Τα βαρυτικά κύματα

Του Δρ Μάνου Δανέζη

Ο Αϊνστάιν είχε δίκιο-Οι επιστήμονες μόλις ανακοίνωσαν την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων μέσω σχετικής επιστημονικής δημοσίευσης: «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger«, B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016.

Η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, αποτελεί τη μεγαλύτερη επιστημονική ανακάλυψη του αιώνα και έρχεται να επαληθεύσει τη θεωρία της Σχετικότητας.

Οι πηγές των κυμάτων βαρύτητας

Σήμερα γνωρίζουμε ότι είναι δυνατόν, μέσω μιας σειράς φυσικών διαδικασιών, να μεταβληθεί η ένταση του βαρυτικού πεδίου που περιβάλλει ένα υλικό σώμα.

Ως παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε την περίπτωση σύγκρουσης δύο πολύ μεγάλης μάζας αστεριών. Tο αποτέλεσμα θα είναι ο σχηματισμός μιας νέας ενιαίας -συμπαγούς- μάζας, η οποία θα δημιουργήσει γύρω της ένα νέο βαρυτικό πεδίο διαφορετικής έντασης από τα πεδία των δύο μεμονωμένων αστεριών.

Πρακτικά βεβαίως, μόνο μεγάλης κλίμακας εκρηκτικά γεγονότα μπορούν να δώσουν ανιχνεύσιμα βαρυτικά κύματα. Ως τέτοια γεγονότα μπορούν να αναφερθούν οι προσεγγίσεις δύο αστέρων νετρονίων με τελικό αποτέλεσμα τη συγχώνευσή τους, καθώς και σε μελανές οπές οι οποίες συγκρουόμενες συγχωνεύονται. Επίσης, βαρυτικά κύματα μπορούν να παραχθούν μετά από μια βίαιη έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς, η οποία τελικά οδηγεί στη γέννηση ενός αστέρα νετρονίων .

Ο ορισμός

H μεταβολή όμως του βαρυτικού πεδίου δεν μεταδίδεται ακαριαία στον περιβάλλοντα χώρο, αλλά με την ταχύτητα του φωτός.

Ως αποτέλεσμα αυτού του γεγονότος, η βαρυτική μεταβολή φαίνεται να διαδίδεται στο χώρο, υπό τη μορφή ενός κύματος το οποίο κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Tο κύμα αυτό το ονομάζουμε κύμα βαρύτητας.

H θεωρητική επεξεργασία έχει αποδείξει ότι τα κύματα βαρύτητας μεταφέρουν ενέργεια, η οποία αφαιρείται από το σώμα ή από τα σώματα που δημιουργούν το κύμα. Αυτό επιφέρει μεταβολές στη φυσική κατάσταση της πηγής που εκπέμπει το κύμα, οι οποίες ονομάζονται αντιδράσεις της ακτινοβολίας.

Οι ιδιότητες

Σύμφωνα με θεωρητικά αποτελέσματα, τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται αναλλοίωτα, μεταφέρονται δηλαδή χωρίς να μεταβάλλουν τις πληροφορίες που αφορούν τη χρονική εξέλιξη των φαινομένων, των πηγών που τα προκάλεσαν. Λόγω αυτής της ιδιότητας, η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, τα οποία προέρχονται από υπερκαινοφανείς, γαλαξιακούς πυρήνες, κβάζαρς και διπλά κοσμικά συστήματα, θα μας επιτρέψει να αντλήσουμε πολλές ενδιαφέρουσες πληροφορίες γι’ αυτά, που δεν θα μπορούσαμε να πάρουμε με καμία άλλη μέθοδο.

Ένα τέτοιο φαινόμενο παρατηρείται σε διπλά συστήματα pulsars, όπου η εκπομπή κυμάτων βαρύτητας μεταβάλλει την ενέργεια και τη στροφορμή τους, κάτι το οποίο τελικά επιβραδύνει την περιστροφή τους. Η υπόθεση αυτή, η οποία επιβεβαιώνει την ύπαρξη κυμάτων βαρύτητας, διατυπώθηκε από τους ραδιοαστρονόμους του Πανεπιστημίου της Μασσαχουσέτης JosephTaylor (1941-…) και τον πρώην μεταπτυχιακό φοιτητή του RusselHulse (1950-…), μετά από μελέτη του διπλού συστήματος pulsarsPSR 1913+16. Η περίοδος περιστροφής του εν λόγω συστήματος μειώνεται -τα τελευταία τριάντα χρόνια-, όπως ακριβώς προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας στην περίπτωση που έχουμε εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Για την εργασία τους, οι δύο ερευνητές τιμήθηκαν με το βραβείο Nobel Φυσικής το 1993.

Η ανίχνευση

H ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας, τα οποία προβλέπονται από τη Θεωρία της Σχετικότητας, θα αποτελέσει και την παρατηρησιακή επαλήθευσή της. Όπως αντιλαμβανόμαστε οι νέες αυτές απόψεις θεωρούν πως το βαρυτικό πεδίο είναι κι αυτό μια πηγή ενέργειας. Όλα τα προηγούμενα είναι δυνατόν να ανατρέψουν κάποιες θέσεις μας και να μας οδηγήσουν σε διαφορετικές σκέψεις σε ό,τι αφορά τις τελικές περιόδους ζωής των μεγάλης μάζας αστέρων και τη δημιουργία των μελανών οπών.

Σήμερα, έχουμε καταλήξει στο συμπέρασμα ότι τα βαρυτικά κύματα πρέπει να εκπέμπονται είτε από μελανές οπές είτε, γενικότερα, από συμπαγείς αστέρες, που περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλον. Με τον τρόπο αυτό, δημιουργούνται παραμορφώσεις στο χωρόχρονο, οι οποίες εμφανίζονται ως ταλαντώσεις στα αντικείμενα του γύρω χώρου.

Με βάση όλα τα προηγούμενα και εκμεταλλευόμενοι την αλληλεπίδραση -έστω και ασθενή- των βαρυτικών κυμάτων με την ύλη, κατασκευάζουμε τα όργανα ανίχνευσής τους, όπως τους σχεδόν σφαιρικούς βαρυτικούς ανιχνευτές συντονισμού και τα συμβολόμετρα λέιζερ. Σημειώνουμε ότι οι πηγές βαρυτικών κυμάτων έχουν ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, από 0,0001 έως 10.000 Hz. Από τους διάφορους γήινους ανιχνευτές προσβάσιμη είναι μόνο η περιοχή υψηλών συχνοτήτων, δηλαδή από το 1 Hz και άνω, περιοχή στην οποία ανιχνεύει ο LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). Αντιθέτως, οι περιοχές χαμηλών συχνοτήτων είναι προσβάσιμες μόνον από ανιχνευτές στο διάστημα (π.χ. LISA).

H ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας, τα οποία, όπως αναφέραμε, προβλέπονται από τη Θεωρία της Σχετικότητας, θα αποτελέσει ίσως το σημαντικότερο μελλοντικό γεγονός για τη Φυσική και την Αστροφυσική. Τότε πολλές από τις απόψεις μας ίσως αναθεωρηθούν και ανατραπούν, ή αντίστοιχα ενισχυθούν κάποιες άλλες θεωρίες μας. Τελικά όμως, μια τέτοια επαλήθευση θα μας επιτρέψει να «δούμε» κάποιες περιοχές του Σύμπαντος τις οποίες μόνο μέσω των βαρυτικών κυμάτων μπορούμε να «προσεγγίσουμε».

Διαφορές μεταξύ ηλεκτρομαγνητικών και βαρυτικών κυμάτων

Μεταξύ των βαρυτικών και των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μπορούμε να σημειώσουμε τις επόμενες δύο βασικές διαφοροποιήσεις:

1. Bαρυτικά κύματα μεγάλης έντασης εκπέμπονται από σύμφωνες πηγές οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να δημιουργούν πολύ μεγάλες ταλαντώσεις της χωροχρονικής καμπύλωσης. Τέτοια γεγονότα μπορούν να προκληθούν κατά τη σύγκρουση ή συγχώνευση δύο μελανών οπών, καθώς και από κινήσεις τεραστίων μαζών ύλης. Λόγω όλων των προηγουμένων, τα βαρυτικά κύματα πρέπει να μας δίνουν πληροφορίες για τις μετακινήσεις πολύ μεγάλων χωροχρονικών καμπυλώσεων και τεράστιων μαζών. Αντίθετα προς τα βαρυτικά κύματα, τα ηλεκτρομαγνητικά κοσμικά κύματα, συνήθως, εκπέμπονται από έναν πολύ μεγάλο αριθμό ατόμων ή ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μας δίνουν πληροφορίες κυρίως για την πυκνότητα, τη θερμοκρασία και τα μαγνητικά πεδία τα οποία αναπτύσσονται στο πλαίσιο του υλικού που τα εκπέμπει.

2. Τα μεγάλης έντασης βαρυτικά κύματα εκπέμπονται από περιοχές στις οποίες η βαρύτητα είναι τόσο μεγάλη, ώστε δεν μπορούμε να την περιγράψουμε μέσω της Νευτώνειας Φυσικής, αλλά μέσω της Θεωρίας της Σχετικότητας. Χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτών των περιοχών είναι η ύπαρξη τεραστίων ποσοτήτων ύλης, άρα και οι πολύ μεγάλες τιμές της χωροχρονικής καμπυλότητας, οι οποίες κινούνται, πάλλονται ή στροβιλίζονται με ταχύτητα σχεδόν ίση με εκείνη του φωτός.

Τέτοια περιοχή μπορούμε να θεωρήσουμε το χώρο της Μεγάλης Έκρηξης ή τους χώρους μέσα στους οποίους συντελούνται συγκρούσεις μελανών οπών, αναπάλσεις νεογέννητων αστέρων νετρονίων ή τα κέντρα υπολειμμάτων υπερκαινοφανών.

Το ενδιαφέρον όμως είναι ότι, επειδή αυτές οι περιοχές ισχυρής βαρύτητας περιβάλλονται συνήθως από πυκνά στρώματα ύλης τα οποία απορροφούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (όχι όμως και τα βαρυτικά), δεν μπορούμε να τις παρατηρήσουμε στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Αντιθέτως, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παρατηρούν οι αστρονόμοι προέρχονται σχεδόν αποκλειστικά από περιοχές ασθενούς βαρύτητας και χαμηλών ταχυτήτων, για παράδειγμα, από τις επιφάνειες άστρων και υπερκαινοφανών



Από το βιβλίο των Μ. Δανέζη και Σ. Θεοδοσίου: «Η Κοσμολογία της Νόησης», Εκδόσεις Δίαυλος Αθήνα 2003 (βραβείο Αρώνη Πανεπιστημίου Αθηνών)

*Ο Δρ. Μάνος Δανέζης είναι Επίκουρος Καθηγητής Αστροφυσικής, Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ

http://www.liberal.gr/arthro/32940/epikairotita/2016/ta-barutika-kumata.html