Η πρώτη άμεση παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων πραγματοποιήθηκε το 2015 από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ (LIGO). Συγκεκριμένα, καταγράφηκαν τα κύματα που απελευθερώθηκαν τις τελευταίες στιγμές πριν από τη συγχώνευση δύο μελανών οπών σχετικά μικρής μάζας. Έκτοτε, έχουν εντοπιστεί δεκάδες παρόμοια συμβάντα. Τα κύματα αυτά μπορούν να γίνουν αισθητά για αρκετά δευτερόλεπτα ή για μερικά λεπτά, και κορυφώνονται σε υψηλές συχνότητες.
Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από υπερμεγέθεις μελανές οπές, όπως αυτές που συναντούμε στα κέντρα των γαλαξιών, αποτελεί ενεργό πεδίο έρευνας για τους σύγχρονους Αστρονόμους. Για το σκοπό αυτό, ερευνητικές ομάδες από την Βόρεια Αμερική, την Ευρώπη και την Αυστραλία έχουν δημιουργήσει τη συνεργασία International Pulsar Timing Array (IPTA). Η μέθοδος που ακολουθεί η IPTA βασίζεται στη λεπτομερή παρατήρηση και καταγραφή των σημάτων που λαμβάνουμε από τα πάλσαρ.
Τα πάλσαρ είναι αστέρες νετρονίων, οι οποίοι εκπέμπουν ακτινοβολία από τους μαγνητικούς πόλους τους, δημιουργώντας δύο “κώνους” φωτός. Καθώς, λοιπόν, ο αστέρας νετρονίων περιστρέφεται, ο κώνος αυτός σαρώνει το οπτικό μας πεδίο με συχνότητα ίση με τη συχνότητα περιστροφής του αστέρα. Έτσι, ανά τακτά χρονικά διαστήματα, βλέπουμε μια λάμψη από τη περιοχή του πάλσαρ. Η συμπεριφορά αυτή παρομοιάζεται με το φως που προέρχεται από έναν φάρο.
Ήδη από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, πολλοί Αστρονόμοι υποστήριξαν πως οι “φάροι” ακτινοβολίας των πάλσαρ θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων. Συγκεκριμένα, η μέθοδος που ακολουθεί η IPTA αποσκοπεί στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων μεγάλης διάρκειας, που ταλαντώνονται σε πολύ χαμηλότερες συχνότητες. Τέτοιου είδους σήματα προέρχονται κυρίως από ζεύγη υπερμεγέθων μελανών οπών, οι οποίες περιφέρονται η μια γύρω από την άλλη.
Εικόνα: NASA’s Goddard Space Flight Center/Science Photo Library
Οι περισσότεροι μεγάλοι γαλαξίες περιέχουν μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο τους. Όταν, λοιπόν, δύο γαλαξίες συγχωνεύονται, οι κεντρικές τους μελανές οπές βυθίζονται στο κέντρο του νεοσύστατου γαλαξία και αρχίζουν να περιφέρονται γύρω από το κοινό κέντρο μάζας τους. Αν τελικά έρθουν πολύ κοντά, τότε εκπέμπουν βαρυτικά κύματα. Δεδομένου ότι έχουν γίνει αμέτρητες συγχωνεύσεις γαλαξιών, το σύμπαν πρέπει να είναι πλούσιο σε αυτή τη μορφή βαρυτικών κυμάτων. Πώς μπορούμε όμως να τα ανιχνεύσουμε; Η απάντηση δίνεται από τις λεπτομερείς παρατηρήσεις της ακτινοβολίας των πάλσαρ.
Συγκεκριμένα, καθώς τα βαρυτικά κύματα διασχίζουν τον Γαλαξία μας, θα δημιουργούν παραμορφώσεις στο χώρο που μεσολαβεί ανάμεσα στο ηλιακό μας σύστημα και τους αστέρες νετρονίων. Ως αποτέλεσμα της καμπύλωσης του χωροχρόνου, τα σήματα από τα πάλσαρ θα πρέπει να φτάσουν σε εμάς λίγο νωρίτερα ή λίγο αργότερα από το αναμενόμενο. Συνεπώς, αυτές οι χρονικές διακυμάνσεις θα ακολουθούν ένα μοτίβο χαρακτηριστικό ενός βαρυτικού κύματος.
Tον χειμώνα του 2022, αυτή η μέθοδος φαίνεται να έφερε τα πρώτα σημαντικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, ανακοινώθηκε η ανίχνευση μιας μορφής “κόκκινου θορύβου”, με χαρακτηριστικά τέτοια ώστε να μπορεί, πιθανόν, να συσχετιστεί με βαρυτικά κύματα. Η εν λόγω έρευνα, δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Εικόνα: NRAO
Η ανακάλυψη αυτή, παρόλο που δεν αφορά την άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, αποτελεί ένα σπουδαίο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση. “Εάν ο κόκκινος θόρυβος δεν είχε παρατηρηθεί, οι κοσμολόγοι θα έπρεπε να αναθεωρήσουν τις προβλέψεις τους για την επικράτηση των υπερμεγέθων μελανών οπών, καθώς και τον ρόλο τους στην εξέλιξη του σύμπαντος”, αναφέρει ο καθηγητής Michael Kramer, ηγετικό μέλος της ευρωπαϊκής ομάδας για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων (EPTA).
Η προσέγγιση αυτή κρύβει αρκετές προκλήσεις και απαιτεί πολύ μεγάλη ακρίβεια. Παρά τις δυσκολίες, όμως, οι ερευνητές τα τελευταία χρόνια βελτίωσαν τις τεχνικές τους και συγκέντρωσαν περισσότερα δεδομένα. Τελικά, χάρη στην αξιοποίηση δεδομένων από 65 πάλσαρ, κατάφεραν να εντοπίσουν ενδείξεις ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων. Ο «κόκκινος»1 θόρυβος, τον οποίο κατέγραψαν στα σήματα που έλαβαν, είναι ισχυρός στις χαμηλότερες συχνότητες. Ένα τέτοιο χαρακτηριστικό αναμένεται να παρουσιαστεί όταν εμφανιστούν σήματα μεγάλου μήκους κύματος, όπως αυτά που αφορούν τις συγχωνεύσεις μεγάλων μαύρων τρυπών.
Τα νέα ευρήματα δεν μπορούν ακόμα να θεωρηθούν ως άμεση ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων, καθώς ο κόκκινος θόρυβος θα μπορούσε να έχει παραχθεί και από άλλους παράγοντες. Είναι σημαντικό, λοιπόν, να ελεγχθεί εάν αυτά τα σήματα ακολουθούν το κατάλληλο μοτίβο που αναμένεται από τις συγχωνεύσεις μελανών οπών, αλλά και να επιβεβαιωθούν από πρόσθετες μελλοντικές παρατηρήσεις.
Οι μελλοντικές προσπάθειες θα ενισχυθούν από τα δεδομένα χρονισμού πάλσαρ που συλλέγονται σε μεγάλα ραδιοαστρονομικά παρατηρητήρια στην Ινδία και τη Νότια Αφρική. Στη μελέτη αυτή αναμένεται, επίσης, να ενταχθεί και το σφαιρικό ραδιοτηλεσκόπιο διαμέτρου 500 μέτρων, της Κίνας.
1. Η ονομασία “κόκκινος” αναφέρεται στο γεγονός ότι η συχνότητα των βαρυτικών κυμάτων είναι χαμηλή. Εξάλλου, στο ορατό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, οι χαμηλές συχνότητες αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώμα.
