Μετά από έναν αιώνα αναζήτησης, εντοπίσαμε τελικά κύματα βαρύτητας

Οι επιστήμονες έχουν ακούσει για πρώτη φορά την περιοχή της βαρύτητας.

σχετικό περιεχόμενο

• Πέντε πράγματα που πρέπει να γνωρίζετε για τα κύματα βαρύτητας
• Επτά απλοί τρόποι που γνωρίζουμε ο Αϊνστάιν ήταν σωστός (για τώρα)

Καθώς δυο μαύρες τρύπες σπειροτομούν το ένα προς το άλλο και συγχωνεύονται, δημιουργούν κυματισμούς στο ύφασμα του σύμπαντος ακριβώς όπως οι φυσικοί έχουν προβλέψει για έναν αιώνα: κύματα βαρύτητας. Αποκαλυπτόμενος σήμερα κατά τη διάρκεια μιας σειράς διεθνών συνεντεύξεων Τύπου, το σήμα ανοίγει το δρόμο για μια εντελώς νέα κατανόηση του σύμπαντος.

"Αυτή είναι η πρώτη φορά που ο κόσμος μας μίλησε από τα βαρυτικά κύματα. Μέχρι τώρα είμαστε κωφοί", δήλωσε σήμερα ο διευθυντής του εργαστηρίου LIGO David Reitze του Πανεπιστημίου της Φλόριντα σε εκδήλωση Τύπου στην Ουάσιγκτον, DC

Στη ρίζα των βαρυτικών κυμάτων είναι η θεωρία της βαρύτητας του Albert Einstein, που λέει ότι οτιδήποτε με τη μάζα στρεβλώνει τον ίδιο τον ιστό του χωροχρόνου. Όταν κινούνται μαζικά αντικείμενα, δημιουργούν στρεβλώσεις στον κοσμικό ιστό, δημιουργώντας κύματα βαρύτητας. Αυτά τα κύματα κυματίζουν μέσα στο σύμπαν σαν τα ηχητικά κύματα που πνέουν στον αέρα.

Η θεωρία του Αϊνστάιν προβλέπει ότι το σύμπαν είναι γεμάτο με βαρυτικά κύματα, αλλά μέχρι τώρα δεν είχαμε τη δυνατότητα να τα ανιχνεύσουμε, εν μέρει επειδή τα κύματα είναι εξαιρετικά αχνά. Αλλά ακόμα και πριν τα αναβαθμισμένα όργανα της κυκλοφόρησαν επίσημα online τον περασμένο χρόνο, το Laser Observatory Gravitational-Wave (LIGO) σημείωσε ένα σαφές μήνυμα από την ισχυρή σύγκρουση δύο μαύρων οπών 1, 3 δις έτη φωτός μακριά.

"Η ανίχνευση ενός σήματος βαρυτικών κυμάτων, ενώ το LIGO δεν είναι ακόμα κοντά στην ευαισθησία του σχεδιασμού στην πρώτη επιστήμη, είναι εκπληκτικό, είναι γελοίο, με καλό τρόπο", λέει ο Joan Centrella, επικεφαλής του εργαστηρίου Gravitational Astrophysics στο Goddard Space Flight της NASA Κέντρο πριν γίνει αναπληρωτής διευθυντής του Τμήματος Επιστήμης Αστροφυσικής στο Goddard.

Αυτή η ευχαρίστηση κυριάρχησε μέσω του Livingston, της Λουιζιάνα, του παρατηρητηρίου της LIGO και του υπόλοιπου κόσμου καθώς η ομάδα έκανε την ανακοίνωσή τους. Σχεδόν ό, τι έχουν μάθει οι αστρονόμοι για τον κόσμο προέρχεται από διάφορες μορφές φωτός, όπως ορατά, ραδιοκύματα και ακτίνες Χ. Αλλά όπως τα σεισμικά κύματα μπορούν να αποκαλύψουν κρυμμένες δομές βαθιά μέσα στη Γη, τα βαρυτικά κύματα φέρουν μαζί τους πληροφορίες για τις κρυφές ιδιότητες του σύμπαντος που δεν μπορεί να αποκαλύψει ούτε το φως.

"Ξεκινήσαμε με μια εργασία υψηλού κινδύνου με πολύ μεγάλη πιθανή αποπληρωμή", δήλωσε ο Kip Thorne, συνιδρυτής της LIGO και φυσικός βαρύτητας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας. "Και είμαστε εδώ σήμερα με ένα μεγάλο θρίαμβο - έναν εντελώς νέο τρόπο για να παρατηρήσουμε το σύμπαν".

Πρώιμες ενδείξεις

Το κυνήγι των βαρυτικών κυμάτων ξεκίνησε πριν από έναν αιώνα, με τη δημοσίευση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Στα μέσα της δεκαετίας του '70, οι φυσικοί Russell A. Hulse και Joseph H. Taylor, νεώτερος κατέλαβαν εξαιρετικά πειστικές αποδείξεις ότι αυτές οι κυματισμοί υπάρχουν. Μέτρησαν το χρόνο που χρειάστηκε για δύο πυκνά αστέρια νετρονίων-τους θρυμματισμένους πυρήνες των πρώτων-τεράστιων αστεριών- να τροχίσουν ο ένας τον άλλον.

Με βάση το έργο του Αϊνστάιν ήξεραν ότι αυτά τα αστέρια θα έπρεπε να ακτινοβολούν την βαρυτική ενέργεια καθώς περιστρέφονταν και ότι η χαμένη ενέργεια θα έπρεπε να τους κάνει να σπειροειδείς ο ένας προς τον άλλο. Αφού μελέτησαν τα δύο αστέρια για τα επόμενα χρόνια, είδαν ότι η τροχιά μειώθηκε ακριβώς με το ποσό που προβλεπόταν από τη γενική σχετικότητα.

Ενώ η διαπίστωση αυτή κέρδισε το ντουέτο το βραβείο Νόμπελ του 1993 στη φυσική, οι περισσότεροι φυσικοί δεν θα την αποκαλούσαν άμεση ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων.

Το 2001, η LIGO άρχισε να λειτουργεί σε δύο τοποθεσίες 1.875 μίλια μακριά, ένα στο Livingston, Λουιζιάνα και το άλλο στο Hanford της Ουάσινγκτον. Λίγα χρόνια αργότερα, το ευρωπαϊκό βλητικό σώμα με βαρυτικό κύμα έρχεται επίσης σε σύνδεση. Και οι δύο λειτουργούσαν μέχρι το 2010 και το 2011, αντίστοιχα, πριν πάνε εκτός σύνδεσης για αναβαθμίσεις.

Ενώ οι επιστήμονες ήλπιζαν ότι αυτά τα αρχικά παρατηρητήρια θα έπαιρναν βαρυτικά κύματα, ήξεραν ότι ήταν ένα μακρινό πλάνο. Αυτές οι κυματισμοί είναι πολύ αδύναμα σήματα και τα όργανα δεν ήταν αρκετά ευαίσθητα για να ακούσουν τους ψιθύρους τους. Αλλά οι αρχικές διαδρομές χρησιμεύουν ως δοκιμές της τεχνολογίας για τα όργανα επόμενης γενιάς.

Ο Παρθένος εξακολουθεί να αναβαθμίζεται, αλλά η ομάδα LIGO ολοκλήρωσε το έργο τους και στους δύο ανιχνευτές το 2015. Τώρα που ονομάζεται Advanced LIGO, τα παρατηρητήρια της Λουιζιάνας και της Ουάσιγκτον άκουγαν για βαρυτικά κύματα κατά τη διάρκεια της πρώτης διαδρομής επιστήμης που παρατηρήθηκε μεταξύ 18 Σεπτεμβρίου 2015 και 12 Ιανουαρίου, 2016. Το σήμα που ανακοινώθηκε σήμερα λήφθηκε λίγο πριν από την πρώτη επίσημη διαδρομή, καθώς η ομάδα διεξήγαγε επιχειρησιακές δοκιμές των ανιχνευτών.

Laser ακρίβεια

Η ανίχνευση ενός κύματος καθώς περνούσε μέσα από τη Γη απαιτούσε πολλή έξυπνη μηχανική, δύναμη υπολογιστή και περισσότερους από 1.000 επιστήμονες που εργάζονταν σε όλο τον κόσμο.

Μέσα σε κάθε παρατηρητήριο LIGO σε σχήμα L, ένα λέιζερ κάθεται στο σημείο συνάντησης δύο κάθετων σωλήνων. Το λέιζερ περνά μέσα από ένα όργανο που χωρίζει το φως, έτσι ώστε δύο δοκοί να ταξιδεύουν περίπου στα 2, 5 μίλια κάτω από κάθε σωλήνα. Τα κάτοπτρα στα άκρα των σωλήνων αντανακλούν το φως προς την πηγή του, όπου περιμένει ένας ανιχνευτής.

Συνήθως δεν ανάβει φως στον ανιχνευτή. Όταν όμως περάσει ένα βαρυτικό κύμα, θα πρέπει να τεντώσει και να σμίκρυνε τον χωροχρόνο σε ένα προβλέψιμο μοτίβο, αλλάζοντας ουσιαστικά τα μήκη των σωλήνων με ένα μικρό ποσό - από τη τάξη του ενός χιλιοστού της διάμετρος ενός πρωτονίου. Στη συνέχεια, κάποιο φως θα προσγειωθεί στον ανιχνευτή.

Για να ληφθεί υπόψη η απίστευτα μικρή αλλαγή, οι καθρέφτες του οργάνου συνδέονται με πολύπλοκα συστήματα που τα απομονώνουν από τους περισσότερους κραδασμούς. Οι επιστήμονες του LIGO έχουν επίσης ειδικά προγράμματα ηλεκτρονικών υπολογιστών που μπορούν να φιλτράρουν μέσω διαφόρων ειδών θορύβους περιβάλλοντος, όπως περιστασιακές δονήσεις, και να καθορίσουν εάν οποιοδήποτε εισερχόμενο σήμα αντιστοιχεί σε πιθανές αστρονομικές πηγές που υπολογίζονται χρησιμοποιώντας τη γενική σχετικότητα.

Οι τοποθεσίες Λουιζιάνα και Ουάσινγκτον συνεργάζονται για να επαληθεύσουν την παρατήρηση. "Δεν πιστεύουμε ότι βλέπουμε ένα βαρυτικό κύμα, εκτός και αν και οι δύο ανιχνευτές βλέπουν το ίδιο σήμα μέσα στο χρονικό διάστημα που θα έπαιρνε το βαρυτικό κύμα για να ταξιδέψουν μεταξύ των δύο τοποθεσιών", λέει ο μέλος της ομάδας LIGO Amber Stuver του Louisiana State University. Σε αυτή την περίπτωση, το κύμα πέρασε από τη Γη και χτύπησε τους δύο ανιχνευτές μόλις σε απόσταση 7 χιλιοστών του δευτερολέπτου.

Μόλις εντοπιστούν οι περιοχές της Λουϊζιάνας και της Ουάσινγκτον μια πιθανή βαρυτική μελωδία, οι επιστήμονες δουλεύουν στην ανάλυση. Ο LIGO πήρε το σήμα αυτό στις 14 Σεπτεμβρίου, αλλά τώρα είναι μόνο σε θέση να πει με μεγάλη σιγουριά ότι είδαν τα κύματα βαρύτητας.

"Μας χρειάστηκαν μήνες προσεκτικού ελέγχου, επανελέγχου, ανάλυσης, εργασίας με κάθε κομμάτι δεδομένων για να βεβαιωθούμε για την παρακολούθηση", δήλωσε ο Reitze κατά τη διάρκεια της εκδήλωσης DC. "Και είμαστε πεπεισμένοι ότι συμβαίνει αυτό." Τα αποτελέσματα εμφανίζονται αυτή την εβδομάδα στο Physical Review Letters .

Το σήμα του βαρυτικού κύματος που οι αστρονόμοι έβγαλαν από τις πιο πρόσφατες παρατηρήσεις αντιστοιχούσε σε αυτό που περίμεναν για δύο μαύρες τρύπες που έρχονταν σπειροειδώς μεταξύ τους. Ο χορός στέλνει βαρυτικά κύματα με προβλέψιμη συχνότητα και δύναμη, ανάλογα με το πόσο μακριά είναι τα αντικείμενα και τις μάζες τους.

Καθώς αρχίζουν να χορεύουν πιο κοντά, τα μήκη κύματος των βαρυτικών κυμάτων συρρικνώνονται και το τραγούδι τους φτάνει ψηλότερα. Όταν οι μαύρες τρύπες κλείσουν για την τελική αγκαλιά, το σήμα του βαρυτικού κύματος έχει ένα τελευταίο υψηλό σημείωμα, ή "τρελό", όπως το ονομάζουν αστρονόμοι.

Το σεπτέμβριο του σηματοδοτεί όμορφα με αυτό που η ομάδα θα περίμενε από δύο μαύρες τρύπες με μάζες ίσες με περίπου 29 και 36 φορές τη μάζα του ήλιου. Αυτές οι μαύρες τρύπες χτύπησαν μαζί για να δημιουργήσουν μια νέα μαύρη τρύπα 62 φορές τη μάζα της ηλιακής ακτινοβολίας που εκπέμπει 3 ηλιακές μάζες αξίας βαρυτικής ενέργειας.

Περιμένετε το αναπάντεχο

Με αυτήν την αρχική ανίχνευση, οι αστρονόμοι ελπίζουν ότι το Advanced LIGO θα συνεχίσει να συλλαμβάνει τα κύματα βαρύτητας και να αρχίζει να δημιουργεί δεδομένα για κάθε είδους επιστημονικές μελέτες, από το να υπολογίσει πώς δουλεύουν τα σουπερνόβα για να μάθουν για τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος. Ενώ κανένα άλλο αστρονομικό τηλεσκόπιο δεν έβλεπε κανένα σημάδι αυτής της σύγκρουσης μαύρης τρύπας, μερικές από τις άλλες πηγές της Advanced LIGO που ψάχνουν πρέπει να έχουν ομόλογα ορατά σε τηλεσκόπια που συλλαμβάνουν το φως.

Αυτό φαίνεται ιδιαίτερα ελπιδοφόρο, δεδομένου ότι το Advanced LIGO δεν έχει ακόμα την πλήρη ευαισθησία του. Αυτό θα έρθει τα επόμενα χρόνια, λέει ο Stuver.

Κάθε ένα από αυτά τα σήματα θα δώσει στους αστρονόμους αυτό που δεν είχαν ποτέ πριν: ένας τρόπος να διερευνηθούν ακραίες περιπτώσεις βαρύτητας και κινήσεις αόρατων αντικειμένων. Ακόμη πιο συναρπαστικό, οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι με κάθε τεχνολογική πρόοδο, το σύμπαν έχει έναν τρόπο να μας εκπλήσσει.

«Κάθε φορά που κοιτάζουμε με νέο τρόπο και διαφορετικό είδος φωτός, ανακαλύπτουμε κάτι που δεν αναμένουμε να βρούμε», λέει ο Stuver. «Και αυτό είναι το απροσδόκητο πράγμα που επαναφέρει την κατανόησή μας για το σύμπαν». αφού οι αστρονόμοι γύρισαν ραδιοφωνικές κεραίες στον ουρανό, ανακάλυψαν έναν απροσδόκητο τύπο αστέρα νετρονίων που ονομάζεται pulsar. Και, ίσως ποιητικά, ήταν ένα αστέρι pulsar και νετρονίων κάνοντας έναν τροχιακό χορό που ο Hulse και ο Taylor μελετούσαν στη δεκαετία του '70.

Τώρα, με την αυγή της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων, οι επιστήμονες έχουν ένα νέο εργαλείο για τη δειγματοληψία του Κόσμου. Και από τον ήχο του, είμαστε για μια όμορφη μουσική.

Σημείωση του συντάκτη: Η υπαγωγή του Joan Centrella έχει διορθωθεί.