ΒΑΡΥΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

Η ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗ ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΤΩΝ ΤΕΛΕΥΤΑΙΩΝ 100 ΕΤΩΝ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Το 1905 ο Αϊνστάιν διατυπώνει την «Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας».  

Σύμφωνα με αυτή ο χρόνος δεν είναι μια άκαμπτη διαδοχή γεγονότων προς το μέλλον.

Είναι δυνατόν να συστέλλεται ή διαστέλλεται όταν ένα μη αδρανειακό σύστημα πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός.

Το 1915 ο Αϊνστάιν διατυπώνει τη «Γενική Θεωρία της Σχετικότητας».

Σύμφωνα με αυτή ο χώρος δεν είναι ομογενής και η δύναμη της βαρύτητας δεν επιδρά μεταξύ των σωμάτων ακαριαία και από άπειρη απόσταση.

Ο χώρος περιγράφεται γεωμετρικά, είναι στρεβλωμένος με τις μεγαλύτερες στρεβλώσεις να δημιουργούνται κοντά σε μεγάλες μάζες. Η δύναμη βαρύτητας είναι κβαντικό κύμα ή σωματίδιο (graviton) που διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός.

Ένα χρόνο αργότερα ο ίδιος προβλέπει ότι η επιτάχυνση μάζας οδηγεί σε εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Επομένως κάθε κοσμικό σύστημα που εκτελεί μεταβαλλόμενη κίνηση εκπέμπει βαρυτική ακτινοβολία με την προϋπόθεση ότι το σύστημα δεν διαθέτει τέλεια συμμετρία.

Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ

Η διάδοση των βαρυτικών κυμάτων μπορεί να προσομοιωθεί με την κίνηση των κυμάτων στην επιφάνεια μιας λίμνης. Όταν συναντήσουν ένα αντικείμενο που επιπλέει το εκτοπίζουν ρυθμικά πάνω – κάτω.

Στην περίπτωση των βαρυτικών κυμάτων, τo αντικείμενο δεν θα μετακινείται αλλά οι διαστάσεις μήκους – πλάτους θα ταλαντώνονται συμμετρικά και ρυθμικά. Μεταξύ δύο σωμάτων θα μεταβάλλεται η απόσταση στο χώρο σε επίπεδο κάθετο στη διεύθυνση κίνησής τους.

Όπως και στη περίπτωση των κυμάτων στην επιφάνεια λίμνης έτσι και τα βαρυτικά στον ιστό του χωρόχρονου εξασθενούν όσο απομακρύνονται από την πηγή.

Παρόλο που η βαρυτική ακτινοβολία κατακλύζει το σύμπαν, η ανίχνευσή της είναι εξαιρετικά δύσκολη υπόθεση αφού οι παραμορφώσεις του χωρόχρονου είναι αφάνταστα μικρές.

Τα ισχυρά βαρυτικά κύματα αστροφυσικής προέλευσης (σύγκρουση μαύρων τρυπών), προκαλούν σχετικές μεταβολές της τάξης του 10^-21.

Πολύ μεγάλες εντάσεις και πολύ μικρές συχνότητες (~10^-8Hz) δημιουργούν:

συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών με μάζες δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερες της ηλιακής.

Μέσες εντάσεις και συχνότητες (~0.01Hz) δημιουργούν:

1. συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών με μάζες εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες της ηλιακής

2. κατάλοιπα του Big Bang

3. συγχωνεύσεις λευκών νάνων

4. συγχωνεύσεις διπλών άστρων

Μικρές εντάσεις και υψηλές συχνότητες (~100Hz) δημιουργούν:

1. Σουπερνόβα

2. Pulsars

 3. συγχωνεύσεις διπλών συστημάτων (άστρα νετρονίων και μαύρες τρύπες

ΤΟ ΠΑΡΕΛΘΟΝ

Βαρυτική ακτινοβολία παρατηρήθηκε έμμεσα τη δεκαετία 1970 από τους Russell Hulse και Joseph Taylor που εντόπισαν και μελέτησαν το σύστημα διπλού pulsar PSR 1913+16.

Τιμήθηκαν με το βραβείο Nobel Φυσικής το 1993.

[PSR 1913+16: αποτελείται από ένα εξαιρετικά μαγνητισμένο περιστρεφόμενο άστρο νετρονίων που εκπέμπει ραδιοκύματα και ένα συνοδό άστρο νετρονίων. Η μεταξύ τους απόσταση είναι λίγες φορές μεγαλύτερη από την απόσταση Γης – Σελήνης. Τα pulsar διαθέτουν εξαιρετικά σταθερές περιόδους περιστροφής και τα εκπεμπόμενα ραδιοκύματα είναι επίσης σταθερά]

Μετά από παρατήρηση μερικών ετών οι Hulse και Taylor διαπίστωσαν ότι η συχνότητα ραδιοκυμάτων και οι περίοδοι περιστροφής μειώνονταν (75*10^-6 sec/year). Συνέπεια ήταν η απώλεια βαρυτικής ενέργειας και η εκπομπή βαρυτικής ακτινοβολίας.

ΠΩΣ ΕΝΑΣ ΔΗΜΟΣΙΟΣ ΦΟΡΕΑΣ ΠΟΝΤΑΡΕΙ ΣΤΟ ΡΙΣΚΟ

Το 1979 το National Science Foundation (NSF) των ΗΠΑ αποφασίζει να χρηματοδοτήσει το California Institute of Technology (Caltech) και το Massachusetts Institute of Technology (MIT) ώστε να σχεδιάσουν το πείραμα LIGO (Laser Interferometer Gravitational – Wave Observatory). Το 1992 το NSF δίνει 250 εκατ. δολάρια. Δύο χρόνια αργότερα επιλέγονται οι περιοχές στο Livingston της Louisiana και στο Hanford της Washington σε απόσταση περίπου 3.000Km για την εγκατάσταση δύο ανιχνευτών LIGO, η κατασκευή των οποίων αρχίζει το 1994.

Η πρώτη φάση του πειράματος LIGO εγκαινιάζεται το 2002 και τελειώνει το 2010 χωρίς αποτελέσματα. Το 2009 με την ολοκλήρωση της 5^ης φάσης του κύκλου λειτουργίας αποφασίζεται η αναβάθμιση στο επίπεδο Advance LIGO ώστε να γίνει μέχρι και 10 φορές πιο ευαίσθητο στις παρατηρήσεις, με την ολοκλήρωση των εργασιών να φτάνει το 2021 και τη χρηματοδότηση τα 205 εκατ. δολάρια.  

Στη μέγιστη σχεδιαστική του ευαισθησία θα μπορεί να επισημαίνει παραμορφώσεις της Γης της τάξης 10^-14 m, δηλαδή περίπου το μέγεθος ενός πυρήνα ατόμου.

Τη 10^η Σεπτεμβρίου 2015 λήγουν οι εργασίες αναβάθμισης του LIGO με την ευαισθησία του να είναι τέσσερις φορές υψηλότερη από το αρχικό LIGO. 4 ημέρες αργότερα τη 14^η Σεπτεμβρίου 2015 γίνεται η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων.

ΟΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ LIGO

Αποτελούνται από δύο ανιχνευτές - συμβολόμετρα, καθένα από τα οποία περιλαμβάνει δύο βραχίονες μήκους 4Km, κάθετους μεταξύ τους, ώστε να σχηματίζουν το γράμμα Γ 

Στα δύο άκρα κάθε βραχίονα είναι αναρτημένο σαν εκκρεμές ένα κάτοπτρο από καθαρό πυρίτιο, μάζας 40Kg που παίζει το ρόλο δοκιμαστικής μάζας. Στο εσωτερικό των βραχιόνων επικρατούν συνθήκες υψηλού κενού.

Κατά τη λειτουργία μια δέσμη laser 200W και λ=1.064nm κατευθύνεται σε διαχωριστή δέσμης στη διασταύρωση των βραχιόνων, εκεί διαχωρίζεται με τη μισή δέσμη να κατευθύνεται στον ένα βραχίονα και την άλλη μισή στον άλλον. Στο ταξίδι τους στους βραχίονες οι δέσμες παλινδρομούν 400 φορές μεταξύ των κατόπτρων και επιστρέφουν στο διαχωριστή όπου συμβάλλουν. Έτσι αυξάνεται το ενεργό μήκος κάθε βραχίονα αφού η απόσταση που διανύει κάθε δέσμη είναι 400*4=1.600m και αυξάνεται η ευαισθησία του ανιχνευτή.

Μετά τη συμβολή των δεσμών ένα τμήμα τους κατευθύνεται από το διαχωριστή σε ανιχνευτή φωτός όπου αποτυπώνεται το αποτέλεσμα της συμβολής.

Εφόσον οι αποστάσεις που διανύουν οι δέσμες είναι ίσες, το φως συμβάλει με αντίθεση φάσης (180 μοίρες) και λόγω του ίδιου πλάτους κύματος (ίδια ένταση), δεν καταγράφεται φως.

Αν όμως ο χωρόχρονος διαταραχθεί η διαφορά μηκών των βραχιόνων διαταράσσεται, οι δέσμες διανύουν διαφορετικές αποστάσεις και κατά τη συμβολή τους δεν έχουν διαφορά φάσης 180 μοίρες. Τότε καταγράφεται φως στον ανιχνευτή από την ένταση του οποίου υπολογίζεται η διαφορά φάσης και η απειροελάχιστη μεταβολή μήκους κάθε βραχίονα εξαιτίας κάποιου βαρυτικού κύματος.  

Η απόσταση των δύο LIGO (3.000Km) είναι περίπου ίση με το 1/100 της ταχύτητας του φωτός. Άρα η χρονοκαθυστέρηση λήψης σημάτων πρέπει να είναι περίπου 10msec. Αν η χρονοκαθυστέρηση είναι σημαντικά διαφορετική τα σήματα πρέπει να απορρίπτονται.

Η ευαισθησία των LIGO τα καθιστά επίσης ευαίσθητα σε ποικίλους θορύβους από μικροδονήσεις και μικροσεισμούς μέχρι το θόρυβο ενός διερχόμενου φορτηγού. Αν οι ανιχνευτές ήταν κοντά θα κατέγραφαν τις ίδιες παρεμβολές την ίδια στιγμή οι οποίες θα αναμιγνύονταν με το βαρυτικό σήμα και θα το επισκίαζαν. Με τη μεγάλη απόσταση οι ανιχνευτές καταγράφουν είτε διαφορετικούς θορύβους, είτε τον ίδιο με διαφορετικό τρόπο και έτσι είναι δυνατή η αφαίρεσή του με φίλτρο.

Η ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ

Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 και ώρα Γκρίνουιτς 09.50.45, το LIGO στο Hanford καταγράφει ένα ισχυρό σήμα.

Πρόκειται για ένα βαρυτικό κύμα που παράγεται με τη διαδικασία συγχώνευσης δύο μαύρων τρυπών με μάζες 29 και 36 φορές μεγαλύτερες του Ήλιου μας σε απόσταση 1,3 δις ετών φωτός (410mpc) από τη Γη σε περιοχή του νότιου ημισφαιρίου του γήινου ουρανού.

Η πρώτη φάση της συγχώνευσης ονομάζεται inspiral και είναι ο χρόνος στον οποίο οι δύο τρύπες στροβιλίζονται η μία γύρω από την άλλη και πλησιάζουν διαγράφοντας σπειροειδείς τροχιές. Οι γωνιακές ταχύτητες αυξάνονται όλο και περισσότερο μέχρι τη στιγμή της τελικής σύγκρουσης. Ταυτόχρονα αυξάνονται η συχνότητα και το πλάτος των εκπεμπόμενων βαρυτικών κυμάτων με κορύφωση τη στιγμή της σύγκρουσης. Η κυματομορφή ονομάζεται τιτίβισμα (chirp) επειδή μοιάζει με το τιτίβισμα ενός πτηνού.

Με τη συγχώνευση δημιουργείται μαύρη τρύπα 62 φορές μεγαλύτερη της μάζας του Ήλιου.  

Η διαφορά (36+29-62=3 ηλιακές μάζες) οφείλεται στη μετατροπή ύλης σε ενέργεια που εκπέμπεται σύμφωνα με την εξίσωση του Einstein (E=Δm*c²) με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων και καταγράφονται στα LIGO. Η ενέργεια ισοδυναμεί με έκρηξη 5.000 supernova!

Η αρχική αυτή μαύρη τρύπα είναι εξαιρετικά παραμορφωμένη, ταλαντώνεται σαν μια τεράστια κοσμική καμπάνα εκπέμποντας τη βαρυτική ακτινοβολία αλλά σχεδόν στιγμιαία χάνει την αρχική παραμόρφωσή της, το πλάτος των βαρυτικών κυμάτων φθίνει εκθετικά (ringdown), για να καταστεί τελικά περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα Kerr.

Το σήμα ονομάζεται GW150914 (Gravitational Wave 2015-09-14), εκπέμπεται στα 35Hz και φτάνει μέχρι τα 250Hz (ακουστές συχνότητες), η διάρκειά του είναι 0,25sec και μετριέται με στατιστική βεβαιότητα 5,1σ (sigma).

Ο αριθμός τυπικών αποκλίσεων (standard deviations), ή sigma, είναι ένα μέτρο του πόσο πιθανόν είναι ένα πειραματικό αποτέλεσμα να οφείλεται στην τύχη και όχι σε κάποιο πειραματικό φαινόμενο. Στη σωματιδιακή φυσική, ένα πειραματικό αποτέλεσμα με στατιστική βεβαιότητα 5σ ή μεγαλύτερη, θεωρείται αποδεκτό, εφόσον επιβεβαιωθεί και από άλλα ανεξάρτητα πειράματα. Στη συγκεκριμένη περίπτωση είμαστε βέβαιοι 99,9999% ότι το σήμα των ανιχνευτών LIGO οφείλεται στη διέλευση βαρυτικού κύματος]

7msec αργότερα το σήμα καταγράφεται στο Livingston επιβεβαιώνοντας την ταχύτητα φωτός του σήματος και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Η ανάλυση του σήματος δείχνει ακόμη ότι η εμβέλεια της βαρυτικής αλληλεπίδρασης είναι άπειρη όπως προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και ο νόμος Παγκόσμιας Έλξης του Newton. Επίσης έμμεσα παρατηρείται το διπλό σύστημα μαύρων τρυπών αφού δεν μπορούν να παρατηρηθούν με οπτικά τηλεσκόπια.

ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ

Οι σημερινοί ανιχνευτές καταγράφουν βαρυτική ακτινοβολία υψηλών συχνοτήτων, χονδρικά στο εύρος συχνοτήτων του ανθρώπινου αυτιού (20Hz – 20KHz).

Στα επόμενα χρόνια τίθενται σε λειτουργία νέοι επίγειοι ανιχνευτές όπως ο αναβαθμισμένος VIRGO στην Ιταλία, ο KARGA στην Ιαπωνία και ο Ινδικός LIGO. Το δίκτυο που θα δημιουργηθεί εκτός από την καταγραφή βαρυτικών κυμάτων, θα προσδιορίζει με τριγωνομετρικές μεθόδους την ακριβή θέση των πηγών στον ουρανό.  

Ωστόσο το φάσμα βαρυτικής ακτινοβολίας είναι πολύ ευρύτερο (μέχρι την τάξη των mHz) οι οποίες για να ανιχνευτούν απαιτούν ένα εξαιρετικά ήσυχο περιβάλλον που θα είναι προστατευμένο ακόμα και από τις πιο ανεπαίσθητες βαρυτικές διαταραχές, όπως ενός κουνουπιού.

Ένα τέτοιο περιβάλλον αναζητούν οι επιστήμονες στο διάστημα.

Στις 3 Δεκεμβρίου 2015 ο ESA (European Space Agency) εκτόξευσε το διαστημόπλοιο LISA Pathfinder σε τροχιά γύρω από τη γη με στόχο τον έλεγχο και τη δοκιμή τεχνολογικού εξοπλισμού που θα χρησιμοποιηθεί στο διαστημικό παρατηρητήριο eLISA το οποίο θα εκτοξευθεί το 2034 με στόχο την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων της τάξης των mHz από τη σύγκρουση υπερμαζικών μαύρων τρυπών.   

Το eLISA θα είναι μια διάταξη τριών διαστημοσυσκευών (μητρική και δύο θυγατρικές) σε ισόπλευρο τρίγωνο και τροχιά γύρω από τον ήλιο με ακτίνες laser να μετρούν συνεχώς τις αποστάσεις μεταξύ τους. Καθώς οι διατάξεις θα διασχίζουν το διάστημα θα μεταβάλλεται η μεταξύ τους απόσταση λόγω τυχαίας βαρυτικής ακτινοβολίας, θα καταγράφεται από τα laser και θα καταχωρείται ακόμη και η κοσμική πηγή εκπομπής. Τα σήματα θα έχουν μεγάλη διάρκεια και ταυτόχρονα θα χαρτογραφείται με πρωτόγνωρη ακρίβεια ο χωρόχρονος στο περιβάλλον μιας μαύρης τρύπας.

ΣΥΝΟΨΙΖΟΝΤΑΣ

Η μέχρι σήμερα μελέτη του σύμπαντος βασιζόταν στην καταγραφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που έφτανε από το διάστημα. Τα φωτόνια ήταν και είναι οι αγγελιοφόροι των κοσμικών πληροφοριών.

Ωστόσο πολλά ουράνια σώματα όπως οι μαύρες τρύπες, οι λευκοί νάνοι, τα άστρα νετρονίων, πιθανόν οι κοσμικές χορδές, εκπέμπουν βαρυτικά κύματα και η μόνη λύση για τη μελέτη τους είναι η ανίχνευση αυτής της ακτινοβολίας.

Σε ηλικία μικρότερη των 379.000 ετών το σύμπαν ήταν αδιαφανές για τα φωτόνια και αυτό το βρεφικό σύμπαν θα αποκαλύψει η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων.

Πηγές

Περισκόπιο της Επιστήμης, Τ. 410, Μάιος 2016

Πτήση & Διάστημα, 3/2016