Ενεργοποιώντας το κοσμικό μικρόφωνο Understand article

Μετάφραση από την Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). Ένα νέο εργαλείο επιτρέπει στους αστρονόμους να ‘ακούσουν’ για πρώτη φορά το Σύμπαν.

Η εικόνα είναι ευγενική
χορηγία του Grant / Flickr
και ESA / C Carreau

Το πρωί στις 14 Σεπτεμβρίου του 2015, έφτασε στη Γη ένα σήμα από δύο μαύρες τρύπες που είχαν συγκρουστεί πριν από 1.3 δισεκατομμύρια χρόνια, θέτοντας σε εγρήγορση τους επιστήμονες σε όλο τον κόσμο.“Μας πήρε ένα μεγάλο μέρος της ημέρας για να πείσουμε τους εαυτούς μας ότι δεν ήταν μια άσκηση προετοιμασίας”, λέει η καθηγήτρια Gabriela González. Στην πραγματικότητα ήταν η πρώτη ανίχνευση ενός βαρυτικού κύματος και η τελευταία εξέλιξη στην μακρά ιστορία της αστρονομίας.

Όταν ο Γαλιλαίος παρουσίασε για πρώτη φορά το τηλεσκόπιο στα 1600, οι αστρονόμοι απόκτησαν την δυνατότητα να παρατηρούν τμήματα του Σύμπαντος που ήταν μη ορατά στο γυμνό μάτι. Αυτό οδήγησε σε αιώνες ανακαλύψεων – καθώς τα τηλεσκόπια γινόταν πιο προηγμένα, αποκάλυπταν νέους πλανήτες, γαλαξίες και ακόμη και μια ματιά από το πρώιμο Σύμπαν. Το 2015, οι επιστήμονες απέκτησαν ακόμη ένα πολύτιμο εργαλείο: την ικανότητα να ‘ακούν’ τον κόσμο μέσω των βαρυτικών κυμάτων.

Κυματισμοί στον χωροχρόνο

Ο Νεύτωνας περιέγραψε την βαρύτητα σαν μια δύναμη. Αν σκεφτούμε την βαρύτητα με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να εξηγήσουμε τα περισσότερα φαινόμενα που συμβαίνουν εδώ στην Γη. Για παράδειγμα, η δύναμη της βαρύτητας που ασκείται σε ένα μήλο το κάνει να πέσει από το δέντρο πάνω σε ένα ανυποψίαστο άτομο που κάθεται από κάτω. Παρόλα αυτά, για να καταλάβουμε την βαρύτητα στην κοσμική κλίματα, θα πρέπει να στραφούμε στον Αϊνστάιν, ο οποίος περιέγραψε την  βαρύτητα ως την κάμψη του ίδιου του χωροχρόνου.

Μερικοί φυσικοί περιγράφουν αυτή την διαδικασία χρησιμοποιώντας μια μπάλα του μπόουλινγκ και μια κουβέρτα. Φανταστείτε τον χωροχρόνο ως μια κουβέρτα. Μια  μπάλα του μπόουλινγκ τοποθετημένη στο  κέντρο της κουβέρτας κάμπτει το ύφασμα γύρω της. Όσο πιο βαρύ είναι ένα αντικείμενο, τόσο πιο πολύ βυθίζεται. Όσο μετακινείς την μπάλα πάνω στο ύφασμα, παράγει κυματισμούς, όπως ακριβώς μια βάρκα που ταξιδεύει στο νερό. 

Μια προσομοίωση της συγχώνευσης δύο μαύρων τρυπών και της προκύπτουσας εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας
Η εικόνα είναι ευγενική χορηγία της NASA / C Henze
 

“Η καμπυλότητα είναι αυτή που κάνει την Γη να βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο – ο Ήλιος είναι η μπάλα του μπόουλινγκ πάνω σε ένα ύφασμα και είναι αυτή η κάμψη στο ύφασμα που κάνει την Γη να πηγαίνει γύρω-γύρω”, εξηγεί ο González, που είναι ο εκπρόσωπος για την κοινοπραξία του Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων Μέσω Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO).

Κάθε τι που έχει μάζα  – πλανήτες, αστέρια και άνθρωποι – ασκεί έλξη στο ύφασμα του χωροχρόνου και παράγει βαρυτικά κύματα καθώς κινείται μέσα στο διάστημα. Αυτά τα κύματα μας διαπερνούν όλη την ώρα, αλλά είναι πολύ αμυδρά για να ανιχνευτούν.

Για να βρούμε αυτά τα άπιαστα σήματα, οι φυσικοί έχτισαν το LIGO, δίδυμα παρατηρητήρια στην Λουϊζιάνα και την Ουάσινγκτον. ΗΠΑ. Σε κάθε ανιχνευτή με σχήμα L, μια δέσμη λέιζερ διασπάται και τα δύο τμήματα της δέσμης διατρέχουν τους δύο βραχίονες 4 χιλιομέτρων του κάθε ανιχνευτή. Οι δέσμες ανακλώνται από τα κάτοπτρα που βρίσκονται σε κάθε άκρο των βραχιόνων και επιστρέφουν για να επανενωθούν. Ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα μεταβάλλει ελαφρά τα σχετικά μήκη των βραχιόνων, μετατοπίζοντας την διαδρομή της δέσμης λέιζερ. δημιουργώντας μια διακύμανση που οι φυσικοί μπορούν να ανιχνεύσουν.

Σε αντίθεση με τα τηλεσκόπια, τα οποία στρέφονται προς πολύ συγκεκριμένα σημεία του ουρανού, ανιχνευτές σαν το LIGO σαρώνουν μια πολύ μεγαλύτερη περιοχή του Σύμπαντος και ακούν πηγές από όλες τις κατευθύνσεις. “Οι ανιχνευτές των βαρυτικών κυμάτων είναι σαν μικρόφωνα”, λέει η Laura Nuttall, μια μεταδιδακτορική ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Syracuse, ΗΠΑ.

Οι πρώτες ανιχνεύσεις

Εκείνο το πρωί του Σεπτεμβρίου του 2015, όταν το πρώτο βαρυτικό κύμα πέρασε μέσα από τους δύο ανιχνευτές, το LIGO βρισκόταν ακόμη σε στάδιο προετοιμασίας για μια παρατήρηση. Οι ερευνητές έκαναν ακόμη δοκιμές και διαγνωστικά τεστ κατά την διάρκεια της ημέρας  – και για αυτό τον λόγο χρειάστηκε να κάνουν έναν μεγάλο αριθμό ελέγχων και αναλύσεων για να σιγουρευτούν ότι το σήμα ήταν αληθινό.

Μήνες αργότερα, αφού οι ερευνητές είχαν ελέγξει σχολαστικά τα δεδομένα για σφάλματα η θόρυβο (όπως για παράδειγμα αστραπές η σεισμούς), η κοινοπραξία LIGO ανακοίνωσε στον κόσμο ότι είχαν τελικά πετύχει έναν πολυαναμενόμενο στόχο: σχεδόν 100 χρόνια από τότε που ο Αϊνστάιν προέβλεψε για πρώτη φορά την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων, οι επιστήμονες τα είχαν ανιχνεύσει.

Μερικούς μήνες μετά την άφιξη του πρώτου σήματος, το LIGO ανίχνευσε ακόμη μια σύγκρουση μαύρων τρυπών. “Η εύρεση μιας δεύτερης σύγκρουσης αποδεικνύει ότι υπάρχει ένας πληθυσμός από πηγές που θα παράγει ανιχνεύσιμα βαρυτικά κύματα¨ λέει ο Nuttall. “Είμαστε στην πραγματικότητα τώρα ένα αστεροσκοπείο”.

Αεροφωτογραφία του ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων LIGO στο Livingston, Louisiana
Η εικόνα είναι ευγενική χορηγία του LIGO / Penn State; πηγή της εικόνας: Flickr

Κοσμικά μικρόφωνα

Πολλοί έχουν χρίσει την ανίχνευση ως την αυγή της εποχής της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων. Οι επιστήμονες περιμένουν να δουν εκατοντάδες, ίσως ακόμη και χιλιάδες, από αυτές τις διπλές μαύρες τρύπες στα επόμενα χρόνια. Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα επιτρέψουν επίσης στους αστρονόμους να εξετάσουν πολύ πιο προσεκτικά και άλλα αστρονομικά φαινόμενα, όπως τους αστέρες νετρονίων, τους υπερκαινοφανείς, και ακόμη και την Μεγάλη Έκρηξη.

Ένα σημαντικό επόμενο βήμα είναι να ανιχνεύσουμε τους οπτικούς ομόλογους –  όπως το φως από την περιβάλλουσα ύλη η τις εκλάμψεις ακτίνων γάμμα – των πηγών των βαρυτικών κυμάτων. Για να το κάνουν αυτό, οι αστρονόμοι πρέπει να στρέψουν τα τηλεσκόπια τους στην περιοχή του ουρανού από όπου ήρθαν τα βαρυτικά κύματα για να βρουν οποιοδήποτε ανιχνεύσιμο φως.

Προς το παρόν, αυτό το κατόρθωμα είναι σαν να βρίσκεις μια βελόνα στα άχυρα. Επειδή το οπτικό πεδίο των ανιχνευτών των βαρυτικών κυμάτων είναι πολύ, πολύ μεγαλύτερο από αυτό των τηλεσκοπίων, είναι εξαιρετικά δύσκολο να συνδέσουμε τα δύο. “Η σύνδεση των βαρυτικών κυμάτων με το φως για πρώτη φορά θα είναι μια τόσο σημαντική ανακάλυψη που σίγουρα αξίζει τον κόπο”, λέει ο Edo Berger, καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.

Το LIGO είναι μόνο ένα από πολλά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων. Άλλα επίγεια παρατηρητήρια όπως το Virgo στην Ιταλία, το KAGRA στην Ιαπωνία και το μελλοντικό LIGO στην Ινδία έχουν παρόμοιες ευαισθησίες με το LIGO. Υπάρχουν επίσης και άλλες προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες – και σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν στο μέλλον – για να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα σε εντελώς διαφορετικές συχνότητες.

Καλλιτεχνική αναπαράσταση των βαρυτικών κυμάτων που δημιουργούνται από διπλούς αστέρες νετρονίων
Η εικόνα είναι ευγενική χορηγία του Penn State; πηγή της εικόνας: Flickr
 

Το Διαστημικό Συμβολόμετρο eLISA, για παράδειγμα, είναι ένας ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων που οι φυσικοί σκοπεύουν να κατασκευάσουν στο διάστημα. Όταν ολοκληρωθεί, το eLISA θα αποτελείται από τρία διαστημόπλοια που θα βρίσκονται σε μια απόσταση πάνω από ένα εκατομμύριο χιλιόμετρα μεταξύ τους, καθιστώντας το ευαίσθητο σε πολύ χαμηλότερες συχνότητες βαρυτικών κυμάτων, όπου οι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα ανιχνεύσουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Το δίκτυο χρονισμού των πάλσαρ είναι μια εντελώς διαφορετική μέθοδος ανίχνευσης. Τα πάλσαρ είναι φυσικοί χρονομέτρες, που εκπέμπουν τακτικά δέσμες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι αστρονόμοι μετρούν προσεκτικά τους χρόνους άφιξης των παλμών για να βρουν αποκλίσεις, γιατί όταν  περνά ένα βαρυτικό κύμα, ο χωροχρόνος στρεβλώνεται, αλλάζοντας την απόσταση ανάμεσα σε εμάς και το πάλσαρ, με αποτέλεσμα οι παλμοί να φτάνουν λίγο νωρίτερα η αργότερα. Αυτή η μέθοδος είναι ευαίσθητη σε ακόμη πιο χαμηλές συχνότητες και από αυτές που μπορεί να ανιχνεύσει το eLISA.

Αυτά και πολλά άλλα αστεροσκοπεία θα αποκαλύψουν μια νέα όψη του Σύμπαντος, βοηθώντας του επιστήμονες να μελετήσουν φαινόμενα όπως την συγχώνευση των μαύρων τρυπών, να εξετάσουν θεωρίες βαρύτητας και ενδεχομένως ακόμη και να ανακαλύψουν κάτι εντελώς απροσδόκητο, λέει ο Daniel Holz, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου. “Συνήθως στην επιστήμη απλώς διευρύνεις λίγο τα όρια, άλλα σε αυτή την περίπτωση, ανοίγουμε εντελώς νέα σύνορα.”

Ευχαριστίες

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται με την ευγενική άδεια του περιοδικού Symmetryw1,στο οποίο αρχικά δημοσιεύτηκε.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Το Symmetry magazine είναι ένα δωρεάν ηλεκτρονικό έντυπο που καλύπτει την φυσική σωματιδίων. Δημοσιεύεται από κοινού από το Fermi National Accelerator Laboratory και το SLAC National Accelerator Laboratory, ΗΠΑ.

Author(s)

Η Νταϊάνα είναι μια ανεξάρτητη επιστημονική δημοσιογράφος που έχει την βάση της στο Βερολίνο, Γερμανία. Η δουλειά της εμφανίζεται τόσο σε έντυπη όσο και σε ηλεκτρονική μορφή σε πολυάριθμα μέσα συμπεριλαμβανομένων και των Scientific American, Quartz και New Scientist.


Review

Σπουδαία νέα για όλους μας – μετά από χρόνια ψάχνοντας για βαρυτικά κύματα, οι επιστήμονες τελικά τα ανίχνευσαν. Αυτό το άρθρο είναι καλό ανάγνωσμα για εκπαιδευτικούς φυσικής και γενικής επιστήμης. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μια πλατφόρμα για συζήτηση στην τάξη, εστιάζοντας κυρίως στα προβλήματα που σχετίζονται με την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, αλλά το πιο σημαντικό στις εφαρμογές τους στην καθημερινή ζωή.


Paul Xuereb, Μάλτα




License

CC-BY-NC-ND