Τον Φεβρουάριο του 2016, οι επιστήμονες που εργάζονταν για το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων του Ιντερφερόμετρου (LIGO) έγραψαν ιστορία όταν ανακοίνωσαν την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Από τότε, έχουν πραγματοποιηθεί πολλές ανιχνεύσεις και οι επιστημονικές συνεργασίες μεταξύ των παρατηρητηρίων - όπως το Advanced LIGO και το Advanced Virgo - επιτρέπουν άνευ προηγουμένου επίπεδα ευαισθησίας και ανταλλαγής δεδομένων.
Η πρώτη φορά που η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων δεν ήταν μόνο ένα ιστορικό επίτευγμα, αλλά ξεκίνησε μια νέα εποχή αστροφυσικής. Δεν είναι περίεργο λοιπόν γιατί οι τρεις ερευνητές που ήταν κεντρικοί στην πρώτη ανίχνευση απονεμήθηκαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2017. Το βραβείο απονεμήθηκε από κοινού στους ομότιμους καθηγητές του Caltech Kip S. Barish, μαζί με τον ομότιμο καθηγητή του MIT Rainer Weiss.
Με απλά λόγια, τα κύματα βαρύτητας είναι κυματισμοί στο χωροχρόνο που σχηματίζονται από μεγάλα αστρονομικά γεγονότα - όπως η συγχώνευση ενός δυαδικού ζεύγους μαύρων τρυπών. Προβλέφθηκαν για πρώτη φορά πριν από έναν αιώνα από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία έδειξε ότι οι μαζικές διαταραχές θα άλλαζαν τη δομή του χωροχρόνου. Ωστόσο, μόνο για τα τελευταία χρόνια παρατηρήθηκαν στοιχεία για αυτά τα κύματα για πρώτη φορά.
Το πρώτο σήμα εντοπίστηκε από τα δίδυμα παρατηρητήρια της LIGO - στο Χάνφορντ, την Ουάσινγκτον και το Λίβινγκστον, στη Λουιζιάνα, αντίστοιχα - και εντοπίστηκε σε συγχώνευση μαύρου τυφλοπόντικου 1,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Μέχρι σήμερα, έχουν πραγματοποιηθεί τέσσερις ανιχνεύσεις, όλες λόγω των συγχωνεύσεων ζευγών μαύρων οπών. Αυτά έλαβαν χώρα στις 26 Δεκεμβρίου 2015, στις 4 Ιανουαρίου 2017 και στις 14 Αυγούστου 2017, με το τελευταίο να εντοπίζεται από τον LIGO και τον Ευρωπαϊκό ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων της Παρθένου.
Για το ρόλο που έπαιξαν σε αυτό το επίτευγμα, το ήμισυ του βραβείου απονεμήθηκε από κοινού στον Caltech's Barry C. Barish - τον καθηγητή Φυσικής Ronald και Maxine Linde, Ομότιμος - και τον Kip S. Thorne, τον Richard P. Feynman Καθηγητή Θεωρητικής Φυσικής , Ομότιμος. Το άλλο μισό απονεμήθηκε στον Rainer Weiss, καθηγητή Φυσικής, Ομότιμος, στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT).
Όπως είπε ο πρόεδρος του Caltech Thomas F. Rosenbaum - ο Προεδρικός Πρόεδρος της Sonja και William Davidow και καθηγητής Φυσικής - σε πρόσφατη δήλωση τύπου του Caltech:
«Είμαι πολύ χαρούμενη και τιμή μου που συγχαίρω τον Kip και τον Barry, καθώς και τον Rai Weiss του MIT, για το βραβείο σήμερα το πρωί του βραβείου Νόμπελ Φυσικής του 2017. Η πρώτη άμεση παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων από τον LIGO είναι μια εξαιρετική επίδειξη επιστημονικής όρασης και επιμονής. Μέσα σε τέσσερις δεκαετίες ανάπτυξης εξαιρετικά ευαίσθητων οργάνων - ωθώντας την ικανότητα των φαντασιών μας - είμαστε πλέον σε θέση να ρίξουμε μια ματιά σε κοσμικές διαδικασίες που προηγουμένως δεν ήταν ανιχνεύσιμες. Είναι πραγματικά η αρχή μιας νέας εποχής στην αστροφυσική. "
Αυτό το επίτευγμα ήταν ακόμη πιο εντυπωσιακό, λαμβάνοντας υπόψη ότι ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος προέβλεψε για πρώτη φορά την ύπαρξή τους, πίστευε ότι τα βαρυτικά κύματα θα ήταν πολύ αδύναμα για μελέτη. Ωστόσο, μέχρι τη δεκαετία του 1960, οι εξελίξεις στην τεχνολογία λέιζερ και οι νέες γνώσεις σχετικά με πιθανές αστροφυσικές πηγές οδήγησαν τους επιστήμονες στο συμπέρασμα ότι αυτά τα κύματα θα μπορούσαν να είναι ανιχνεύσιμα.
Οι πρώτοι ανιχνευτές βαρύτητας χτίστηκαν από τον Joseph Weber, έναν αστροφυσικό από το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ. Οι ανιχνευτές του, που χτίστηκαν τη δεκαετία του 1960, αποτελούσαν από μεγάλους κυλίνδρους αλουμινίου που θα οδηγούσαν να δονείται περνώντας τα κύματα βαρύτητας. Ακολούθησαν άλλες προσπάθειες, αλλά όλες αποδείχθηκαν ανεπιτυχείς. προκαλώντας μια στροφή προς έναν νέο τύπο ανιχνευτή που περιλαμβάνει ιντερφερομετρία.
Ένα τέτοιο όργανο αναπτύχθηκε από τον Weiss στο MIT, το οποίο βασίστηκε στην τεχνική που είναι γνωστή ως συμβολομετρία λέιζερ. Σε αυτό το είδος οργάνου, τα κύματα βαρύτητας μετρώνται χρησιμοποιώντας καθρέφτες ευρείας απόστασης και διαχωρισμένους που αντανακλούν τα λέιζερ σε μεγάλες αποστάσεις. Όταν τα βαρυτικά κύματα προκαλούν το χώρο να τεντώνεται και να συμπιέζεται με άπειρες ποσότητες, προκαλεί τη μετατόπιση του ανακλώμενου φωτός μέσα στον ανιχνευτή.
Ταυτόχρονα, ο Thorne - μαζί με τους μαθητές του και τα postdocs στο Caltech - άρχισε να εργάζεται για τη βελτίωση της θεωρίας των βαρυτικών κυμάτων. Αυτό περιλάμβανε νέες εκτιμήσεις για την ισχύ και τη συχνότητα των κυμάτων που παράγονται από αντικείμενα όπως μαύρες τρύπες, αστέρια νετρονίων και σουπερνόβες. Αυτό κορυφώθηκε σε μια δημοσίευση του 1972 που η Throne δημοσίευσε μαζί με τον μαθητή του, Bill Press, η οποία συνοψίζει το όραμά τους για το πώς θα μπορούσαν να μελετηθούν τα βαρυτικά κύματα.
Την ίδια χρονιά, ο Weiss δημοσίευσε επίσης μια λεπτομερή ανάλυση των ιντερφερόμετρων και των δυνατοτήτων τους για αστροφυσική έρευνα. Σε αυτό το άρθρο, ανέφερε ότι οι πράξεις μεγαλύτερης κλίμακας - που έχουν μέγεθος περίπου 0 km ή περισσότερο - μπορεί να έχουν ένα πλάνο για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Προσδιόρισε επίσης τις μεγάλες προκλήσεις στην ανίχνευση (όπως δονήσεις από τη Γη) και πρότεινε πιθανές λύσεις για την αντιμετώπισή τους.
Το 1975, ο Weiss κάλεσε τον Thorne να μιλήσει σε συνεδρίαση της επιτροπής της NASA στην Ουάσινγκτον, και οι δύο πέρασαν μια ολόκληρη νύχτα μιλώντας για βαρυτικά πειράματα. Ως αποτέλεσμα της συνομιλίας τους, ο Thorne επέστρεψε στο Calteh και πρότεινε τη δημιουργία μιας πειραματικής ομάδας βαρύτητας, η οποία θα λειτουργούσε παράλληλα με τους ερευνητές του MIT, του Πανεπιστημίου της Γλασκόβης και του Πανεπιστημίου του Garching (όπου διεξήχθησαν παρόμοια πειράματα).
Η ανάπτυξη του πρώτου ιντερφερόμετρου ξεκίνησε λίγο αργότερα στο Caltech, το οποίο οδήγησε στη δημιουργία ενός πρωτοτύπου 40 μέτρων (130 ποδιών) για τη δοκιμή των θεωριών του Weiss σχετικά με τα βαρυτικά κύματα. Το 1984, όλες οι εργασίες που διεξήχθησαν από αυτά τα αντίστοιχα ιδρύματα ενώθηκαν. Οι Caltech και MIT, με την υποστήριξη του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών (NSF) δημιούργησαν τη συνεργασία LIGO και άρχισαν να εργάζονται για τα δύο ιντερφερόμετρα στο Hanford και στο Livingston.
Η κατασκευή του LIGO ήταν μια μεγάλη πρόκληση, τόσο λογιστικά όσο και τεχνικά. Ωστόσο, τα πράγματα βοηθήθηκαν πάρα πολύ όταν ο Barry Barish (τότε φυσικός σωματιδίων Caltech) έγινε ο κύριος ερευνητής (PI) του LIGO το 1994. Μετά από μια δεκαετία καθυστερημένων προσπαθειών, έγινε επίσης ο διευθυντής του LIGO και έστρεψε την κατασκευή του σε καλό δρόμο . Διέτεινε επίσης την ερευνητική ομάδα και ανέπτυξε ένα λεπτομερές πρόγραμμα εργασίας για το NSF.
Όπως ανέφερε ο Barish, η δουλειά που έκανε με τον LIGO ήταν κάτι το όνειρο που έγινε πραγματικότητα:
«Πάντα ήθελα να γίνω πειραματικός φυσικός και προσελκύθηκα από την ιδέα της χρήσης συνεχών εξελίξεων στην τεχνολογία για τη διεξαγωγή θεμελιωδών επιστημονικών πειραμάτων που δεν θα μπορούσαν να γίνουν διαφορετικά. Το LIGO είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα αυτού που δεν θα μπορούσε να γίνει πριν. Αν και ήταν ένα έργο μεγάλης κλίμακας, οι προκλήσεις ήταν πολύ διαφορετικές από τον τρόπο που χτίζουμε μια γέφυρα ή εκτελούμε άλλα μεγάλα έργα μηχανικής. Για το LIGO, η πρόκληση ήταν και είναι πώς να αναπτύξουμε και να σχεδιάσουμε προηγμένα όργανα σε μεγάλη κλίμακα, ακόμη και όταν το έργο εξελίσσεται. "
Μέχρι το 1999, η κατασκευή ολοκληρώθηκε στα παρατηρητήρια του LIGO και το 2002, η LIGO άρχισε να λαμβάνει δεδομένα. Το 2008, άρχισαν οι εργασίες για τη βελτίωση των αρχικών ανιχνευτών, γνωστών ως το Advanced LIGO Project. Η διαδικασία μετατροπής του πρωτοτύπου 40 μέτρων σε τρέχοντα ιντερφερόμετρα 4 χλμ. (LIGO) ήταν μια τεράστια δέσμευση, και ως εκ τούτου έπρεπε να χωριστεί σε βήματα.
Το πρώτο βήμα πραγματοποιήθηκε μεταξύ του 2002 και του 2010, όταν η ομάδα δημιούργησε και δοκίμασε τα αρχικά ιντερφερόμετρα. Αν και αυτό δεν οδήγησε σε ανιχνεύσεις, απέδειξε τις βασικές έννοιες του παρατηρητηρίου και έλυσε πολλά από τα τεχνικά εμπόδια. Η επόμενη φάση - που ονομάζεται Advanced LIGO, η οποία πραγματοποιήθηκε μεταξύ 2010 και 2015 - επέτρεψε στους ανιχνευτές να επιτύχουν νέα επίπεδα ευαισθησίας.
Αυτές οι αναβαθμίσεις, οι οποίες συνέβησαν επίσης υπό την ηγεσία του Barish, επέτρεψαν την ανάπτυξη διαφόρων βασικών τεχνολογιών, οι οποίες τελικά κατέστησαν δυνατή την πρώτη ανίχνευση. Όπως εξήγησε ο Barish:
«Στην αρχική φάση του LIGO, προκειμένου να απομονώσουμε τους ανιχνευτές από την κίνηση της γης, χρησιμοποιήσαμε ένα σύστημα ανάρτησης που αποτελείται από καθρέφτες δοκιμής μάζας κρεμασμένες με σύρμα πιάνου και χρησιμοποιήσαμε ένα σετ πολλαπλών σταδίων παθητικών αμορτισέρ, παρόμοια με αυτά στο αυτοκίνητό σας. Γνωρίζαμε ότι αυτό πιθανότατα δεν θα ήταν αρκετά καλό για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, επομένως εμείς, στο εργαστήριο LIGO, αναπτύξαμε ένα φιλόδοξο πρόγραμμα για το Advanced LIGO που ενσωματώνει ένα νέο σύστημα ανάρτησης για τη σταθεροποίηση των καθρεπτών και ένα ενεργό σύστημα σεισμικής απομόνωσης για την αίσθηση και διόρθωση για επίγειες κινήσεις. "
Δεδομένου του πόσο κεντρικοί ήταν οι Thorne, Weiss και Barish στη μελέτη των βαρυτικών κυμάτων, και οι τρεις αναγνωρίστηκαν σωστά ως φετινοί αποδέκτες του βραβείου Νόμπελ Φυσικής. Τόσο ο Thorne όσο και ο Barish ειδοποιήθηκαν ότι είχαν κερδίσει νωρίς το πρωί στις 3 Οκτωβρίου 2017. Σε απάντηση στις ειδήσεις, αμφότεροι οι επιστήμονες ήταν σίγουροι ότι αναγνώρισαν τις συνεχιζόμενες προσπάθειες της LIGO, των επιστημονικών ομάδων που συνέβαλαν σε αυτό, και προσπάθειες των Caltech και MIT στη δημιουργία και συντήρηση των παρατηρητηρίων.
«Το βραβείο ανήκει σωστά στους εκατοντάδες επιστήμονες και μηχανικούς της LIGO που δημιούργησαν και τελειοποίησαν τα περίπλοκα ιντερφερόμετρα κύματος βαρύτητάς μας και τους εκατοντάδες επιστήμονες της LIGO και της Παρθένου που βρήκαν τα σήματα βαρυτικών κυμάτων στα θορυβώδη δεδομένα της LIGO και εξήγαγαν τις πληροφορίες των κυμάτων, »Είπε ο Θόρνε. «Είναι ατυχές το γεγονός ότι, λόγω του καταστατικού του Ιδρύματος Νόμπελ, το βραβείο πρέπει να δοθεί σε τρία άτομα, όταν η θαυμάσια ανακάλυψή μας είναι έργο πάνω από χίλια».
«Είμαι ταπεινός και τιμή μου που έλαβα αυτό το βραβείο», δήλωσε ο Barish. «Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων είναι πραγματικά θρίαμβος της σύγχρονης μεγάλης κλίμακας πειραματικής φυσικής. Για αρκετές δεκαετίες, οι ομάδες μας στο Caltech και το MIT ανέπτυξαν το LIGO σε μια εξαιρετικά ευαίσθητη συσκευή που έκανε την ανακάλυψη. Όταν το σήμα έφτασε στο LIGO από μια σύγκρουση δύο αστρικών μαύρων τρυπών που σημειώθηκαν πριν από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια, η επιστημονική συνεργασία LIGO 1.000 επιστημόνων ήταν σε θέση να αναγνωρίσει και το υποψήφιο συμβάν μέσα σε λίγα λεπτά και να πραγματοποιήσει τη λεπτομερή ανάλυση που έδειξε πειστικά ότι τα βαρυτικά κύματα υπάρχει."
Κοιτάζοντας μπροστά, είναι επίσης πολύ σαφές ότι τα Advanved LIGO, Advanced Virgo και άλλα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων σε όλο τον κόσμο μόλις ξεκινούν. Εκτός από την ανίχνευση τεσσάρων ξεχωριστών γεγονότων, πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε επίσης να ανοίξει νέα σύνορα για αστρονομική και κοσμολογική έρευνα.
Για παράδειγμα, μια πρόσφατη μελέτη από μια ομάδα ερευνητών από το Monash Center for Astrophysics πρότεινε μια θεωρητική ιδέα γνωστή ως «ορφανή μνήμη». Σύμφωνα με την έρευνά τους, τα βαρυτικά κύματα όχι μόνο προκαλούν κύματα στο χωροχρόνο, αλλά αφήνουν μόνιμους κυματισμούς στη δομή του. Μελετώντας τα «ορφανά» παρελθόντων γεγονότων, τα βαρυτικά κύματα μπορούν να μελετηθούν τόσο όταν φτάνουν στη Γη όσο και πολύ μετά το πέρασμα.
Επιπλέον, μια μελέτη κυκλοφόρησε τον Αύγουστο από μια ομάδα αστρονόμων από το Κέντρο Κοσμολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Irvine που έδειξε ότι οι συγχωνεύσεις μαύρων οπών είναι πολύ πιο συχνές από ό, τι νομίζαμε. Αφού διεξήγαγε μια έρευνα για τον κόσμο που είχε ως στόχο τον υπολογισμό και την κατηγοριοποίηση των μαύρων τρυπών, η ομάδα του UCI διαπίστωσε ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν έως και 100 εκατομμύρια μαύρες τρύπες στον γαλαξία.
Μια άλλη πρόσφατη μελέτη έδειξε ότι το δίκτυο ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων Advanced LIGO, GEO 600 και Virgo θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων που δημιουργούνται από τις σουπερνόβες. Ανιχνεύοντας τα κύματα που δημιουργούνται από το αστέρι που εκρήγνυνται κοντά στο τέλος της διάρκειας ζωής τους, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να δουν μέσα στις καρδιές των αστέρια που καταρρέουν για πρώτη φορά και να διερευνήσουν τους μηχανισμούς του σχηματισμού μαύρων οπών.
Το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική είναι μια από τις υψηλότερες τιμές που μπορούν να απονεμηθούν σε έναν επιστήμονα. Αλλά ακόμη μεγαλύτερη από αυτή είναι η γνώση ότι τα σπουδαία πράγματα προέκυψαν από τη δουλειά κάποιου. Δεκαετίες μετά τον Thorne, ο Weiss και ο Barish άρχισαν να προτείνουν μελέτες βαρυτικών κυμάτων και εργάζονται για τη δημιουργία ανιχνευτών, επιστήμονες από όλο τον κόσμο κάνουν βαθιές ανακαλύψεις που φέρνουν επανάσταση στον τρόπο που σκεφτόμαστε το Σύμπαν.
Και όπως βεβαίως αυτοί οι επιστήμονες θα βεβαιώσουν, αυτό που έχουμε δει μέχρι στιγμής είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου. Κάποιος μπορεί να φανταστεί ότι κάπου, ο Αϊνστάιν ακτινοβολεί επίσης με υπερηφάνεια. Όπως και με άλλες έρευνες που σχετίζονται με τη θεωρία του για τη Γενική Σχετικότητα, η μελέτη των βαρυτικών κυμάτων δείχνει ότι ακόμη και μετά από έναν αιώνα, οι προβλέψεις του εξακολουθούσαν να επηρεάζονται!
Και φροντίστε να δείτε αυτό το βίντεο της συνέντευξης τύπου Caltech όπου ο Barish και ο Thorn τιμήθηκαν για τα επιτεύγματά τους:
