Η πιο πρόσφατη ανίχνευση βαρυτικού κύματος από συγκρουόμενες μελανές οπές (μαύρες τρύπες) έρχεται να συμπληρώσει το κουαρτέτο των συναρπαστικών αυτών ανακαλύψεων.
Στις 14 Αυγούστου 2017, οι δύο ανιχνευτές LIGO στο Livingston, Louisiana και στο Hanford, Washington, ΗΠΑ, σε συνεργασία με τον ανιχνευτή VIRGO που βρίσκεται στο European Gravitational Observatory (EGO) στην Cascina, κοντά στην Pisa, στην Ιταλία, ανίχνευσαν το 4ο βαρυτικό κύμα το οποίο προέρχεται από τη σύγκρουση δύο μελανών οπών (δείτε το βίντεο).
Είναι η πρώτη φορά που βαρυτικά κύματα παρατηρήθηκαν την ίδια χρονική στιγμή από αυτά τα τρία παρατηρητήρια, τους δύο ανιχνευτές LIGO και αυτόν του VIRGO. Το καινοτόμο στις πιο πρόσφατες παρατηρήσεις του Αυγούστου είναι η χρήση τριών διαφορετικών ανιχνευτών με αποτέλεσμα να παρατηρηθεί με εξαιρετική ακρίβεια η θέση στον ουρανό των αντικειμένων που εκπέμπουν τα βαρυτικά κύματα. Αυτό έγινε με την τεχνική του τριγωνισμού (triangulation· χρησιμοποιείται στη χαρτογράφιση και όσοι έχετε δει ταινίες κατασκοπευτικού χαρακτήρα την έχετε σίγουρα συναντήσει, για παράδειγμα όταν ψάχνουν να βρουν την τοποθεσία αυτού που κινηγούν μέσω του σήματος του κινητού του).
Το νεο-ανιχνευθέν βαρυτικό κύμα δημιουργήθηκε από την σύγκρουση μελανών οπών με μάζες 31 και 25 φορές αυτές του Ήλιου, οι οποίες βρίσκονταν 1.8 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά (1 έτος φωτόςέτος φωτός είναι η απόσταση που διανύει το φως σε 1 έτος). Η μαύρη τρύπα που δημιουργήθηκε μετά τη συγχώνευση είναι 53 φορές πιο μαζική από τον Ήλιο μας.
Ένας νέος πληθυσμός μελανών οπών με μάζες μεγαλύτερες από αυτές που έχουν παρατηρηθεί από μελέτες στις ακτίνες-Χ (μωβ χρώμα). Φαίνονται οι 4 επιβεβαιωμένες παρατηρήσεις (GW150914, GW151226, GW170104 και GW170814) και μία πιθανή ανίχνευση (LVT151012), με μάζες μεγαλύτερες από 20 ηλιακές μάζες. Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
Χάρη στη συνεργασία του Ευρωπαϊκού ανιχνευτή VIRGO με τους Αμερικάνικους LIGO, είναι δυνατή η επαλήθευση ενός επιπλέον σκέλους της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Λόγω της διαφορετικής θέσης του VIRGO σε σχέση με τους LIGO, δίνεται η δυνατότητα να μελετηθεί η πόλωση των βαρυτικών κυμάτων η οποία προβλέπεται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Με άλλα λόγια μπορεί να μελετηθεί η παραμόρφωση του τρισδιάστατου χώρου που μας περιβάλλει καθώς το βαρυτικό κύμα περνάει από μέσα του.
“Για άλλη μια φορά επιβεβαιώνεται η θεωρία της σχετικότητας και η ιδιότητα της πόλωσης του χωροχρόνου. Αυτή η παρατήρηση ανοίγει το δρόμο για πολλές ακόμα ανακαλύψεις!”, αναφέρουν επιστήμονες κατά τη διάρκεια της ανακοίνωσης της ανίχνευσης του 4ου βαρυτικού κύματος από συγκρουόμενες μαύρες τρύπες.
Ας κάνουμε όμως μια μικρή ιστορίκή αναδρομή για την ανακάλυψη και ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων.
Φεβρουάριος 2016, 100 χρόνια μετά τη θεωρητική μελέτη του Αινστάιν που πρόβλεψε την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων μέσω της γενικής θεωρία της σχετικότητας, ήρθε αυτό που οι επιστήμονες περίμεναν με αγωνία! Η ανακοίνωση της επιστημονικής ομάδας LIGO για την μοναδική και εκπληκτική ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων τα οποία προέρχονται από τη σύγκρουση 2 μελανών οπών. Για πρώτη φορά λοιπόν, το Σεπτέμβριο του 2015 παρατηρήθηκαν κυματισμοί της καμπυλότητας του χωροχρονικού συνεχούς. Με απλά λόγια, η βαρύτητα δημιουργεί κύματα στο χωροχρόνο (το μαθηματικό μοντέλο που ενώνει τις 3 διαστάσεις του χώρου με τη μία διάσταση του χρόνου σε ένα συνεχές). Μπορείτε να φανταστείτε για παράδειγμα τους κυματισμούς που δημιουργεί ένα πετραδάκι που πέφτει πάνω στην επιφάνεια του νερού. Αυτούς τους κυματισμούς στο διάστημα λοιπόν, ή αλλιώς τα βαρυτικά κύματα, κατάφεραν να παρατηρήσουν οι επιστήμονες χάρη στο μοναδικό ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων LIGO.
Το LIGO προτάθηκε πρώτη φορά ως μέσο για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων τη δεκαετία του 1980 από τους Rainer Weiss του MIT και Kip Thorne και Ronald Drever του Caltech.
Αλλά πως δουλεύει;
Κάθε ανιχνευτής του συμβολόμετρου (interferometer) LIGO αποτελείται από 2 βραχίονες συνολικού μήκους περίπου 4 χιλιομέτρων οι οποίοι έχουν σχήμα L και εκπέμπει μια ακτίνα λέιζερ που μοιράζεται στα δύο. Η κάθε ακτίνα διανύει την απόσταση του κάθε βραχίονα και επιστρέφει εκεί από όπου ξεκίνησε, καθώς στο τέλος της κάθε διαδρομής έχει τοποθετηθεί ένας καθρέπτης. Αυτοί οι βραχίονες έχουν διάμετρο περίπου 122 μέτρων και διατηρούνται σε κατάσταση (σχεδόν) απόλυτου κενού. Σκοπός της χρήσης των ακτίνων λέιζερ είναι η μέτρηση της απόστασης που διανύουν και του μήκους του κάθε βραχίονα. Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, αν ένα βαρυτικό κύμα περάσει από τον ανιχνευτή, η απόσταση που έχουν οι καθρέπτες μεταξύ τους θα αλλάξει κατά ένα απειροελάχιστο ποσό. Ο ανιχνευτής είναι τόσο ευαίσθητος που μπορεί να παρατηρήσει τέτοιες αλλαγές και ως αποτέλεσμα να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα.
Τα βαρυτικά κύματα μεταφέρουν πληροφορία για την προέλευση τους και για τη φύση αυτή καθεαυτή της βαρύτητας, την οποία δε μπορούμε με άλλο τρόπο να γνωρίσουμε. Η σύγκρουση μελανών οπών είναι μία πηγή δημιουργίας βαρυτικών κυμάτων. Άλλες πηγές είναι η σύγκρουση αστέρων νετρονίων, οι υπερκαινοφαινείες αστέρες κ.ά.
Με τη βοήθεια του LIGO λοιπόν, οι επιστήμονες παρατήρησαν για πρώτη φορά το Σεπτέμβριο του 2015 δύο μαύρες τρύπες, με μάζες 29 και 36 φορές αυτή του Ήλιου, να συγκρούονται και να εκπέμπουν βαρυτικά κύματα. Η επιβεβαίωση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας! Μετά τη σύγκρουση δημιουργήθηκε μια μαύρη τρύπα με μάζα 62 φορές αυτή του Ήλιου και το γεγονός έλαβε χώρα 1.3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη!
26 Δεκεμβρίου 2015, η δεύτερη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από συγκρουόμενες μαύρες τρύπες! Αυτό ήρθε και ως επιβεβαίωση ότι όντως, ναι, παρατηρήσαμε βαρυτικά κύματα! Επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα βαρυτικά κύματα δημιουργήθηκαν λίγο πριν τη σύγκρουση δύο μελανών οπών, με μάζες 14 και 8 φορές τη μάζα του Ήλιου, με τελικό στάδιο τη δημιουργία μιας μεγαλύτερης μαύρης τρύπας με συνολική μάζα 21 φορές αυτή του Ήλιου.
“Είναι πολύ σημαντικό ότι αυτές οι μαύρες τρύπες ήταν λιγότερο μαζικές από αυτές στην πρώτη παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων, επειδή η διάρκεια του σήματος που ανιχνεύσαμε ήταν κατά ένα δευτερόλεπτο μεγαλύτερη. Είναι μια πολύ καλή αρχή για τη χαρτογράφιση πληθυσμών μελανών οπών στο Σύμπαν μας”, αναφέρει η Gabriela Gonzalez, μέλος της ομάδας LIGO.
Και φυσικά τρίτωσε! 4 Ιανουαρίου 2017 η τρίτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από συγκρουόμενες μαύρες τρύπες οι οποίες είχαν μάζες 19 και 23 φορές αυτή του Ήλιου. Μετά τη σύγκρουση δημιουργήθηκε μια μαύρη τρύπα με μάζα 49 φορές τη μάζα του Ήλιου, που ήρθε να καλύψει το κενό μεταξύ της πρώτης και δεύτερης ανίχνευσης. Έτσι οι επιστήμονες είναι πιο σίγουροι για την ύπαρξη ενός νέου πληθυσμού μελανών οπών με μάζες που είναι μεγαλύτερες από 20 φορές αυτής του Ήλιου. Αυτό είναι πολύ σημαντικό καθώς δε γνωρίζαμε την ύπαρξη αυτών των αντικειμένων στο διάστημα πριν ανακαλυφθούν από την ομάδα LIGO.
“Είναι εξαιρετικό ότι οι άνθρωποι μπορούν να γράψουν μαζί μια ιστορία, αλλά και να τη δοκιμάσουν, για τόσο ακραία και παράξενα γεγονότα που έλαβαν χώρα δισεκατομμύρια χρόνια πριν και δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από εμάς. Οι επιστημονικές ομάδες LIGO και VIRGO δούλεψαν στο σύνολο τους για να βάλουν όλα αυτά τα κομμάτια μαζί”, αναφέρει σχετικά ο David Shoemaker από το MIT μετά την ανίχνευση του τρίτου βαρυτικού κύματος.
Οι σημαντικές αυτές παρατηρήσεις, εκτός από την ανίχνευση νέων πληθυσμών μελανών οπών, προσφέρουν στοιχεία για τον τόπο δημιουργίας αυτών, μέσα σε πυκνά σμήνη αστέρων (Bangalore Sathyaprakash των Penn State και Cardiff University). Ταυτόχρονα οι επιστήμονες είναι σίγουροι ότι μπορούν να αρχίσουν να προβλέπουν τέτοιου είδους ενεργητικά φαινόμενα, τα οποία παράγουν βαρυτικά κύματα, πριν αυτά συμβούν.
1 Αυγούστου 2017, ο ανιχνευτής VIRGO έρχεται να συμπληρώσει το δυναμικό τρίο με στόχο την πιο αποτελεσματική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, όχι μόνο από σύγκρουση μελανών οπών, αλλά και από άλλα αστρονομικά φαινόμενα όπως τη σύγκρουση αστέρων νετρονίων..
“Η ακριβής γνώση της θέσης από την οποία εκπέμφθηκε ένα βαρυτικό κύμα είναι ένα σημαντικό βήμα μπροστά”, αναφέρει ο van den Brand από την ομάδα VIRGO. Κάποια αστρονομικά γεγονότα, όπως η σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων, μπορούν, μαζί με άλλα ήδη ακτινοβολίας, να παράγουν και βαρυτικά κύματα. Με τη συνεργασία διαφόρων τηλεσκοπίων θα είναι δυνατή η ανίχνευση ενός τέτοιου γεγονότος, την οποία οι επιστήμονες προσδοκούν εναγωνίως. Υπάρχουν φήμες για την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων που προέρχονται από σύγκρουση αστέρων νετρονίων, αλλά δυστυχώς δεν έχουν ακόμα επιβεβαιωθεί.
Το αντίκτυπο αυτών των επιστημονικών πειραμάτων και ανακαλύψεων, εκτός από την πρόοδο της επιστήμης είναι και η εξέλιξη της τεχνολογίας και η συνεργασία επιστημόνων με την βιομηχανία, κάτι που βοηθά στο να βελτιώνεται η ποιότητα της ζωής μας με νέες τεχνολογίες και εφαρμογές, καθώς και η γνώση μας για τον κόσμο που μας περιβάλλει. Για να μη μιλήσω για τις μελλοντικές εφαρμογές του τριγωνισμού (triangulation) στο διάστημα!
Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων “είναι ορόσημο για την κατανόηση του Σύμπαντος”. Και ποιος ξέρει, ίσως σε μερικές μέρες, εβδομάδες, μήνες ακούσουμε την πολυπόθητη ανακοίνωση για ανίχνευση νέου είδους βαρυτικών κυμάτων, αυτών από αστέρες νετρονίων!
Ζούμε σε μια συναρπαστική εποχή επιστημονικών ανακαλύψεων και ναι, πρέπει να είμαστε ενθουσιασμένοι!
