από metereologos.gr
Κυριακή 22 Απριλίου 2018
 
 

LIGO: Κραυγές και ψίθυροι από το Σύμπαν

Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από το παρατηρητήριο LIGO υπήρξε το μεγαλύτερο επιστημονικό γεγονός των τελευταίων ετών. Διαβάστε πώς επετεύχθη και τι πραγματικά σημαίνει
LIGO: Κραυγές και ψίθυροι από το Σύμπαν
εκτύπωσημικρό μέγεθος  μεγάλο μέγεθος

 

Πόσο χρόνο χρειάζεται να πεις «ουπς»; Προφανώς όχι παραπάνω από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Κάπως έτσι όμως, αρχίζοντας την κουβέντα με αυτό το «ουπς», προσπαθεί κάθε φορά ο κύριος Βάις, για όσους δεν ξέρουν πολλά, να δώσει μια αμυδρή ιδέα για το πόση μπορεί να ήταν η διάρκεια του σήματος που καταγράφηκε στις 24 Σεπτεμβρίου 2015 στις εγκαταστάσεις των δύο LIGO, προκαλώντας τεράστια αίσθηση στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα. Και αναγκάζοντας ουσιαστικά, μόλις δύο χρόνια μετά, την πολύ συντηρητική σουηδική Ακαδημία να δώσει, γι' αυτό το σήμα με διάρκεια μερικών δεκάτων του δευτερολέπτου, το Νομπέλ της Φυσικής στους τρεις πιο βασικούς αρχιτέκτονες της όλης προσπάθειας. Το μισό στον Ράινερ Βάις για την όλη κατασκευή, και από ένα τέταρτο στους Μπάρι Μπαρίς για τον συντονισμό του όλου σχεδίου και στον Κιπ Θορν για τη θεωρητική θεμελίωση.

Χρειάστηκε να περάσουν τρία μόλις λεπτά πριν το σήμα αυτό τραβήξει την προσοχή της βάρδιας, στις 4 το πρωί, αλλά και πολλές εβδομάδες ακόμη, έως την οριστική αναγγελία τον επόμενο Φεβρουάριο. Για να πιστέψουν (και να ελέγξουν ότι δεν ήταν κάποιος χάκερ που τους έκανε πλάκα!) αυτό που είδαν πρώτοι οι περίπου χίλιοι ερευνητές και τεχνικοί στις εγκαταστάσεις των δύο Παρατηρητηρίων για τα Κύματα Βαρύτητας, δηλαδή στα LIGO του Hanford στην Ουάσιγκτον και του Livingstone στη Λουιζιάνα. Οτι δηλαδή είχαν πραγματικά στα χέρια τους την απευθείας απόδειξη γι' αυτό που επί εκατό χρόνια ακριβώς ακόμη και ο ίδιος ο Αϊνστάιν είχε αμφιβολίες ότι μπορεί να υπήρχε. Το αποτύπωμα από ένα κύμα βαρύτητας. Αυτό της 24ης Σεπτεμβρίου είχε δημιουργηθεί πριν από 1 δισεκατομμύριο 300 χιλιάδες χρόνια, σε κάποιο μακρινό για εμάς σημείο του Σύμπαντος, χάρη σε ένα γεγονός γιγαντιαίων διαστάσεων, για τα γήινα μέτρα, και έφθασε στη Γη το 2015!

Δύο μαύρες οπές, με τεράστιες μάζες, η μία όσο 36 δικοί μας Ηλιοι μαζί και η άλλη όσο 29 Ηλιοι μαζί, φθάνουν, μετά από έναν ιλιγγιώδη «κυκλικό χορό», 250 περιστροφών το δευτερόλεπτο, ένα pas des deux γιγάντων δηλαδή, να αποτελέσουν ένα σώμα με μάζα όσο 62 Ηλιοι. Και αυτό το έλλειμμα (αφού 36+29=65) το ίσο με τη μάζα 3 Ηλίων, να αντιστοιχεί σε μια «εξαΰλωση» όπως πολύ πρόχειρα θα λέγαμε, που δίνει μια αντίστοιχα τεράστια ποσότητα ενέργειας. Αυτή, γενικά, η μετατροπή της μάζας σε ενέργεια σε διάφορα φαινόμενα ήταν προβλεπόμενη από το 1915, με τη Θεωρία του Αϊνστάιν. Αλλά για το ότι μπορούσαν να παραχθούν από μια τέτοια μετατροπή βαρυτικά κύματα και μάλιστα ανιχνεύσιμα από συσκευές εδώ στη Γη αμφέβαλλε και ο ίδιος ο Αϊνστάιν.


«Και αν υπάρχουν, πώς είναι;»


Αυτή η φράση ανήκει στον Ενρίκο Φέρμι και ειπώθηκε όταν θέλησε να εκφράσει τους όποιους ενδοιασμούς του για την ύπαρξη των εξωγήινων. Η ίδια φράση όμως θα πήγαινε πολύ καλά και στα πρώτα χρόνια της αναζήτησης σχετικά με τα βαρυτικά κύματα.

Δυσκολεύεσαι να το πιστέψεις, αλλά είναι αλήθεια πως το 1936 ο διάσημος και τότε πατέρας της Θεωρίας της Σχετικότητας είχε στείλει μια εργασία στο μεγάλου κύρους επιστημονικό περιοδικό «Physical Review Letters», όπου προσπαθούσε να αποδείξει ότι τέτοια κύματα δεν θα μπορούσαν να υπάρξουν. Για καλή όμως τύχη όλων μας, αυτός που εξέτασε την εργασία προτού δημοσιευθεί, ήταν τόσο καλός γνώστης του θέματος ώστε βρήκε λάθη και απέτρεψε τη δημοσίευσή της. Επρεπε να φθάσει το 1974 μέχρι να βεβαιωθούν όλοι ότι η θεωρία μπορούσε να επαληθευτεί και ως προς την ύπαρξή τους αλλά και για τη δυνατότητα διάδοσής τους μέσα στο Σύμπαν. Μόνο που αυτό έγινε κάπως έμμεσα. Οι Χάλς και Τέιλορ, στο Αστεροσκοπείο του Αρεσίμπο, στο Πουέρτο Ρίκο, παρατήρησαν πολύ προσεκτικά ένα ζευγάρι αστέρων νετρονίων, που για καλή τους τύχη ο ένας εξέπεμπε και ραδιοσήματα, ήταν δηλαδή ένα πάλσαρ. Στο ζευγάρι αυτό, γνωστό ως PSR 1913+16, ο ένας πλησίαζε τον άλλον βαθμιαία, ακολουθώντας σπειροειδή τροχιά και ταυτόχρονα εκπέμποντας ενέργεια που μπόρεσαν να υπολογίσουν και από εκεί να συμπεράνουν με σιγουριά ότι ταυτόχρονα έπρεπε να έχουμε την εκπομπή ενός βαρυτικού κύματος όπως το περιέγραφε η θεωρία του Αϊνστάιν. Από τότε κάποιοι άλλοι ερευνητές έβαλαν ως στόχο να κατασκευάσουν αυτές τις συσκευές, που θα μπορούσαν να δώσουν και στο χαρτί ενός καταγραφικού οργάνου (τότε) ή στην οθόνη ενός υπολογιστή τώρα αυτό το στιγμιαίο πέρασμα και από τα μέρη τους του κύματος. Ενα αδιάψευστο ίχνος τρομακτικής έντασης γεγονότων στο Σύμπαν. Μια μακρινή κραυγή στα βάθη του Σύμπαντος που φθάνει στην επιφάνεια της Γης ως ένας ψίθυρος με διάρκεια μόλις ένα πέμπτο του δευτερολέπτου.


Οταν το λίγο LIGO γίνεται πολύ


Τρεις είναι οι βασικές διαφορές ενός LIGO από ένα τηλεσκόπιο. Δεν ενδιαφέρεται για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, άρα και το ορατό φως. Δεν συγκεντρώνει ακτίνες σε κάποιο πιάτο ή σε άλλη επίπεδη επιφάνεια και χρειάζεται δύο βραχίονες απόλυτα ίσους για να λειτουργήσει. Είναι ένα «συμβολόμετρο».

Η βασική ιδέα είναι απλή. Στέλνονται συνεχώς δύο ακτίνες λέιζερ με τη μορφή εντελώς όμοιων κυμάτων προς τον καθρέφτη που βρίσκεται στο τέλος καθενός από δύο βραχίονες κάθετους μεταξύ τους. Οταν αυτές συναντώνται στον γυρισμό, μετά την ανάκλασή τους, ρυθμίζεται έτσι το μήκος και αλληλοεξουδετερώνονται. Αρα τον περισσότερο χρόνο δεν έχουμε τίποτα, κανένα σήμα. Οταν όμως έρχεται ένα βαρυτικό κύμα, περνώντας από τον κάθε βραχίονα αλλάζει για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μόνο τη συμπεριφορά του χώρου, προκαλώντας στον έναν βραχίονα μια απειροελάχιστη επιμήκυνση και στον άλλον αντίθετα μια συρρίκνωση. Αυτή η απόκλιση από την προηγούμενη πλήρη ισότητα των βραχιόνων δίνει μια διαφορά στα κύματα των ακτίνων λέιζερ, που δίνει πλέον ένα φωτεινό σήμα, μια κυματική εικόνα σε οθόνη και χαρτί, αλλά, χάρη και σε μια μικρή μετατροπή, ακούγεται και ένας φευγαλέος ήχος, σαν τιτίβισμα πουλιού.

Ο Ράινερ Βάις ξεκίνησε με ένα απλό σχετικά συμβολόμετρο που ο κάθε βραχίονας είχε μήκος μόλις ένα μέτρο. Μετά οι βραχίονες έγιναν 40 μέτρα ο καθένας. Και σήμερα, που ακόμη πηγαίνει και βλέπει πώς πάνε οι έρευνες, έχει μπροστά του μία εγκατάσταση που:
˜
Εχει ακριβώς μια δίδυμη εγκατάσταση 3.000 χιλιόμετρα πιο μακριά έτσι ώστε να είναι βέβαιο πως το τυχόν «καλό» σήμα που πιάνει το ένα μηχάνημα δεν οφείλεται σε τοπική διαταραχή.
˜
Ο κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 χιλιόμετρα αλλά με ένα τέχνασμα που χρησιμοποιείται ώστε η κάθε ακτίνα λέιζερ να πηγαινοέρχεται 280 φορές και ανάμεσα σε δύο άλλα ενδιάμεσα σημεία κατά την επιστροφή της ώστε η κάθε διαδρομή στον βραχίονα να είναι τελικά κοντά στα 1.100 χιλιόμετρα.
˜
Ο κάθε καθρέφτης στο τέλος της διαδρομή ζυγίζει 42 κιλά, έχει σχεδόν μηδενικές απώλειες ανάκλασης και είναι αναρτημένος με σύστημα τετραπλού εκκρεμούς και στο τελευταίο κρέμεται από ειδικά νήματα πιο λεπτά και από μια τρίχα, από μη μεταλλικό υλικό για να μην υπάρχουν διαστολές και οξειδώσεις.
˜
Στον κάθε σωλήνα διαμέτρου 1,2 μέτρων και μήκους 4 χιλιομέτρων όπου είναι η διαδρομή της ακτίνας λέιζερ επικρατεί το μεγαλύτερο κενό αέρος που υπάρχει στη Γη.
˜
Ο κάθε βραχίονας περιβάλλεται από τσιμεντένιο κέλυφος, η διαδρομή είναι απόλυτα οριζόντια αφού έλαβαν υπόψη ακόμη και την ελάχιστη καμπυλότητα που έχει φυσιολογικά το έδαφος στη διαδρομή των 4 χιλιομέτρων.
˜
Ετσι ανιχνεύεται μια επιμήκυνση της διαδρομής όταν περάσει βαρυτικό κύμα που μπορεί να είναι πιο μικρή κατά 1.000 φορές από ένα πρωτόνιο.



Υπάρχει μέλλον για αυτό;


Ωραία, μπορεί εύκολα και αβίαστα να σκεφτεί κάποιος, οι τρεις τους, Βάις, Θορν και Μπαρίς, ανταμείφθηκαν (και μέσω αυτών και οι άλλοι χίλιοι διακόσιοι συνεργάτες τους από 18 διαφορετικές χώρες) για την επιμονή τους. Απέδειξαν ότι υπάρχουν, και στα σίγουρα πλέον, αφού από τον Σεπτέμβριο του 2015 μέχρι τον Αύγουστο του 2017 έχουν καταγραφεί ήδη άλλα τέσσερα ανάλογα συμβάντα. Ανοιξαν οι ουρανοί δηλαδή. Ενώ στον κόσμο γύρω κατασκευάζονται νέα LIGO.  

Ο προϋπολογισμός του έργου όταν ξεκίνησε ήταν πολύ κοντά στα 200 εκατομμύρια δολάρια και στο τέλος υπολογίστηκε ότι μέσα σε ένα διάστημα 40 ετών κόστισε στον αμερικανό φορολογούμενο 1,1 δισεκατομμύρια δολάρια. Αρκετοί έθεσαν το ερώτημα αν άξιζε τον κόπο. Επιχειρήματα έχουν και οι δύο πλευρές.

Οι σκεπτικιστές, μεταξύ άλλων, ισχυρίζονται ότι:
˜
Το ποσό που δαπανήθηκε ήταν τεράστιο. Και θα μπορούσαν τα χρήματα αυτά να πάνε σε άλλους τομείς της έρευνας, ιδιαίτερα για την Υγεία, για καινούργια καύσιμα και το Περιβάλλον.
˜
Οταν τα χρήματα για την έρευνα είναι ορισμένα, τα παραπάνω χρήματα λείπουν αντίστοιχα από αλλού.
˜
Για κάτι που ήταν γνωστό πως υπήρχε και δεν το αμφισβητούσε κάποιος, ήδη από το 1974, ποιος ο λόγος να δουλέψουν τόσοι επιστήμονες;
˜
Ούτε τη Θεωρία του Αϊνστάιν για την καμπύλωση του χωροχρόνου ούτε την ειδική σχετικότητα χρειαζόταν να την επιβεβαιώσει ένα τόσο μεγάλο έργο. «Δουλεύουν» καλά. Αλλωστε το σύστημα GPS αποδίδει με πολλή ακρίβεια χάρη σε αυτές τις θεωρίες.
˜
Δεν υπάρχει κάποιο πρακτικό όφελος από όλη αυτή την προσπάθεια.

Αυτοί που δεν συμφωνούν μαζί τους αντιτείνουν:
˜
Το ποσό δεν είναι και τόσο μεγάλο αν κάνεις τη διαίρεση με τα σαράντα χρόνια.
˜
Δεν είναι και τόσο σίγουρο πως τα χρήματα θα πήγαιναν σε Υγεία ή Περιβάλλον.
˜
Δεν είναι μόνο τα κύματα που προκύπτουν από τα ζευγάρια των μαύρων οπών αλλά αρκετά περισσότερα φαινόμενα σε ολόκληρο το Σύμπαν που δίδουν την αφορμή για να εμφανιστούν τα βαρυτικά κύματα.
˜
Επιτέλους οι Φυσικοί έκαναν και κάτι χειροπιαστό και επιβεβαίωσαν κάτι. Γιατί έχουμε πλέον κουραστεί (να πληρώνονται) για όλες αυτές τις αναπόδεικτες θεωρίες: Χορδές, Κβαντική Βαρύτητα, Παράλληλα Σύμπαντα.
Η Σουηδική Ακαδημία θέλει πολύ να δίνει το Νομπέλ εκεί που πιστεύει ότι μια ανακάλυψη ανοίγει έναν καινούργιο τομέα στην έρευνα. Ενας βασικός λόγος λοιπόν που έσπευσε να απονείμει στους τρεις το Νομπέλ της Φυσικής για το 2017, μόλις δύο χρόνια μετά την εμφάνιση του πρώτου σήματος, ήταν και το ότι πραγματικά άνοιξε ένα νέο πεδίο.

Οπως εμφατικά αναφέρθηκε, με τα τηλεσκόπια έως σήμερα «βλέπαμε». Τώρα με τα LIGO πλέον μπορούμε χωρίς να βλέπουμε να έχουμε αντίληψη πολύ βαθύτερα για ένα φαινόμενο. Και βέβαια δεν έχω δει να έχει γίνει πουθενά αναφορά για το πόσες καινοτομίες θα περάσουν στην αμερικανική βιομηχανία, στη στρατιωτική και στην άλλη, όταν οι συσκευές του LIGO αναλυθούν προσεκτικά ως προς τις επιδόσεις τους. Από τους καθρέφτες με ανακλαστικότητα 99,99% και τις τεχνικές διατήρησης της ακτίνας λέιζερ χωρίς απώλειες έως το εκπληκτικό κενό σε όλη τη διαδρομή της.

Ας μην ξεχνάμε πως ο θεωρητικός της όλης προσπάθειας, ο Κιπ Θορν, έχει πει ότι με όλα τα άλλα όργανα παρατήρησης ήταν σαν να βλέπαμε απλώς την επιφάνεια μιας ήρεμης, διαστημικής θάλασσας, ενώ τώρα έχουμε αποκτήσει πρόσβαση στα σπλάχνα της και μάλιστα τη στιγμή που είναι στον πιο άγριο κυματισμό της.


Βαρυτικά κύματα: μικρό φροντιστήριο


Οταν σε έναν χώρο όπου πριν δεν υπήρχε οποιοδήποτε υλικό αντικείμενο μεταφέρω κάποιο υλικό σώμα, ο χώρος και ο χρόνος αποκτούν ορισμένη συμπεριφορά που επηρεάζεται από αυτό το σώμα. Αν προσθέσω και άλλο σώμα, θα έχω και άλλη επιρροή. Π.χ. ένα ρολόι θα μετράει τώρα μια κίνηση από ένα σημείο του χώρου σε άλλο σε διαφορετικό χρόνο, λίγο πιο αργό. Η μάζα δηλαδή των σωμάτων επηρεάζει τον χώρο και τον χρόνο με τρόπο που θυμίζει το πώς αλλάζει η επιφάνεια ενός στρώματος όταν ανέβουμε επάνω σε αυτό. Υπάρχει και η εξής κλασική φράση για αυτό: «Η ύλη επιδρά στον χώρο κάθε στιγμή και κινείται ακριβώς εξαιτίας αυτής της παραμόρφωσης του χώρου και του χρόνου»

Οταν τα σώματα στον χώρο αυτόν αρχίσουν να κινούνται επιταχύνοντας ή επιβραδύνοντας, δημιουργείται μια αναταραχή στον χώρο και στον χρόνο που θα διαδοθεί με την ταχύτητα του φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις. Ακόμα και όταν πατάμε γκάζι ή φρένο, όπως λέμε, στο αυτοκίνητο, παράγουμε βαρυτικά κύματα, μόνο που είναι τόσο μικρή αυτή η διαταραχή που δεν υπάρχει συσκευή αρκετά ευαίσθητη να τα καταγράψει.

Γι’ αυτό από τη δεκαετία του ’50 ακόμη, οι ερευνητές έστρεψαν το βλέμμα τους προς διάφορα τεράστιας μάζας σώματα, ακόμα και έξω από τον δικό μας γαλαξία. Για παράδειγμα, δύο μαύρες οπές που πλησιάζουν και τελικά γίνονται ένα επιδρούν ξαφνικά στον χώρο και στον χρόνο γύρω τους, δίνοντας ένα τεράστιο βαρυτικό κύμα σε σχήμα σφαιρικού μπαλονιού. Αυτό ας το φανταστούμε ότι όλο και φουσκώνει, οπότε όταν φθάνει πια στη Γη ναι μεν έχει χάσει πολλή ενέργεια, κουβαλάει όμως αναλλοίωτα και ανεπηρέαστα από τον ενδιάμεσο χώρο κάποια χαρακτηριστικά του συμβάντος που το παρήγαγε και έχει εκταθεί τόσο ώστε τα όργανα καταγραφής να αντιλαμβάνονται το μέτωπο του κύματος σαν να ήταν ένα επίπεδο κύμα. Και εκεί επάνω του να είναι τοποθετημένοι κάθετα μεταξύ τους οι γνωστοί μας άξονες χ και ψ. Συνεχώς και ρυθμικά έχουμε ο χώρος και ο χρόνος στον έναν άξονα να διαστέλλονται και στον άλλον να συστέλλονται, και αμέσως μετά αντίστροφα.

Το μέτρο της έντασης του κύματος στο σημείο της παρατήρησης στη Γη δίδεται όταν διαιρέσουμε το πόσο επιμηκύνεται προς στιγμήν ένα μήκος με το μήκος αυτό. Δύο αστέρες νετρονίων που συγχωνεύονται στο κέντρο του Γαλαξία μας (μια αρκετά ευνοϊκή περίπτωση) θα μας έδινε για την επιμήκυνση μιας ακτίνας λέιζερ με αρχικό μήκος 1 χιλιόμετρο αποτέλεσμα 0. 000000000000000001!!! Και αυτό θα έπρεπε να πιάσει ένα σωστά ρυθμισμένο όργανο ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων. Σήμερα τα δύο LIGO πιάνουν ακόμα μικρότερες διαφορές, με 20 μηδενικά μπροστά.




ΕΝΤΥΠΗ ΕΚΔΟΣΗ
Science περισσότερες ειδήσεις

εκτύπωσημικρό μέγεθος  μεγάλο μέγεθος

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ

 
 
σχόλια (0)
 
 
απομένουν 700 χαρακτήρες
Τα πεδία που είναι σημειωμένα με * είναι υποχρεωτικά
 
Τα μηνύματα που δημοσιεύονται στο χώρο αυτό εκφράζουν τις απόψεις των αποστολέων τους. Το ΒΗΜΑ δεν υιοθετεί καθ’ οιονδήποτε τρόπο τις απόψεις αυτές. Ο καθένας έχει δικαίωμα να εκφράζει την γνώμη του, όποια και να είναι αυτή. Δεν δημοσιεύονται συκοφαντικά ή υβριστικά σχόλια και όσα είναι γραμμένα με κεφαλαία γράμματα. Τέτοια μηνύματα θα διαγράφονται όποτε εντοπίζονται.