Στις περισσότερες περιπτώσεις, η ανίχνευση των επιπτώσεων της βαρύτητας δεν είναι τόσο δύσκολη. Οι Skydivers σπεύδουν προς το έδαφος τη στιγμή που βγαίνουν από ένα αεροπλάνο και χάρη στα διαστημικά τηλεσκόπια μπορείτε να δείτε το φως να στρεβλώνεται σε εκπληκτικούς δακτυλίους από μαζικές ομάδες γαλαξιών. Αλλά έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολο να ανιχνευθούν τα κύματα βαρύτητας, οι κυματισμοί στο διάστημα-χρόνου που πυροδοτήθηκαν από ένα ισχυρό κοσμικό γεγονός.
σχετικό περιεχόμενο
- Αυτά τα διασκευάσματα Spacey περιλαμβάνουν ένα γαλαξιακό πρόσωπο χαμόγελο και ένα διαστρικό τριαντάφυλλο
- Όχι, δεν έχουμε εντοπίσει βαρυτικά κύματα (ακόμα)
Οι περισσότερες προσπάθειες μέχρι τώρα έχουν αναζητήσει τον τρόπο που οι κυματισμοί του χρόνου-χρόνου αναμένεται να επηρεάσουν το φως και την ύλη. Τώρα οι επιστήμονες στις ΗΠΑ και στο Ισραήλ πιστεύουν ότι θα μπορούσαμε να βρούμε τα κύματα γρηγορότερα και φθηνότερα αν ψάχναμε για τα αποτελέσματά τους στο χρόνο αντί για το διάστημα.
Το κυνήγι για τα βαρυτικά κύματα συνεχίζεται από το 1916, όταν ο Albert Einstein προέβλεψε ότι θα έπρεπε να υπάρξουν ως μέρος της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Έκανε την υπόθεση ότι ο χωροχρόνος είναι σαν ένα ύφασμα και αυτό που αισθανόμαστε ως βαρύτητα είναι μια καμπυλότητα στο ύφασμα που προκαλείται από τεράστια αντικείμενα. Όπως μια μπάλα μπόουλινγκ αναρτημένη σε μια κουβέρτα, για παράδειγμα, ο μαζικός μας πλανήτης Γη κάμπτει το διάστημα-γύρω από αυτό.
Η θεωρία υποδηλώνει επίσης ότι όταν πολύ μαζικά αντικείμενα, όπως οι μαύρες τρύπες, συγχωνεύονται, η βαρυτική έκρηξη θα στείλει κυματισμούς που διαδίδονται προς τα έξω διαστημικά. Η ανίχνευσή τους δεν θα συνεχίσει μόνο να επικυρώνει τη θεωρία του Αϊνστάιν, θα ανοίξει ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν, επειδή οι επιστήμονες θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν βαρυτικά κύματα για να διερευνήσουν διαφορετικά αόρατα γεγονότα σε όλο τον κόσμο. Αλλά η απόδειξη των βαρυτικών κυμάτων είναι ασαφής, σε μεγάλο βαθμό επειδή τα κύματα αναπτύσσονται πιο αδύνατα όσο πιο μακριά κινούνται και πολλές πηγές βαρυτικών κυμάτων βρίσκονται στην άκρη του σύμπαντος, σε διήμερα έτη φωτός μακριά.
Πέρυσι, ένα πείραμα που ονομάζεται BICEP2 ισχυρίστηκε ότι ανίχνευσε τα αχνά σήματα που σχετίζονται με ένα είδος αρχέγονου βαρυτικού κύματος, που παράγεται από μια ξαφνική έξαρση ανάπτυξης στο πρώιμο σύμπαν. Ο ισχυρισμός ήταν πρόωρος, όμως, καθώς οι μεταγενέστερες αναλύσεις μείωσαν την εμπιστοσύνη ότι η ομάδα BICEP2 δεν είδε τίποτα περισσότερο από περιστροφική σκόνη στον Γαλαξία.
Το προγραμματισμένο παρατηρητήριο eLISA του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, το οποίο θα κυκλοφορήσει το 2034, έχει σχεδιαστεί για να ανιχνεύει ένα διαφορετικό είδος κύματος: κλίμακα millihertz ή βαρυτικά κύματα χαμηλής συχνότητας που παράγονται από τη συγχώνευση υπερμεγέθων ζευγών μαύρης τρύπας. Οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα πολλών μεγάλων γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένων και των δικών μας. Η συσσωμάτωση δύο τέτοιων γαλαξιών προβλέπεται να εκπέμπει βαρυτικά κύματα που μπορούν να διαδοθούν στο σύμπαν. Για να τα βρει, το eLISA θα χρησιμοποιήσει λέιζερ για να μετρήσει τις μικροσκοπικές αλλαγές στην απόσταση ενός στόλου διαστημικών οχημάτων που θα συμβεί όταν περάσει ένα βαρυτικό κύμα.
Σε μια νέα εργασία, ο Avi Loeb στο Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμινσόνιαν και ο Dani Maoz στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ επισημαίνουν ότι οι πρόσφατες εξελίξεις στη χρονομέτρηση θα μπορούσαν να επιτρέψουν στα ατομικά ρολόγια να ανιχνεύσουν τα κύματα βαρύτητας ταχύτερα και φθηνότερα από το eLISA. Περιγράφουν μια πρόταση για μια σειρά ατομικών ρολογιών τοποθετημένων σε διαφορετικά σημεία γύρω από τον ήλιο που θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ένα φαινόμενο που ονομάζεται χρονική διαστολή, όταν τα βαρυτικά φαινόμενα μπορούν να προκαλέσουν χρόνο επιβράδυνσης.
Όπως και το eLISA, το σχέδιό τους απαιτεί επίσης διαστημόπλοια που πετούν σε σχηματισμό και επικοινωνούν χρησιμοποιώντας λέιζερ. Αλλά αντί να αναμεταδίδουν πληροφορίες σχετικά με τις αλλαγές στην απόσταση, τα λέιζερ θα παρακολουθούν τις μικροσκοπικές αποκλίσεις στη χρονομέτρηση μεταξύ των συγχρονισμένων ατομικών ρολογιών εγκατεστημένων επί του διαστημικού οχήματος.
Οι προβλεπόμενες χρονικές αλλαγές είναι μικροσκοπικές: "Μιλάμε για ένα μέρος σε ένα εκατομμύριο τρισεκατομμύρια ακρίβεια χρονισμού", λέει ο Loeb. "Για να ανιχνεύσετε αυτό το είδος αλλαγής, χρειάζεστε ένα ρολόι που δεν θα κερδίσει ούτε θα χάσει μόνο το ένα δέκατο του δευτερολέπτου, ακόμα και αν λειτουργούσε για 4, 5 δισεκατομμύρια χρόνια, ή ολόκληρη την ηλικία της Γης".
Μέχρι πρόσφατα, αυτό το είδος ακρίβειας ήταν πέρα από την ικανότητα των ατομικών ρολογιών που χρησιμοποιούν το στοιχείο καίσιο, τα οποία αποτελούν τη βάση για το σημερινό διεθνές πρότυπο της χρονομέτρησης. Αλλά στις αρχές του 2014, οι φυσικοί του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) αποκάλυψαν ένα πειραματικό ατομικό ρολόι "οπτικών πλεγμάτων" που έθεσε νέα παγκόσμια ρεκόρ για ακρίβεια και σταθερότητα. Αυτά τα ρολόγια λειτουργούν με οπτικές συχνότητες και παρέχουν έτσι μεγαλύτερη ακρίβεια από τα ατομικά ρολόγια του κεσίου, τα οποία βασίζονται στα μικροκύματα για να κρατήσουν το χρόνο τους.
Θεωρητικά, τα οπτικά ατομικά ρολόγια μπορούν να παρέχουν την απαιτούμενη ακρίβεια για να ανιχνεύσουν τις μικροσκοπικές μετατοπίσεις χρόνου που προβλέπονται από τα κύματα βαρύτητας. Οι Loeb και Maoz υποστηρίζουν ότι ο σχεδιασμός τους θα ήταν απλούστερος και θα μπορούσε να επιτευχθεί με μικρότερο κόστος, επειδή θα απαιτούσε λιγότερο ισχυρά λέιζερ από το eLISA. Ατομικά ρολόγια χαμηλότερης ακρίβειας χρησιμοποιούνται ήδη σε δορυφόρους GPS, οπότε ο Loeb πιστεύει ότι θα πρέπει να είναι δυνατή η αποστολή της νέας γενιάς ατομικών ρολογιών στο χώρο.
Δύο διαστημικά σκάφη τοποθετημένα σε σωστή απόσταση μεταξύ τους μπορούσαν να αισθανθούν τόσο την κορυφή όσο και τη γούρνα ενός περασμένου βαρυτικού κύματος. (Loeb κ.ά., arxiv.org) Η καλύτερη ρύθμιση θα ήταν ένα ζευγάρι ατομικά ρολόγια εγκατεστημένα σε δύο διαστημόπλοια που μοιράζονται την τροχιά της Γης γύρω από τον ήλιο. Ένα κύριο διαστημικό σκάφος θα είναι επίσης σε τροχιά για να συντονίζει τα σήματα που προέρχονται από τα ρολόγια. Το ωροσκόπιο πρέπει να διαχωριστεί κατά περίπου 93 εκατομμύρια μίλια - περίπου η απόσταση μεταξύ της Γης και του ήλιου ή μια αστρονομική μονάδα (AU).
"Αυτή είναι μια συμπαθητική σύμπτωση, επειδή μια AU συμβαίνει να είναι περίπου ίση με μισό μήκος κύματος για ένα βαρυτικό κύμα [χαμηλής συχνότητας], όπως οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η συγχώνευση υπερμεγέθων μαύρων οπών εκπέμπει", λέει ο Loeb. Με άλλα λόγια, αυτή θα ήταν ακριβώς η σωστή απόσταση για να αντιληφθεί τόσο την κορυφή όσο και την κορυφή ενός βαρυτικού κύματος που διέρχεται από το ηλιακό σύστημα, έτσι ώστε τα ατομικά ρολόγια που βρίσκονται σε αυτά τα δύο σημεία θα βιώσουν τα μεγαλύτερα αποτελέσματα διαστολής χρόνου.
Προς το παρόν, μια τέτοια αποστολή δεν είναι σε κανένα πρακτορείο χώρου πρακτορείου ή πρόταση προϋπολογισμού. Αλλά ο Loeb ελπίζει ότι η ιδέα θα ενεργοποιήσει μια πιο προσεκτική μελέτη των εναλλακτικών λύσεων eLISA. Το πρόγραμμα eLISA "επωφελήθηκε από δεκαετίες συζήτησης, οπότε θα πρέπει να επιτρέψουμε να μελετηθεί αυτός ο εναλλακτικός σχεδιασμός τουλάχιστον για λίγους μήνες πριν από την απόρριψή του".
Ο Loeb προσθέτει ότι υπάρχουν πολλές πρακτικές εφαρμογές από το να έχουμε πιο ακριβή ατομικά ρολόγια στο διάστημα, όπως καλύτερη ακρίβεια GPS και βελτιωμένη επικοινωνία. Πιστεύει ότι τα πρώτα ρολόγια οπτικών πλεγμάτων θα μπορούσαν να ξεκινήσουν από τις επιχειρήσεις για εμπορικούς σκοπούς, και όχι από κρατικές υπηρεσίες. "Εάν συμβεί αυτό, οποιαδήποτε επιστήμη θα βγούμε από αυτό θα είναι ένα παραπροϊόν", λέει.
Ο Jun Ye, φυσικός του Πανεπιστημίου του Κολοράντο και συνάδελφος του NIST, λέει ότι η πρόταση του Loeb και Maoz "ανοίγει ένα νέο πνευματικό μέτωπο" για τη χρήση οπτικών ατομικών ρολογιών για τη δοκιμή θεμελιωδών φυσικών, συμπεριλαμβανομένης της αναζήτησης βαρυτικών κυμάτων. "Είμαι αισιόδοξος για την περαιτέρω βελτίωση των οπτικών ρολογιών και την ενδεχόμενη χρήση τους σε τέτοιες εφαρμογές", λέει ο Ye.
