Ως μέρος της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, ο Αϊνστάιν προέβλεψε ότι η μάζα πρέπει να εκπέμπει κύματα βαρύτητας. Ωστόσο, θα είναι αδύναμα, επομένως θα χρειαζόταν πολύ ογκώδη αντικείμενα για να παράγουν κύματα ανιχνεύσιμα εδώ στη Γη. Ένα πείραμα που εργάζεται για την ανίχνευσή τους είναι το Παρατηρητήριο Βαρυσιολογικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (ή LIGO). Θα πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύει τα πιο ισχυρά κύματα βαρύτητας καθώς περνούν μέσα από τη Γη. Και ένα διαστημικό παρατηρητήριο που έχει προγραμματιστεί για εκτόξευση το 2015 που ονομάζεται LISA θα πρέπει να είναι ακόμα πιο ισχυρό.
Οι επιστήμονες είναι κοντά στο να δουν πραγματικά βαρυτικά κύματα. Πίστωση εικόνας: NASA
Η βαρύτητα είναι μια γνωστή δύναμη. Είναι ο λόγος του φόβου για τα ύψη. Κρατάει το φεγγάρι στη Γη, τη Γη στον ήλιο. Κρατά την μπύρα να μην επιπλέει από τα ποτήρια μας.
Αλλά πως? Στέλνει η Γη μυστικά μηνύματα στο φεγγάρι;
Λοιπόν, ναι — κάπως έτσι.
Ο Eanna Flanagan, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Cornell, έχει αφιερώσει τη ζωή του στην κατανόηση της βαρύτητας από τότε που ήταν φοιτητής στο University College του Δουβλίνου στην πατρίδα του, την Ιρλανδία. Τώρα, σχεδόν δύο δεκαετίες αφότου άφησε την Ιρλανδία για να σπουδάσει για το διδακτορικό του υπό τον διάσημο σχετικιστή Kip Thorne στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, η εργασία του επικεντρώνεται στην πρόβλεψη του μεγέθους και του σχήματος των βαρυτικών κυμάτων — ένα άπιαστο φαινόμενο που προβλέφθηκε από τη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν το 1916. αλλά που ποτέ δεν εντοπίστηκαν άμεσα.
Το 1974, οι αστρονόμοι Russell Hulse και Joseph H. Taylor Jr. του Πανεπιστημίου Πρίνστον μέτρησαν έμμεσα την επίδραση των κυμάτων βαρύτητας στα αστέρια νετρονίων που βρίσκονται σε τροχιά, μια ανακάλυψη που τους χάρισε το Νόμπελ Φυσικής το 1993. Χάρη στην πρόσφατη εργασία του Flanagan και των συναδέλφων του, οι επιστήμονες είναι τώρα στα πρόθυρα να δουν απευθείας τα πρώτα κύματα βαρύτητας.
Ο ήχος δεν μπορεί να υπάρχει στο κενό. Απαιτεί ένα μέσο, όπως ο αέρας ή το νερό, μέσω του οποίου θα μεταδώσει το μήνυμά του. Ομοίως, η βαρύτητα δεν μπορεί να υπάρχει στο τίποτα. Χρειάζεται επίσης ένα μέσο μέσω του οποίου θα μεταδώσει το μήνυμά του. Ο Αϊνστάιν θεώρησε ότι αυτό το μέσο είναι ο χώρος και ο χρόνος, ή το «χωροχρονικό ύφασμα».
Οι αλλαγές στην πίεση — ένα χτύπημα σε ένα τύμπανο, μια δονούμενη φωνητική χορδή — παράγουν ηχητικά κύματα, κυματισμούς στον αέρα. Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, οι αλλαγές στη μάζα - η σύγκρουση δύο αστέρων, η σκόνη που προσγειώνεται σε ένα ράφι - παράγουν κύματα βαρύτητας, κυματισμούς στο χωροχρόνο.
Επειδή τα περισσότερα καθημερινά αντικείμενα έχουν μάζα, τα κύματα βαρύτητας θα πρέπει να είναι παντού γύρω μας. Γιατί λοιπόν δεν μπορούμε να βρούμε κανένα;
«Τα ισχυρότερα κύματα βαρύτητας θα προκαλέσουν μετρήσιμες διαταραχές στη Γη 1.000 φορές μικρότερες από έναν ατομικό πυρήνα», εξήγησε ο Flanagan. «Η ανίχνευσή τους είναι μια τεράστια τεχνική πρόκληση».
Η απάντηση σε αυτή την πρόκληση είναι το LIGO, το Παρατηρητήριο Βαρυσιολογικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ, ένα κολοσσιαίο πείραμα που περιλαμβάνει μια συνεργασία περισσότερων από 300 επιστημόνων.
Το LIGO αποτελείται από δύο εγκαταστάσεις που απέχουν σχεδόν 2.000 μίλια μεταξύ τους — μία στο Χάνφορντ της Ουάσινγκτον και μία στο Λίβινγκστον της Λα. Κάθε εγκατάσταση έχει το σχήμα ενός γιγαντιαίου «L», με δύο βραχίονες μήκους 2,5 μιλίων από διάμετρο 4 ποδιών σωλήνες κενού εγκιβωτισμένοι σε σκυρόδεμα. Εξαιρετικά σταθερές ακτίνες λέιζερ διασχίζουν τους σωλήνες, αναπηδώντας ανάμεσα στους καθρέφτες στο άκρο κάθε βραχίονα. Οι επιστήμονες αναμένουν ότι ένα διερχόμενο κύμα βαρύτητας θα τεντώσει το ένα χέρι και θα πιέσει το άλλο, προκαλώντας τα δύο λέιζερ να διανύσουν ελαφρώς διαφορετικές αποστάσεις.
Η διαφορά μπορεί στη συνέχεια να μετρηθεί με «παρέμβαση» στα λέιζερ όπου τέμνονται οι βραχίονες. Είναι συγκρίσιμο με δύο αυτοκίνητα που κινούνται με ταχύτητα κάθετα προς ένα σταυροδρόμι. Αν διανύσουν την ίδια ταχύτητα και απόσταση, πάντα θα συντρίβονται. Αλλά αν οι αποστάσεις είναι διαφορετικές, μπορεί να χάσουν. Ο Flanagan και οι συνεργάτες του ελπίζουν σε μια δεσποινίδα.
Επιπλέον, το πόσο ακριβώς χτυπούν ή χάνουν τα λέιζερ θα παρέχει πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά και την προέλευση του βαρυτικού κύματος. Ο ρόλος του Flanagan είναι να προβλέπει αυτά τα χαρακτηριστικά, ώστε οι συνάδελφοί του στο LIGO να ξέρουν τι να αναζητήσουν.
Λόγω των τεχνολογικών ορίων, το LIGO είναι ικανό να ανιχνεύει βαρυτικά κύματα ορισμένων συχνοτήτων μόνο από ισχυρές πηγές, συμπεριλαμβανομένων των εκρήξεων σουπερνόβα στον Γαλαξία μας και των αστέρων νετρονίων που περιστρέφονται γρήγορα ή συντρέχουν είτε στον Γαλαξία μας είτε σε μακρινούς γαλαξίες.
Για την επέκταση των πιθανών πηγών, η NASA και ο Ευρωπαϊκός Διαστημικός Οργανισμός σχεδιάζουν ήδη τον διάδοχο του LIGO, LISA, το Laser Interferometer Space Antenna. Η ιδέα του LISA είναι παρόμοια με το LIGO, με τη διαφορά ότι τα λέιζερ θα αναπηδούν ανάμεσα σε τρεις δορυφόρους σε απόσταση 3 εκατομμυρίων μιλίων, ακολουθώντας τη Γη σε τροχιά γύρω από τον ήλιο. Ως αποτέλεσμα, ο LISA θα μπορεί να ανιχνεύει κύματα σε χαμηλότερες συχνότητες από το LIGO, όπως αυτά που παράγονται από τη σύγκρουση ενός αστέρα νετρονίων με μια μαύρη τρύπα ή τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών. Το LISA έχει προγραμματιστεί να κυκλοφορήσει το 2015.
Ο Flanagan και οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης αποκρυπτογράφησαν πρόσφατα την υπογραφή του βαρυτικού κύματος που προκύπτει όταν μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα καταπίνει ένα αστέρι νετρονίων στο μέγεθος του ήλιου. Είναι μια υπογραφή που θα είναι σημαντικό να αναγνωρίσει η LISA.
«Όταν πετάει το LISA θα πρέπει να βλέπουμε εκατοντάδες τέτοια πράγματα», σημείωσε ο Flanagan. «Θα είμαστε σε θέση να μετρήσουμε πώς ο χώρος και ο χρόνος στρεβλώνονται και πώς ο χώρος υποτίθεται ότι περιστρέφεται γύρω από μια μαύρη τρύπα. Βλέπουμε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και πιστεύουμε ότι είναι πιθανώς μια μαύρη τρύπα - αλλά αυτό είναι περίπου όσο έχουμε φτάσει. Θα είναι πολύ συναρπαστικό να δούμε επιτέλους ότι η σχετικότητα λειτουργεί πραγματικά».
Όμως, προειδοποίησε, «Μπορεί να μην λειτουργήσει. Οι αστρονόμοι παρατηρούν ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται. Μια εξήγηση είναι ότι η γενική σχετικότητα πρέπει να τροποποιηθεί: ο Αϊνστάιν είχε ως επί το πλείστον δίκιο, αλλά σε ορισμένα καθεστώτα τα πράγματα θα μπορούσαν να λειτουργήσουν διαφορετικά».
Ο Thomas Oberst είναι επιστημονικός συγγραφέας ασκούμενος στο Cornell News Service.
Αρχική πηγή: Πανεπιστήμιο Κορνέλ