- ΒΑΡΥΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

Επιτέλους, ανίχνευση Βαρυτικών Κυμάτων!

Στις 11 Φεβρουαρίου 2016, επιστήμονες από τα δύο LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) των ΗΠΑ, ανακοίνωσαν επίσημα ότι το σύστημα «άκουσε» τα βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση δύο «μαύρων τρυπών», περίπου 1.3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά (δηλαδή ένα γεγονός που συνέβει πριν από 1.3 δισεκατομμύρια έτη).

Να σημειωθεί εδώ, ότι όπως προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, στο όριο της ταχύτητας του φωτός υπακούουν επίσης και τα βαρυτικά κύματα, αυτά δηλαδή που αντιλαμβανόμαστε σαν βαρυτικό πεδίο.

Για παράδειγμα, αν ένας πανίσχυρος «μάγος» εξαφάνιζε ακαριαία τη Σελήνη από τον ουρανό, όπως πράγματι πίστευαν παλαιότερα ότι συνέβαινε όταν η Σελήνη ήταν στη «χάση» της, η έλλειψη του βαρυτικού της πεδίου, στις παλίρροιες πχ, θα γινόταν αισθητή μετά από περίπου 1 δευτερόλεπτο (τόσος είναι ο χρόνος που κάνει και το φως να έλθει από τη Σελήνη στη Γη).

1^η Εικόνα: Πώς παρήχθησαν τα βαρυτικά κύματα, από τη συγχώνευση των μαύρων τρυπών.

2^η Εικόνα: Η διάταξη των σωλήνων και η διαδρομή των ακτίνων laser.

3^η Εικόνα: Πώς δημιουργείται η διαφορά φάσης των ακτίνων laser ανάλογα με την καθυστέρηση τους, εξαιτίας της επίδρασης των βαρυτικών κυμάτων στο μήκος ενός από τους δύο σωλήνες.

4^η Εικόνα: Πού είναι εγκατεστημένοι ανιχνευτές LIGO. Οι δύο στις ΗΠΑ με κόκκινο χρώμα, είναι αυτοί που εμπλέκονται στη συγκεκριμένη ανίχνευση.

Στη συγκεκριμένη περίπτωση, αυτό που ανιχνεύθηκε στις 14 Σεπτεμβρίου του 2015 (και ανακοινώθηκε επίσημα στις 11 Φεβρουαρίου του 2016), ήταν η συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών σε μία, με συνολική μάζα 62 φορές τη ηλιακή και χάνοντας 3 ηλιακές μάζες κατά τη διαδικασία, οι οποίες μετατράπηκαν σε ενέργεια βαρυτικών κυμάτων.

Η μεγάλη επιτυχία της παρατήρησης ήταν ότι για πρώτη φορά, και μάλιστα μετά από 100 χρόνια, επιβεβαιώθηκε η πρόβλεψη που απορρέει από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, ότι δηλαδή η βαρύτητα μεταδίδεται με κύματα.

Η ειρωνία είναι ότι ο ίδιος ο Αϊνστάιν δεν πίστευε στην ύπαρξη μαύρων τρυπών, αλλά η επιβεβαίωση της θεωρίας του όπως φάνηκε, τις είχε ανάγκη!

Φυσικά, έπρεπε να υπάρχει σε λειτουργία ο κατάλληλος υπερ-ευαίσθητος ανιχνευτής, τη στιγμή που ο απόηχος των βαρυτικών κυμάτων θα έφτανε στη Γη, περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά από το ίδιο το γεγονός. 

Η αρχή λειτουργίας των ανιχνευτών αυτών (σήμερα υπάρχουν τέσσερεις σε λειτουργία παγκόσμια), είναι σχετικά απλή.

Αποτελούνται από δύο κάθετους μεταξύ τους σωλήνες επάνω στο έδαφος, μήκους 4 km ο καθένας, που μέσα τους επικρατεί πολύ υψηλό κενό.

Μια μοναδική πηγή laser παράγει μία ακτίνα που με ένα σύστημα καθρεφτών χωρίζεται σε δύο δέσμες που διατρέχουν κατά μήκος τους σωλήνες, ανακλώνται σε καθρέφτες στις άκρες τους και επιστρέφουν πίσω, όπου συμβάλλουν (γιαυτό και συμβολόμετρο) για να διαπιστωθεί αν έχει προκύψει μετατόπιση της φάσης (των φωτεινών κυμάτων) του ενός, σε σχέση με τον άλλο.

Μια τέτοια συμβολή εκτός φάσης, θα μεταφραστεί σ' ένα στιγμιαίο ηχητικό "βούμπ"  που ηλεκτρονικά ενισχυμένο θα ακουστεί στην αίθουσα ελέγχου.

Η αιτία της εκτός φάσης συμβολής, θα είναι η απειροελάχιστη μεταβολή του μήκους του ενός σωλήνα σε σχέση με τον άλλον, καθώς θα τους διασχίσουν (με διαφορετική γωνία) τα βαρυτικά κύματα ενός πολύ σημαντικού βαρυτικού συμβάντος.

Το μυστικό (και η δυσκολία) βρίσκεται στην ακρίβεια που πρέπει να έχει η κατασκευή, αφού πρέπει να ανιχνεύονται διαφορές στο μήκος της διαδρομής των δύο ακτίνων, της τάξης των 10^-18 m, μία διάσταση 1000 φορές μικρότερη από τη διάμετρο ενός πρωτονίου!
Και αυτό επειδή τα βαρυτικά κύματα είναι πάρα πολύ ασθενικά, και αυτή είναι παρεπιπτόντως και η βασική δυσκολία για να εννοποιηθεί η βαρύτητα με τις άλλες τρείς πρωταρχικές δυνάμεις της φύσης.

Αν όμως αναλογιστεί κανείς τις τεράστιες αποστάσεις που ταξιδεύουν τα βαρυτικά κύματα για να φτάσουν στους ανιχνευτές μας και ότι η έντασή τους μειώνεται με το αντίστροφο τετράγωνο της απόστασης, μια τέτοια ακρίβεια δεν φαίνεται υπερβολική. 
Μάλιστα, λίγο πριν την ιστορική ανίχνευση είχε ολοκληρωθεί μια σημαντική αναβάθμιση του ανιχνευτή που πολλαπλασίασε τις δυνατότητές του, ενώ περισσότερες βελτιώσεις προβλέπεται να συνεχίσουν να γίνονται μέχρι το 2021.

Κάτι ανάλογο με τα βαρυτικά κύματα, που μπορούμε να το παρατηρήσουμε με τα μάτια μας, είναι το κρουστικό κύμα που δημιουργείται από μία ισχυρή έκρηξη. Προσέξτε πώς το κύμα στα όριά του παραμορφώνει (οπτικά) τις διαστάσεις, και φανταστείτε ότι κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και με το βαρυτικό κύμα, μόνο που η επίδρασή του στις διαστάσεις είναι πραγματική. Ευτυχώς οι κοσμικές εκρήξεις συμβαίνουν πολύ μακριά.

Η ανακάλυψη ήλθε την κατάλληλη στιγμή για να δώσει τέλος σε μια αναμονή τουλάχιστον μιας δεκαετίας, κατά την οποία έχουν ξοδευτεί δισεκατομμύρια δολάρια για την κατασκευή και λειτουργία των εγκαταστάσεων LIGO, χωρίς (μέχρι πρόσφατα) κάποιο αποτέλεσμα.

Η παρατήρηση έγινε από τα δύο LIGO που λειτουργούν στις ΗΠΑ (τα δύο ευρωπαϊκά ήταν εκτός υπηρεσίας), και μάλιστα με χρονική διαφορά 7 ms, χρόνος που είναι ενδεικτικός της διαδοχικής «σάρωσης» των δύο ανιχνευτών από τα βαρυτικά κύματα. 

Η επιβεβαίωση της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων είναι τουλάχιστον εξίσου σημαντική με την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, και είναι εξίσου πιθανόν ότι θα αποφέρει ένα αντίστοιχο βραβείο Νόμπελ.

                                                                                                Γ. Μεταξάς