Στις 28 & 29 Ιουνίου του 2023 έγιναν ανακοινώσεις ιστορικής σημασίας για την Αστροφυσική και την Κοσμολογία: ανακαλύφθηκε το κοσμικό βουητό του Σύμπαντος, ένα σύνολο βαρυτικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας, που προέρχονται από όλες τις κατευθύνσεις του ουρανού.
Τι είναι, όμως, τα βαρυτικά κύματα και γιατί είναι τόσο σημαντική αυτή η ανακάλυψη;
1. Βαρυτικά κύματα
Η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων προβλέπεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einstein. Σύμφωνα με αυτήν, τα σώματα που επιταχύνουν μέσα στον χώρο δημιουργούν κυματισμούς. Αυτοί οι κυματισμοί θυμίζουν τα κύματα της θάλασσας, με τη διαφορά ότι αυτό που ταλαντώνεται σε αυτή την περίπτωση δεν είναι το νερό ή κάποιο άλλο υλικό, αλλά το ίδιο το ύφασμα του χωροχρόνου. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν μέσα στο διάστημα αλλοιώνοντας τη γεωμετρία του χώρου και όλων των σωμάτων που συναντούν στο διάβα τους. Βέβαια, οι μεταβολές στις διαστάσεις των σωμάτων είναι τόσο μικρές που είναι αδύνατο να γίνουν αντιληπτές από εμάς.
Η πιο χαρακτηριστική περίπτωση σωμάτων που επιταχύνουν παράγοντας βαρυτικά κύματα είναι τα διπλά συστήματα μαύρων τρυπών. Δύο μαύρες τρύπες που περιφέρονται η μια γύρω από την άλλη εκπέμπουν βαρυτικά κύματα, καθώς πλησιάζουν όλο και πιο κοντά, μέχρι τελικά να συνενωθούν σε μια μεγαλύτερη μαύρη τρύπα.
2. Η πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων
Τα πρώτα βαρυτικά κύματα ανιχνεύθηκαν το 2015 χάρη στο συμβολόμετρο LIGO. Υπάρχουν δύο διατάξεις LIGO, μια στη Λουιζιάνα και μια στην Ουάσινγκτον. Καθεμιά από αυτές έχει δύο κάθετους μεταξύ τους σωλήνες μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων. Οι διατάξεις αξιοποιούν καθρέπτες και δέσμες laser ώστε να μπορούν να ανιχνεύουν μεταβολές στο σχήμα των σωλήνων όταν διέρχεται ένα βαρυτικό κύμα μέσα από αυτούς.
Τα πρώτα βαρυτικά κύματα που ανιχνεύθηκαν προέρχονταν από τη συνένωση δύο μαύρων τρυπών σχετικά μικρής μάζας (36 και 29 ηλιακών μαζών). Από τότε έχουν ανιχνευθεί και άλλα τέτοια φαινόμενα, επιβεβαιώνοντας ξανά και ξανά τη Θεωρία της Σχετικότητας κι ανοίγοντας ένα νέο παράθυρο στο Σύμπαν.
3. Οι περιορισμένες δυνατότητες των ανιχνευτών
Δυστυχώς, υπάρχει ένα όριο στις δυνατότητες των ανιχνευτών που διαθέτουμε. Μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο βαρυτικά κύματα υψηλής συχνότητας, όπως αυτά που προέρχονται από συστήματα μικρών μαύρων τρυπών ή αστέρων νετρονίων. Όμως, αδυνατούν να δουν συγκρούσεις και κινήσεις σωμάτων πολύ μεγαλύτερης μάζας, όπως είναι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.
Εάν δύο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες περιφέρονται η μια γύρω από την άλλη, τότε τα βαρυτικά κύματα που παράγουν έχουν χαμηλή συχνότητα. Άρα, για να τα ανιχνεύσουμε, χρειαζόμαστε πολύ μεγαλύτερες διατάξεις από αυτές που έχουμε στη Γη. Για την ακρίβεια, χρειαζόμαστε διατάξεις συγκρίσιμες με το μέγεθος του Γαλαξία μας! Προφανώς, δε θα μπορέσουμε ποτέ να φτιάξουμε τόσο μεγάλους ανιχνευτές. Πώς θα μπορούσαμε, λοιπόν, να ανιχνεύσουμε αυτά τα βαρυτικά κύματα;
4. Ένα αστεροσκοπείο φτιαγμένο από pulsars
Η λύση που βρήκαν οι ερευνητές σε αυτό το πρόβλημα είναι πραγματικά ιδιοφυής. Ίσως να μην μπορούμε να φτιάξουμε ένα γιγάντιο αστεροσκοπείο στο μέγεθος του Γαλαξία, αλλά μπορούμε να αξιοποιήσουμε τα pulsars, που είναι τα πιο τέλεια φυσικά ρολόγια που γνωρίζουμε και είναι διάσπαρτα στον Γαλαξία.
Τα pulsars είναι ταχύτατα περιστρεφόμενοι αστέρες νετρονίων, υπολείμματα γιγάντιων άστρων που έφτασαν στο τέλος της ζωής τους. Καθώς περιστρέφονται, εκπέμπουν ακτινοβολία σε στενές δέσμες και έτσι λειτουργούν σαν κοσμικοί φάροι. Όταν, λοιπόν, παρατηρούμε ένα pulsar δεχόμαστε παλμούς ακτινοβολίας σε τακτά χρονικά διαστήματα με τέλεια ακρίβεια.
Εάν, όμως, περάσει ένα βαρυτικό κύμα και παραμορφώσει τον χωροχρόνο ανάμεσα σε εμάς και το pulsar θα υπάρξουν μικρές ατέλειες στην άφιξη των παλμών. Δηλαδή μπορεί να υπάρξουν καθυστερήσεις της τάξης των εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου. Βέβαια, ένα pulsar από μόνο του δεν μπορεί να μας δώσει πλήρη εικόνα. Για αυτό, έγινε μια μακρόχρονη παγκόσμια προσπάθεια, με χρήση ραδιοτηλεσκοπίων από όλο τον πλανήτη για να συλλεχθούν στοιχεία από δεκάδες pulsars.
Ομάδες από Αμερική, Ευρώπη, Ιαπωνία, Ινδία και Αυστραλία κατάφεραν τελικά να εντοπίσουν το κρυμμένο βουητό των βαρυτικών κυμάτων. Για παράδειγμα, το αμερικάνικο πρόγραμμα NANOGrav μελέτησε 68 pulsars για 15 χρόνια, αξιοποιώντας -μεταξύ άλλων- το ραδιοτηλεσκόπιο του Arecibo. Τα 68 pulsars του NANOGrav δημιούργησαν ένα γιγάντιο αστεροσκοπείο συγκρίσιμο με το μέγεθος του Γαλαξία μας, το οποίο κατάφερε τελικά να ανιχνεύσει το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων. Την ίδια επιτυχία σημείωσε το ευρωπαϊκό EPTA, συλλέγοντας δεδομένα από 25 pulsars επί 25 χρόνια.
(Πηγή: NANOGrav)
Η πιθανότητα λανθασμένων συμπερασμάτων των μελετών που δημοσιεύθηκαν είναι κάτω από 1/1000 και όσο προστίθενται περισσότερα pulsars και δεδομένα θα μειωθεί ακόμα περισσότερο.
5. Η προέλευση του υποβάθρου των βαρυτικών κυμάτων
Η πιο πιθανή πηγή του υποβάθρου των βαρυτικών κυμάτων είναι διπλά συστήματα γιγάντιων μαύρων τρυπών οι οποίες συγχωνεύονται. Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έχουν μάζες εκατομμυρίων ή δισεκατομμυρίων ηλιακών μαζών και δεν έχουμε παρατηρήσει ποτέ με άμεσο τρόπο συγχώνευσή τους. Πιθανότατα συμβαίνουν όταν δύο γαλαξίες συγκρούονται, με αποτέλεσμα να έρθουν πολύ κοντά οι κεντρικές μαύρες τρύπες τους. Όλες αυτές οι συγχωνεύσεις δημιουργούν έναν ωκεανό βαρυτικών κυμάτων που καταλαμβάνει όλο τον χώρο του Σύμπαντος.
Στο υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων μπορούν να συνεισφέρουν επίσης άλλα φαινόμενα που σχετίζονται με τη γέννηση, τη δομή και τη διαστολή του Σύμπαντος, και, επομένως, η μελέτη του θα έχει τεράστιο ενδιαφέρον για την Κοσμολογία. Εξάλλου, όπως έχουμε αναφέρει σε προηγούμενο επεισόδιο, υπάρχει ένα όριο στο πόσο πίσω στο παρελθόν μπορούμε να δούμε μέσω του φωτός/της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Το όριο αυτό είναι περίπου τα 370-380 χιλιάδες χρόνια μετά το Big Bang, μιας και το φως ήταν αδύνατο να ταξιδέψει ελεύθερα πριν από αυτή την εποχή. Έτσι, φτάνει σε μας ένα διάχυτο φως που προέρχεται από εκείνη την εποχή, το οποίο το ονομάζουμε «Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου».
Όμως, το νέο υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων που ανακαλύφθηκε δεν έχει τέτοιο όριο και μπορεί θεωρητικά να μας δώσει πληροφορίες ακόμα και για γεγονότα που συνέβησαν μέσα στα πρώτα 300.000 χρόνια ύπαρξης του Σύμπαντος.
6. Το πρόβλημα του τελευταίου παρσέκ
Οι συχνότητες των βαρυτικών κυμάτων που ανιχνεύθηκαν υποδηλώνουν ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες πλησιάζουν πολύ κοντά μεταξύ τους, ώστε να μπορούν να συνενωθούν. Ωστόσο, τα μοντέλα συγχώνευσης γαλαξιών δείχνουν ότι στις περισσότερες περιπτώσεις αυτές οι γιγάντιες μαύρες τρύπες δε θα καταφέρουν ποτέ να πλησιάσουν τόσο πολύ. Αντίθετα, θα καταλήξουν να περιφέρονται η μια γύρω από την άλλη για δισεκατομμύρια χρόνια, σε απόσταση περίπου ενός παρσέκ, δηλαδή 3,3 ετών φωτός.
(Η εικόνα δημιουργήθηκε στο MidJourney)
Με άλλα λόγια, στις χρονικές κλίμακες της ηλικίας του Σύμπαντος, δεν υπάρχει γνωστός μηχανισμός για να πλησιάσουν περισσότερο ή να συγχωνευτούν. Αυτή η αντίφαση ανάμεσα στα βαρυτικά κύματα που ανιχνεύθηκαν και τα μοντέλα μας είναι γνωστή ως «το πρόβλημα του τελευταίου παρσέκ» και παραμένει ένα αίνιγμα το οποίο θα πρέπει να λύσει η επιστημονική κοινότητα στο μέλλον.
Θα βρείτε περισσότερες πληροφορίες στην περιγραφή του βίντεο στο YouTube.
