν το πάλσαρ PSR B1913 + 16, το οποίο είναι ένα δυαδικό σύστημα άστρων νετρονίων που περιστρέφονται γύρω από ένα κοινό κέντρο μάζας με σταθερή γωνιακή ταχύτητα (μια μάλλον σπάνια περίπτωση). Κάθε χρόνο, η περίοδος περιστροφής, η οποία αρχικά ήταν 3,75 ώρες, μειώνεται κατά 70 ms. Αυτή η τιμή είναι αρκετά συνεπής με τα συμπεράσματα από τις εξισώσεις GR που προβλέπουν αύξηση της ταχύτητας περιστροφής τέτοιων συστημάτων λόγω της δαπάνης ενέργειας για τη δημιουργία βαρυτικών κυμάτων. Στη συνέχεια, ανακαλύφθηκαν πολλά διπλά πάλσαρ και λευκοί νάνοι με παρόμοια συμπεριφορά. Οι αστρονόμοι ραδιοφώνου D. Taylor και R. Hulse τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1993 για την ανακάλυψη νέων δυνατοτήτων για τη μελέτη των βαρυτικών πεδίων.
Διαφυγή κύματος βαρύτητας
Πρώτη δήλωση σχετικά μεΗ ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας προήλθε από τον επιστήμονα του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ, Joseph Weber (ΗΠΑ) το 1969. Για τους σκοπούς αυτούς, χρησιμοποίησε δύο βαρυτικές κεραίες δικής του σχεδίασης, που χωρίζονται σε απόσταση δύο χιλιομέτρων. Ο ανιχνευτής συντονισμού ήταν ένας καλά δονούμενος μονοκόμματος κύλινδρος αλουμινίου δύο μέτρων εξοπλισμένος με ευαίσθητους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. Το πλάτος των διακυμάνσεων που φέρεται να κατέγραψε ο Weber αποδείχθηκε ότι ήταν περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές υψηλότερο από την αναμενόμενη τιμή. Οι προσπάθειες άλλων επιστημόνων που χρησιμοποιούν τέτοιο εξοπλισμό να επαναλάβουν την «επιτυχία» του Αμερικανού φυσικού δεν έφεραν θετικά αποτελέσματα. Λίγα χρόνια αργότερα, το έργο του Weber σε αυτόν τον τομέα αναγνωρίστηκε ως αβάσιμο, αλλά έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη μιας «βαρυτικής έκρηξης» που προσέλκυσε πολλούς ειδικούς σε αυτόν τον τομέα έρευνας. Παρεμπιπτόντως, ο ίδιος ο Joseph Weber ήταν σίγουρος μέχρι το τέλος των ημερών του ότι δεχόταν βαρυτικά κύματα.
Βελτίωση του εξοπλισμού λήψης
Στη δεκαετία του '70, ο επιστήμονας Bill Fairbank (ΗΠΑ) ανέπτυξε το σχεδιασμό μιας κεραίας βαρυτικών κυμάτων που ψύχεται από υγρό ήλιο χρησιμοποιώντας SQUIDs - υπερευαίσθητα μαγνητόμετρα. Οι τεχνολογίες που υπήρχαν εκείνη την εποχή δεν επέτρεπαν στον εφευρέτη να δει το προϊόν του, υλοποιημένο σε «μέταλλο».
Ο βαρυτικός ανιχνευτής Auriga κατασκευάστηκε με αυτόν τον τρόπο στο Εθνικό Εργαστήριο Legnard (Πάντοβα, Ιταλία). Ο σχεδιασμός βασίζεται σε έναν κύλινδρο αλουμινίου-μαγνήσιου, μήκους 3 μέτρων και διαμέτρου 0,6 μ. Μια συσκευή λήψης βάρους 2,3 τόνωναιωρείται σε απομονωμένο θάλαμο κενού που ψύχεται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Ένας βοηθητικός συντονιστής κιλών και ένα συγκρότημα μέτρησης που βασίζεται σε υπολογιστή χρησιμοποιούνται για τη στερέωση και την ανίχνευση κραδασμών. Δηλωμένη ευαισθησία εξοπλισμού 10-20.
Συμβολόμετρα
Η λειτουργία των ανιχνευτών παρεμβολής βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στις ίδιες αρχές με το συμβολόμετρο Michelson. Η δέσμη λέιζερ που εκπέμπεται από την πηγή χωρίζεται σε δύο ρεύματα. Μετά από πολλαπλές ανακλάσεις και διαδρομές κατά μήκος των ώμων της συσκευής, τα ρεύματα συγκεντρώνονται ξανά και η τελική εικόνα παρεμβολής χρησιμοποιείται για να κριθεί εάν τυχόν διαταραχές (για παράδειγμα, ένα κύμα βαρύτητας) επηρέασαν την πορεία των ακτίνων. Παρόμοιος εξοπλισμός έχει δημιουργηθεί σε πολλές χώρες:
- GEO 600 (Ανόβερο, Γερμανία). Το μήκος των σηράγγων κενού είναι 600 μέτρα.
- TAMA (Ιαπωνία) 300μ ώμοι
- VIRGO (Πίζα, Ιταλία) είναι ένα κοινό γαλλο-ιταλικό έργο που ξεκίνησε το 2007 με σήραγγες 3 χιλιομέτρων.
- LIGO (ΗΠΑ, Ακτή Ειρηνικού), κυνήγι για κύματα βαρύτητας από το 2002.
Το
Το τελευταίο αξίζει να το εξετάσετε με περισσότερες λεπτομέρειες.
LIGO Advanced
Το έργο ξεκίνησε από επιστήμονες από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης και το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια. Περιλαμβάνει δύο παρατηρητήρια που χωρίζονται κατά 3 χιλιάδες χιλιόμετρα, στις πολιτείες Λουιζιάνα και Ουάσιγκτον (οι πόλεις Λίβινγκστον και Χάνφορντ) με τρία πανομοιότυπα συμβολόμετρα. Μήκος κάθετου κενούσήραγγες είναι 4 χιλιάδες μέτρα. Αυτές είναι οι μεγαλύτερες τέτοιες δομές που λειτουργούν αυτή τη στιγμή. Μέχρι το 2011, πολυάριθμες προσπάθειες ανίχνευσης κυμάτων βαρύτητας δεν έφεραν κανένα αποτέλεσμα. Ο σημαντικός εκσυγχρονισμός που πραγματοποιήθηκε (Advanced LIGO) αύξησε την ευαισθησία του εξοπλισμού στο εύρος των 300-500 Hz κατά περισσότερο από πέντε φορές και στην περιοχή χαμηλής συχνότητας (έως 60 Hz) κατά σχεδόν μια τάξη μεγέθους, φτάνοντας μια τόσο πολυπόθητη τιμή 10-21. Το ενημερωμένο έργο ξεκίνησε τον Σεπτέμβριο του 2015 και οι προσπάθειες περισσότερων από χιλίων συνεργατών ανταμείφθηκαν με αποτελέσματα.
Εντοπίστηκαν κύματα βαρύτητας
Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, προηγμένοι ανιχνευτές LIGO με διάστημα 7 ms κατέγραψαν βαρυτικά κύματα που έφτασαν στον πλανήτη μας από το μεγαλύτερο φαινόμενο που συνέβη στα περίχωρα του παρατηρήσιμου Σύμπαντος - τη συγχώνευση δύο μεγάλων μαύρων τρυπών με μάζες 29 και 36 φορές τη μάζα του Ήλιου. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, η οποία έλαβε χώρα πριν από περισσότερα από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια, περίπου τρεις ηλιακές μάζες ύλης δαπανήθηκαν για την ακτινοβολία των κυμάτων βαρύτητας σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Η αρχική συχνότητα των βαρυτικών κυμάτων καταγράφηκε ως 35 Hz και η μέγιστη τιμή κορυφής έφτασε τα 250 Hz.
Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν υποβλήθηκαν επανειλημμένα σε ολοκληρωμένη επαλήθευση και επεξεργασία, ενώ οι εναλλακτικές ερμηνείες των δεδομένων που ελήφθησαν διακόπηκαν προσεκτικά. Τελικά, στις 11 Φεβρουαρίου πέρυσι, ανακοινώθηκε στην παγκόσμια κοινότητα η απευθείας καταγραφή του φαινομένου που είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν.
Γεγονός που απεικονίζει το τιτάνιο έργο των ερευνητών: το πλάτος των διακυμάνσεων στις διαστάσεις των βραχιόνων του συμβολόμετρου ήταν 10-19m - αυτή η τιμή είναι πολύ μικρότερη από τη διάμετρο του ένα άτομο καθώς είναι μικρότερο από ένα πορτοκάλι.
Περαιτέρω προοπτικές
Η ανακάλυψη επιβεβαιώνει για άλλη μια φορά ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας δεν είναι απλώς ένα σύνολο αφηρημένων τύπων, αλλά μια θεμελιωδώς νέα ματιά στην ουσία των βαρυτικών κυμάτων και της βαρύτητας γενικότερα.
Σε περαιτέρω έρευνα, οι επιστήμονες έχουν μεγάλες ελπίδες για το έργο ELSA: τη δημιουργία ενός γιγαντιαίου τροχιακού συμβολόμετρου με βραχίονες περίπου 5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων, ικανού να ανιχνεύει ακόμη και μικρές διαταραχές βαρυτικών πεδίων. Η εντατικοποίηση της δουλειάς προς αυτή την κατεύθυνση μπορεί να πει πολλά για τα κύρια στάδια στην ανάπτυξη του Σύμπαντος, για διαδικασίες που είναι δύσκολο ή αδύνατο να παρατηρηθούν στα παραδοσιακά συγκροτήματα. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι οι μαύρες τρύπες, των οποίων τα βαρυτικά κύματα θα διορθωθούν στο μέλλον, θα πουν πολλά για τη φύση τους.
Για τη μελέτη της βαρυτικής ακτινοβολίας λειψάνων, η οποία μπορεί να πει για τις πρώτες στιγμές του κόσμου μας μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, θα απαιτηθούν πιο ευαίσθητα διαστημικά όργανα. Ένα τέτοιο έργο υπάρχει (Big Bang Observer), αλλά η εφαρμογή του, σύμφωνα με τους ειδικούς, είναι δυνατή όχι νωρίτερα από 30-40 χρόνια.
