Καιρός

12 Φεβ 2016

Ιστορική επιβεβαίωση της ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων






Ακριβώς πριν από 100 χρόνια, ο πατέρας της Σχετικότητας προέβλεψε την ύπαρξή αυτού του παράξενου φαινομένου, αργότερα όμως άλλαξε γνώμη και μάλιστα αρκετές φορές. Ακριβώς εκατό χρόνια μετά, το αμερικανικό πείραμα LIGO φαίνεται πως επιβεβαίωσε τον Άλμπερτ Αϊνσάιν για τα περίφημα βαρυτικά κύματα.

«Κυρίες και κύριοι, ανιχνεύσαμε βαρυτικά κύματα. Τα καταφέραμε!» ανακοίνωσε πανηγυρικά ο Ντέιβιντ Ρέιτζε, εκτελεστικός διευθυντής του LIGO, μιλώντας σε συνέντευξη Τύπου του αμερικανικού Εθνικού Ιδρύματος Επιστήμης το απόγευμα της Πέμπτης στην Ουάσινγκτον.

Στις 14 Σεπτεμβρίου, ανέφερε η εκπρόσωπος του πειράματος Γκέιμπι Γκονζάλες, και οι δύο ανιχνευτές LIGO στις ΗΠΑ, οι οποίοι απέχουν μεταξύ τους 3.000 χιλιόμετρα, κατέγραψαν το πολυπόθητο σήμα με διαφορά 7 χιλιοστών του δευτερολέπτου -όσο θα περίμενε κανείς για ένα κύμα που ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός.

Το σήμα προήλθε από δύο μαύρες τρύπες σε απόσταση 1,2 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Οι μαύρες τρύπες βρέθηκαν σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, κινήθηκαν σπειροειδώς η μία προς την άλλη και τελικά συγκρούστηκαν και συγχωνεύτηκαν, παράγοντας πανίσχυρα κύματα που έφτασαν μέχρι τους ανιχνευτές.


Εκεί καταγράφηκε μια απειροελάχιστη μεταβολή, μικρότερη από τη διάμετρο ενός πρωτονίου, στις διαστάσεις δύο κάθετων σωλήνων μήκους 4 χιλιομέτρων. Εκείνη τη στιγμή, ολόκληρη η Γη τεντώθηκε και συρρικνώθηκε ανεπαίσθητα.

Το σήμα μετατράπηκε από τους ερευνητές σε ηχητικό αρχείο, το οποίο τους επέτρεψε να ακούσουν τον ήχο δύο μελανών οπών που συγκρούονται.

 
O «ήχος» της σύγκρουσης δύο μελανών οπών


Από τη βαρύτητα στα βαρυτικά κύματα

Η μεγάλη επανάσταση που έφερε η Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν είναι ότι περιέγραψε τη δύναμη της βαρύτητας ως παραμόρφωση του χώρου και του χρόνου.

Αν κανείς φανταστεί τον τετρασδιάστατο χωροχρόνο ως επίπεδη επιφάνεια, οποιαδήποτε μάζα υπάρχει σε αυτήν την επιφάνεια δημιουργεί ένα βαθούλωμα, σαν να αφήνει κανείς ένα καρπούζι πάνω σε τεντωμένο σεντόνι.



Το 1916, ένα χρόνο μετά την δημοσίευση της θεωρίας της γενικής σχετικότητας, ο Αϊνστάιν προέβλεψε ότι τα αντικείμενα μεγάλης μάζας που κινούνται επιταχυνόμενα παράγουν κυματισμούς στο χωροχρόνο που διαδίδονται προς όλες τις κατευθύνσεις με την ταχύτητα του φωτός.

Τα κύματα αυτά ονομάστηκαν βαρυτικά επειδή παραμορφώνουν το «σεντόνι» του χωροχρόνου όπως η βαρύτητα.

Πρακτικά, τα βαρυτικά κύματα τεντώνουν το χώρο σε μια διάσταση (ας πούμε κατά μήκος) και τον συμπιέζουν σε μια άλλη (ας πούμε κατά πλάτος), μεταβάλοντας ανεπαίσθητα τις διαστάσεις των αντικειμένων που συναντούν την πορεία τους.

Το πρόβλημα είναι ότι δεν μπορεί να μετρήσει κανείς αυτή τη μεταβολή με έναν απλό χάρακα –ο ίδιος ο χάρακας θα μάκραινε ή θα γινόταν κοντύτερος μαζί με το αντικείμενο που θα έπρεπε να μετρήσει.

Τη λύση έδωσαν οι ανιχνευτές LIGO, οι οποίοι άρχισαν να συλλέγουν δεδομένα το 2001 και αναβαθμίστηκαν πέρυσι, λίγο πριν καταγράψουν το πολυπόθητο σήμα.

Καθένας από τους ανιχνευτές αποτελείται από δύο κάθετους βραχίονες μήκους 4 χιλιομέτρων, μέσα στους οποίους αναπηδούν δύο κάθετες δέσμες λέιζερ.

Τα λέιζερ ουσιαστικά συγκρίνουν διαρκώς το μήκος των δύο κάθετων σωλήνων και καταγράφουν απειροελάχιστες αποκλίσεις, 10.000 φορές μικρότερες από ένα πρωτόνιο -τόσο μικρές που οι μετρήσεις πρέπει να διακόπτονται κάθε φορά που περνά ένα τρένο σε απόσταση πολλών χιλιομέτρων ή ένα δέντρο πέφτει με γδούπο.

Το σήμα που καταγράφηκε στις 14 Σεπτεμβρίου υπολογίζεται ότι προέρχεται από τη σύγκρουση δύο μελανών οπών με μάζα 29 φορές και 36 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου.

Η σύγκρουση απελευθέρωσε ενέργεια που αντιστοιχεί σε 3 φορές τη μάζα του Ήλιου (η ενέργεια και η μάζα είναι ισοδύναμες στη Σχετικότητα) και εξαπλώθηκε στο Διάστημα από τα βαρυτικά κύματα.

Η ενέργεια αυτή είναι μεγαλύτερη από ό,τι εκπέμπουν στον ίδιο χρόνο όλα τα άστρα του ορατού Σύμπαντος μαζί.

«Είναι μακράν η πιο ισχυρή έκρηξη που έχει καταγράψει ο άνθρωπος μετά τη Μεγάλη Έκρηξη» επισήμανε ο Κιπ Θορν του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια (Caltech), βασικός συντελεστής της προσπάθειας

Πηγή 1
Πηγή 2