Τι είναι τα βαρυτικά κύματα και πόσο σημαντική ήταν η ανίχνευσή τους; (video)

Επιμέλεια Βικτωρία Πολύζου, μαθηματικός, medlabnews.gr

Η ανίχνευση του σήματος των βαρυτικών κυμάτων έγινε στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 σχεδόν ταυτόχρονα και από τους δύο μεγάλους ανιχνευτές του πειράματος LIGΟ στις ΗΠΑ, οι οποίοι απέχουν 3.000 χιλιόμετρα μεταξύ τους.

Όπως είπαν οι επιστήμονες στη σημερινή συνέντευξη Τύπου στην Ουάσιγκτον, ακολούθησαν μέχρι σήμερα μήνες ενδελεχών μελετών και ελέγχων. «Ελέγξαμε πολύ προσεκτικά ξανά και ξανά. Πρόκειται για ένα δώρο της φύσης και είναι αληθινό!», δήλωσε περιχαρής η εκπρόσωπος του LIGO Γκαμπριέλα Γκονζάλες, καθηγήτρια του Πανεπιστημίου της Λουιζιάνα.

Ο διάσημος θεωρητικός φυσικός Κιπ Θορν του Ιντιστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech), εκ των ιδρυτών του πειράματος, δήλωσε ότι στο μέλλον το LIGO θα «πιάσει» περισσότερα βαρυτικά σήματα, καθώς η ευαισθησία των ανιχνευτών του θα αυξηθεί περαιτέρω.

Ο διευθυντής του LIGO David Reitze παραδέχθηκε ότι, όταν έγινε η ανίχνευση του πρώτου σήματος, σκέφθηκε: «Ουάου! Είναι πολύ καλό για να είναι αληθινό». Αλλά, στη συνέχεια, πείσθηκε ότι επρόκειτο για ιστορική ανακάλυψη.

Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν από ποιό ακριβώς σημείο του σύμπαντος προέρχεται το σήμα που εντόπισαν (θα χρειαζόταν εντοπισμός από τρείς ανιχνευτές για κάτι τέτοιο), αλλά πιστεύουν ότι βρίσκεται κάπου στον ουρανό του νοτίου ημισφαιρίου. Τα βαρυτικά κύματα εξαπλώνονται στο σύμπαν ως ομόκεντροι κύκλοι από μια κατακλυσμική πηγή-αφετηρία (ένα ακραίο συμβάν όπως εκρήξεις ή συγκρούσεις άστρων ή μαύρων τρυπών), «συμπιέζοντας» και «τεντώνοντας» τον ιστό του χωροχρόνου. Η ανίχνευση τους αναμένεται να χαρίσει ένα Νόμπελ Φυσικής στους επιστήμονες που έκαναν την ανακοίνωση, καθώς πρόκειται για μια από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις της εποχής μας.

«Το εντυπωσιακό θα είναι αυτό που θα ακολουθήσει» τόνισε γεμάτος ενθουσιαμό ο David Reitze ο οποίος συνέδεσε την σημερινή ανακάλυψη με αυτήν του τηλεσκοπίου και την χρησιμοποίηση του από τον Γαλιλαίο. Μαζί με αυτό, το πείραμα LIGO απέδειξε την ύπαρξη δυαδικών συστημάτων από μαύρες τρύπες.

Οι μαύρες τρύπες που συγκρούστηκαν, βρίσκονταν 1.3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Αυτό σημαίνει, ότι μετά από ένα ταξίδι που διήρκεσε παραπάνω από ένα δισεκατομμύριο χρόνια, τα κύματα επιτέλους έφτασαν στον πλανήτη μας, στις 12 Σεπτεμβρίου του 2015, «κουνώντας» στους ανιχνευτές του πειράματος LIGO κατά ένα χιλιοστό του πλάτους ενός πρωτονίου! Ο ανιχνευτής κατάφερε να το εντοπίσει.

Πριν από ακριβώς 100 χρόνια, ο Αϊνστάιν, μέσω της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας είχε προβλέψει την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων. Κυμάτων δηλαδή, που μεταφέρουν ενέργεια υπό την μορφή βαρυτικής ακτινοβολίας.

Στην θεωρία που είχε συνταράξει ολόκληρη την επιστημονική κοινότητα, βασικό στοιχείο ήταν οι διαταράξεις της καμπυλότητας του χωροχρονικού συνεχούς που εκφράζονται μέσω βαρυτικών κυμάτων. Παρότι θεωρητικά γνωρίζουμε την ύπαρξη τους, τα βαρυτικά κύματα μέχρι σήμερα δεν είχαν ανιχνευτεί.

Οι όποιες αποδείξεις της ύπαρξης τους στηρίζονταν σε έμμεσα αποτελέσματα, όπως για παράδειγμα από εκφυλισμό της τροχιάς κάποιου διαστρικού συστήματος. Στην επιστήμη όμως, η άμεση και απόλυτη απόδειξη είναι το παν. Αυτό έμελε να συμβεί σήμερα, έναν αιώνα μετά την δημοσίευση του Αϊνστάιν, με την ανακοίνωση που κάνουν την ώρα αυτή οι ερευνητές του πειράματος LIGO.

Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος, δημοσίευσε ένα βίντεο με το οποίο προσπαθεί να εξηγήσει τι ακριβώς σημαίνει η σημερινή ανακοίνωση, με ένα σχετικά απλό παράδειγμα.

Πάνω σε έναν δίσκο έχει πιαστεί με μανταλάκια ένα ελαστικό πανί. Αυτή, θα μπορούσε να είναι μια πολύ απλή αναπαράσταση του σύμπαντος. Στην καθημερινότητα μας, το σύμπαν είναι επίπεδο. Ζούμε και κινούμαστε χωρίς ο χώρος γύρω μας να μεταβάλλεται.

Ο Αϊνστάιν όμως, με την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας ήρθε να αποδείξει πως αυτή δεν είναι η πραγματική φύση του σύμπαντος. Η θεωρία του εξηγεί πως το σύμπαν θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ένα ύφασμα. Ο,τι υπάρχει λοιπόν μέσα στο σύμπαν, αλλάζει την μορφή και το σχήμα του σύμπαντος, όπως ακριβώς συμβαίνει και στο βίντεο.

Ενα «βαρύ» αντικείμενο τοποθετείτε στο κέντρο του υφάσματος, κάνοντας το σχήμα του διαφορετικό από πριν. Το σύμπαν έχει την τάση να διαστρέφεται γύρω από τις μαύρες τρύπες, όπως και το ύφασμα γύρω από τον κύβο.

Ενας πλανήτης τώρα, που στο βίντεο αναπαρίσταται από έναν βόλο, αποκτά τροχιά γύρω από την μαύρη τρύπα, αναπτύσσοντας ολοένα και μεγαλύτερη ταχύτητα, προσεγγίζοντας την και εν τέλει «πέφτοντας» μέσα της. Οταν συμβαίνει αυτό, η μαύρη τρύπα ξεκινάει μια ταλάντωση. Σαν να βγαίνει από την ηρεμία της.

Από αυτήν την διαδικασία, παράγονται βαρυτικά κύματα τα οποία ταξιδεύουν προς πάσα κατεύθυνση στο σύμπαν. Αυτά τα κύματα ανίχνευσαν οι ερευνητές του LIGO. Η μελέτη τους αναμένεται να προκαλέσει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε και ερευνούμε το σύμπαν.

Το LIGO προτάθηκε θεωρητικά, ως μέσο ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων, στη δεκαετία του ΄80 από τους καθηγητές φυσικής Ράινερ Γουάις (ΜΙΤ), Κιπ Θορν (Caltech) και Ρόναλντ Ντρέβερ (Caltech), οι οποίοι δεν αποκλείεται να πάρουν το επόμενο Νόμπελ Φυσικής, καθώς η ανακάλυψη θεωρείται ανάλογης σημασίας – αν όχι μεγαλύτερης- με την ανακάλυψη του σωματιδίου Χιγκς στο CERN, που είχε επίσης οδηγήσει στο σχετικό Νόμπελ.

Η ελληνίδα αστροφυσικός Βίκυ Καλογερά, καθηγήτρια του Πανεπιστημίου Northwestern του Σικάγο, συμμετέχει ως βασικός συγγραφέας στη δεύτερη επιστημονική δημοσίευση που θα ακολουθήσει σύντομα στο περιοδικό αστροφυσικής”The Astrophysical Journal Letters”, μετά την πρώτη δημοσίευση στο «Physical Review Letters», που ήδη έγινε.

Η Καλογερά ήταν η πρώτη αστροφυσικός που έγινε μέλος της ερευνητικής κοινοπραξίας LIGO το 2000. Έκτοτε έχει συμβάλει σημαντικά στην αναζήτηση και ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων από το LIGO, μέσα από θεωρητικές προβλέψεις και ανάλυση των στοιχείων.