Στις 11 Φεβρουαρίου 2016, επιστήμονες από τα δύο LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) των ΗΠΑ, ανακοίνωσαν επίσημα ότι το σύστημα «άκουσε» τα βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση δύο «μαύρων τρυπών», περίπου 1.3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά (δηλαδή ένα γεγονός που συνέβει πριν από 1.3 δισεκατομμύρια έτη).
Να σημειωθεί εδώ, ότι όπως προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, στο όριο της ταχύτητας του φωτός υπακούουν επίσης και τα βαρυτικά κύματα, αυτά δηλαδή που αντιλαμβανόμαστε σαν βαρυτικό πεδίο.
Για παράδειγμα, αν ένας πανίσχυρος «μάγος» εξαφάνιζε ακαριαία τη Σελήνη από τον ουρανό, όπως πράγματι πίστευαν παλαιότερα ότι συνέβαινε όταν η Σελήνη ήταν στη «χάση» της, η έλλειψη του βαρυτικού της πεδίου, στις παλίρροιες πχ, θα γινόταν αισθητή μετά από περίπου 1 δευτερόλεπτο (τόσος είναι ο χρόνος που κάνει και το φως να έλθει από τη Σελήνη στη Γη, αλλά και να γίνει αισθητή η επίδραση της βαρύτητας).
2η Εικόνα: Η διάταξη των σωλήνων και η διαδρομή των ακτίνων laser.
3η Εικόνα: Πώς δημιουργείται η διαφορά φάσης των ακτίνων laser ανάλογα με την καθυστέρηση τους, εξαιτίας της επίδρασης των βαρυτικών κυμάτων στο μήκος ενός από τους δύο σωλήνες.
4η Εικόνα: Πού είναι εγκατεστημένοι ανιχνευτές LIGO. Οι δύο στις ΗΠΑ με κόκκινο χρώμα, είναι αυτοί που εμπλέκονται στη συγκεκριμένη ανίχνευση.
Η μεγάλη επιτυχία της παρατήρησης ήταν ότι για πρώτη φορά, και μάλιστα μετά από 100 χρόνια, επιβεβαιώθηκε η πρόβλεψη που απορρέει από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, ότι δηλαδή η βαρύτητα μεταδίδεται με κύματα.
Η ειρωνία είναι ότι ο ίδιος ο Αϊνστάιν δεν πίστευε στην ύπαρξη μαύρων τρυπών, αλλά η επιβεβαίωση της θεωρίας του όπως φάνηκε, τις είχε ανάγκη!
Φυσικά, έπρεπε να υπάρχει σε λειτουργία ο κατάλληλος υπερ-ευαίσθητος ανιχνευτής, τη στιγμή που ο απόηχος των βαρυτικών κυμάτων θα έφτανε στη Γη, περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά από το ίδιο το γεγονός.
Η αρχή λειτουργίας των ανιχνευτών αυτών (σήμερα υπάρχουν τέσσερεις σε λειτουργία παγκόσμια), είναι σχετικά απλή.
Αποτελούνται από δύο κάθετους μεταξύ τους σωλήνες επάνω στο έδαφος, μήκους 4 km ο καθένας, που μέσα τους επικρατεί πολύ υψηλό κενό.
Μια μοναδική πηγή laser παράγει μία ακτίνα που με ένα σύστημα καθρεφτών χωρίζεται σε δύο δέσμες που διατρέχουν κατά μήκος τους σωλήνες, ανακλώνται σε καθρέφτες στις άκρες τους και επιστρέφουν πίσω, όπου συμβάλλουν (γιαυτό και συμβολόμετρο) για να διαπιστωθεί αν έχει προκύψει μετατόπιση της φάσης (των φωτεινών κυμάτων) του ενός, σε σχέση με τον άλλο.
Μια τέτοια συμβολή εκτός φάσης, θα μεταφραστεί σ' ένα στιγμιαίο ηχητικό "βουμπ" που ηλεκτρονικά ενισχυμένο θα ακουστεί στην αίθουσα ελέγχου*.
Η αιτία της εκτός φάσης συμβολής, θα είναι η απειροελάχιστη μεταβολή του μήκους του ενός σωλήνα σε σχέση με τον άλλον, καθώς θα τους διασχίσουν (με διαφορετική γωνία) τα βαρυτικά κύματα ενός πολύ έντονου βαρυτικού συμβάντος.
Το μυστικό (και η δυσκολία) βρίσκεται στην ακρίβεια που πρέπει να έχει η κατασκευή, αφού πρέπει να ανιχνεύονται διαφορές στο μήκος της διαδρομής των δύο ακτίνων, της τάξης του 10-18 m, μία διάσταση 1000 φορές μικρότερη από τη διάμετρο ενός πρωτονίου!
Και αυτό επειδή τα βαρυτικά κύματα είναι πάρα πολύ ασθενικά, και αυτή είναι παρεπιπτόντως και η βασική δυσκολία για να εννοποιηθεί η βαρύτητα με τις άλλες τρείς πρωταρχικές δυνάμεις της φύσης.
Αν όμως αναλογιστεί κανείς τις τεράστιες αποστάσεις που ταξιδεύουν τα βαρυτικά κύματα για να φτάσουν στους ανιχνευτές μας και ότι η έντασή τους μειώνεται με το αντίστροφο τετράγωνο της απόστασης, μια τέτοια ακρίβεια δεν φαίνεται υπερβολική.
Μάλιστα, λίγο πριν την ιστορική ανίχνευση είχε ολοκληρωθεί μια σημαντική αναβάθμιση του ανιχνευτή που πολλαπλασίασε τις δυνατότητές του, ενώ περισσότερες βελτιώσεις προβλέπεται να συνεχίσουν να γίνονται μέχρι το 2021.
Αποτελούνται από δύο κάθετους μεταξύ τους σωλήνες επάνω στο έδαφος, μήκους 4 km ο καθένας, που μέσα τους επικρατεί πολύ υψηλό κενό.
Μια μοναδική πηγή laser παράγει μία ακτίνα που με ένα σύστημα καθρεφτών χωρίζεται σε δύο δέσμες που διατρέχουν κατά μήκος τους σωλήνες, ανακλώνται σε καθρέφτες στις άκρες τους και επιστρέφουν πίσω, όπου συμβάλλουν (γιαυτό και συμβολόμετρο) για να διαπιστωθεί αν έχει προκύψει μετατόπιση της φάσης (των φωτεινών κυμάτων) του ενός, σε σχέση με τον άλλο.
Μια τέτοια συμβολή εκτός φάσης, θα μεταφραστεί σ' ένα στιγμιαίο ηχητικό "βουμπ" που ηλεκτρονικά ενισχυμένο θα ακουστεί στην αίθουσα ελέγχου*.
Η αιτία της εκτός φάσης συμβολής, θα είναι η απειροελάχιστη μεταβολή του μήκους του ενός σωλήνα σε σχέση με τον άλλον, καθώς θα τους διασχίσουν (με διαφορετική γωνία) τα βαρυτικά κύματα ενός πολύ έντονου βαρυτικού συμβάντος.
Το μυστικό (και η δυσκολία) βρίσκεται στην ακρίβεια που πρέπει να έχει η κατασκευή, αφού πρέπει να ανιχνεύονται διαφορές στο μήκος της διαδρομής των δύο ακτίνων, της τάξης του 10-18 m, μία διάσταση 1000 φορές μικρότερη από τη διάμετρο ενός πρωτονίου!
Και αυτό επειδή τα βαρυτικά κύματα είναι πάρα πολύ ασθενικά, και αυτή είναι παρεπιπτόντως και η βασική δυσκολία για να εννοποιηθεί η βαρύτητα με τις άλλες τρείς πρωταρχικές δυνάμεις της φύσης.
Αν όμως αναλογιστεί κανείς τις τεράστιες αποστάσεις που ταξιδεύουν τα βαρυτικά κύματα για να φτάσουν στους ανιχνευτές μας και ότι η έντασή τους μειώνεται με το αντίστροφο τετράγωνο της απόστασης, μια τέτοια ακρίβεια δεν φαίνεται υπερβολική.
Μάλιστα, λίγο πριν την ιστορική ανίχνευση είχε ολοκληρωθεί μια σημαντική αναβάθμιση του ανιχνευτή που πολλαπλασίασε τις δυνατότητές του, ενώ περισσότερες βελτιώσεις προβλέπεται να συνεχίσουν να γίνονται μέχρι το 2021.
Κάτι ανάλογο με τα βαρυτικά κύματα, που μπορούμε να το παρατηρήσουμε με τα μάτια μας, είναι το κρουστικό κύμα που δημιουργείται από μία ισχυρή έκρηξη. Προσέξτε πώς το κύμα στα όριά του παραμορφώνει (οπτικά) τις διαστάσεις, και φανταστείτε ότι κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και με το βαρυτικό κύμα, μόνο που η επίδρασή του στις διαστάσεις είναι πραγματική. Ευτυχώς οι κοσμικές εκρήξεις συμβαίνουν πολύ μακριά.
Η παρατήρηση έγινε από τα δύο LIGO που λειτουργούν στις ΗΠΑ (τα δύο ευρωπαϊκά ήταν εκτός υπηρεσίας), και μάλιστα με χρονική διαφορά 7 ms, χρόνος που είναι ενδεικτικός της διαδοχικής «σάρωσης» των δύο ανιχνευτών από τα βαρυτικά κύματα.
Μάλιστα η χρονική αυτή καθυστέρηση επέτρεψε τον "περίπου" προσδιορισμό της κατεύθυνσης του σήματος σε έναν κύκλο στον ουρανό, ενώ αν ένα ακόμα "LIGO" ήταν σε λειτουργία θα μπορούσε να προσδιοριστεί η κατεύθυνση με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Η επιβεβαίωση της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων είναι τουλάχιστον εξίσου σημαντική με την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, και το 2017 το βραβείο Νόμπελ Φυσικής μοιράστηκε μεταξύ τριών επιστημόνων (ένας απ' αυτούς ο γνωστότερος Kip S. Thorne) για τη συμβολή τους στην έρευνα αυτή.
Η επιβεβαίωση της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων είναι τουλάχιστον εξίσου σημαντική με την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, και το 2017 το βραβείο Νόμπελ Φυσικής μοιράστηκε μεταξύ τριών επιστημόνων (ένας απ' αυτούς ο γνωστότερος Kip S. Thorne) για τη συμβολή τους στην έρευνα αυτή.
*Ενα πολύ ενδιαφέρον, σύντομο κσι επεξηγηματικό βίντεο είναι το παρακάτω του Scientific American: https://www.youtube.com/watch?v=EU606mt3Jlo&t=58s, στο οποίο ακούγεται και η ίδια η συγχώνευση (το "βουμπ"), που πρόκειται βέβαια για "μετάφραση" στο ηχητικό φάσμα της συμβολής των βαρυτικών κυμάτων.
ΥΓ1. Στην απόσταση των 4 km του κάθε βραχίονα του LIGO, και εξαιτίας της απαίτησης πολύ μεγάλης ακρίβειας, η καμπυλότητα της Γης θα έπρεπε αν ληφθεί υπόψη κατά την κατασκευή τους. Ουσιαστικά δηλαδή να μην επηρεάσει την κατασκευή, ώστε οι βραχίονες να είναι απόλυτα ευθύγραμμοι.
ΥΓ2. Μέχρι το καλοκαίρι του 2025, οι ανιχνευτές LIGO, VIRGO και KAGRA, είχαν ανιχνεύσει συνολικά από την θέση σε λειτουργία τους, περισσότερα από 300 βαρυτικά συμβάντα.
ΥΓ3. Ένα πολύ πιο φιλόδοξο πρόγραμμα είναι το LISA, που προβλέπει την τοποθέτηση τριών δορυφόρων στις κορυφές ισόπλευρου τριγώνου με πλευρά 2.5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων, σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο με τρόπο ώστε να ακολουθούν τη Γη σε απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων στην περιφορά της γύρω από τον Ήλιο (δηλαδή σε απόσταση το 1/3 της μέσης απόστασης Γης - Ήλιου). Το σύστημα αυτό θα έχει τη δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών συμβάντων που παρήχθησαν σε μία εποχή κοντά στη δημιουργία του Σύμπαντος (Big Bang).
Γ. Μεταξάς
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου