Ως μέρος της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, ο Αϊνστάιν προέβλεψε ότι η μάζα πρέπει να εκπέμπει κύματα βαρύτητας. Θα πρέπει να μπορεί να ανιχνεύει τα πιο ισχυρά κύματα βαρύτητας καθώς διέρχονται από τη Γη. Και ένα διαστημικό παρατηρητήριο που σχεδιάστηκε για εκτόξευση το 2015 με την ονομασία LISA θα πρέπει να είναι ακόμα πιο ισχυρό.
Οι επιστήμονες είναι κοντά στο να βλέπουν πραγματικά βαρυτικά κύματα. Πιστωτική εικόνα: NASA
Η βαρύτητα είναι μια οικεία δύναμη. Είναι ο λόγος για τον φόβο των υψών. Κρατά το φεγγάρι στη Γη, τη Γη στον ήλιο. Κρατάει την μπύρα να μην επιπλέει στα ποτήρια μας.
Αλλά πως? Η Γη στέλνει μυστικά μηνύματα στο φεγγάρι;
Λοιπόν, ναι - είδος.
Η Eanna Flanagan, αναπληρώτρια καθηγήτρια φυσικής και αστρονομίας του Κορνέλ, έχει αφιερώσει τη ζωή του στην κατανόηση της βαρύτητας από τότε που ήταν φοιτητής στο University College Dublin στη μητρική του Ιρλανδία. Τώρα, σχεδόν δύο δεκαετίες μετά την αναχώρηση από την Ιρλανδία για σπουδές στο διδακτορικό του υπό τον περίφημο σχετικιστή Kip Thorne στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, το έργο του επικεντρώνεται στην πρόβλεψη του μεγέθους και του σχήματος των βαρυτικών κυμάτων - μια αόριστη πρόβλεψη φαινομένου από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του 1916 του Αϊνστάιν αλλά που δεν έχουν εντοπιστεί ποτέ άμεσα.
Το 1974, οι αστρονόμοι του Πανεπιστημίου του Πρίνστον Russell Hulse και Joseph H. Taylor Jr. μέτρησαν έμμεσα την επίδραση των κυμάτων βαρύτητας στα αστέρια νετρονίων σε τροχιά, μια ανακάλυψη που τους κέρδισε το βραβείο Νόμπελ του 1993 στη φυσική. Χάρη στην πρόσφατη δουλειά του Flanagan και των συναδέλφων του, οι επιστήμονες βρίσκονται τώρα στα πρόθυρα να δουν τα πρώτα κύματα βαρύτητας.
Ο ήχος δεν μπορεί να υπάρχει σε κενό. Απαιτεί ένα μέσο, όπως ο αέρας ή το νερό, μέσω του οποίου μεταδίδει το μήνυμά του. Ομοίως, η βαρύτητα δεν μπορεί να υπάρχει σε τίποτα. Χρειάζεται επίσης ένα μέσο για να παραδώσει το μήνυμά του. Ο Αϊνστάιν θεωρούσε ότι αυτό το μέσο είναι χώρος και χρόνος ή το «χωροχρόνο ύφασμα».
Αλλαγές στην πίεση - ένα χτύπημα σε ένα τύμπανο, ένα δονούμενο φωνητικό καλώδιο - παράγουν ηχητικά κύματα, κυματισμούς στον αέρα. Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, οι αλλαγές στη μάζα - η σύγκρουση δύο αστεριών, η προσγείωση σκόνης σε ένα ράφι - παράγουν κύματα βαρύτητας, κυματισμούς στο χωροχρόνο.
Επειδή τα περισσότερα καθημερινά αντικείμενα έχουν μάζα, τα κύματα βαρύτητας πρέπει να βρίσκονται γύρω μας. Γιατί λοιπόν δεν μπορούμε να βρούμε;
«Τα ισχυρότερα κύματα βαρύτητας θα προκαλέσουν μετρήσιμες διαταραχές στη Γη 1.000 φορές μικρότερες από έναν ατομικό πυρήνα», εξήγησε ο Flanagan. «Η ανίχνευσή τους είναι μια τεράστια τεχνική πρόκληση.»
Η απάντηση σε αυτήν την πρόκληση είναι το LIGO, το Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ένα κολοσσιαίο πείραμα που περιλαμβάνει συνεργασία περισσότερων από 300 επιστημόνων.
Το LIGO αποτελείται από δύο εγκαταστάσεις σε απόσταση περίπου 2.000 μιλίων - μία στο Hanford, Wash. Και μία στο Livingston, La. Κάθε εγκατάσταση έχει σχήμα γιγαντιαίου «L», με δύο βραχίονες μήκους 2,5 μιλίων κατασκευασμένα από διάμετρο 4 ποδιών σωλήνες κενού εγκλωβισμένοι σε σκυρόδεμα. Οι εξαιρετικά σταθερές ακτίνες λέιζερ διασχίζουν τους σωλήνες, αναπηδώντας μεταξύ των καθρεπτών στο τέλος κάθε βραχίονα. Οι επιστήμονες αναμένουν ότι ένα κύμα βαρύτητας που διέρχεται θα τεντώσει το ένα χέρι και θα πιέσει το άλλο, προκαλώντας στα δύο λέιζερ να ταξιδεύουν ελαφρώς διαφορετικές αποστάσεις.
Η διαφορά μπορεί στη συνέχεια να μετρηθεί με «παρεμβολή» των λέιζερ όπου τέμνονται τα χέρια. Είναι συγκρίσιμο με δύο αυτοκίνητα που κινούνται κάθετα προς ένα σταυροδρόμι. Εάν ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα και απόσταση, θα συντρίβουν πάντα. Αλλά αν οι αποστάσεις είναι διαφορετικές, μπορεί να χάσουν. Ο Flanagan και οι συνάδελφοί του ελπίζουν να χάσουν.
Επιπλέον, πόσο ακριβώς χτυπά ή χάνουν τα λέιζερ θα παρέχει πληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά και την προέλευση του βαρυτικού κύματος. Ο ρόλος του Flanagan είναι να προβλέψει αυτά τα χαρακτηριστικά, ώστε οι συνάδελφοί του στο LIGO να ξέρουν τι να ψάξουν.
Λόγω τεχνολογικών ορίων, το LIGO είναι ικανό να ανιχνεύει μόνο βαρυτικά κύματα ορισμένων συχνοτήτων από ισχυρές πηγές, συμπεριλαμβανομένων των εκρήξεων σουπερνόβα στον Γαλαξία μας και τα γρήγορα περιστρεφόμενα ή συν-τροχικά αστέρια νετρονίων είτε στον Γαλαξία είτε σε απομακρυσμένους γαλαξίες.
Για να επεκταθούν οι πιθανές πηγές, η NASA και η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος σχεδιάζουν ήδη τον διάδοχο της LIGO, LISA, τη Διαστημική Κεραία Interferometer Laser. Το LISA είναι παρόμοιο σε σχέση με το LIGO, εκτός από το ότι τα λέιζερ θα αναπηδήσουν μεταξύ τριών δορυφόρων 3 εκατομμυρίων μιλίων, διασχίζοντας τη Γη σε τροχιά γύρω από τον ήλιο. Ως αποτέλεσμα, το LISA θα είναι σε θέση να ανιχνεύει κύματα σε χαμηλότερες συχνότητες από το LIGO, όπως αυτά που παράγονται από τη σύγκρουση ενός άστρου νετρονίων με μια μαύρη τρύπα ή τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών. Το LISA έχει προγραμματιστεί να κυκλοφορήσει το 2015.
Ο Flanagan και οι συνεργάτες του στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης αποκάλυψαν πρόσφατα την υπογραφή κύματος βαρύτητας που προκύπτει όταν μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα καταπίνει ένα αστέρι νετρονίων μεγέθους ήλιου. Είναι μια υπογραφή που θα είναι σημαντική για την αναγνώριση της LISA.
«Όταν η LISA πετά θα πρέπει να βλέπουμε εκατοντάδες από αυτά τα πράγματα», σημείωσε ο Flanagan. «Θα μπορέσουμε να μετρήσουμε πώς ο χώρος και ο χρόνος στρεβλώνεται και πώς ο χώρος υποτίθεται ότι περιστρέφεται από μια μαύρη τρύπα. Βλέπουμε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και νομίζουμε ότι είναι πιθανώς μια μαύρη τρύπα - αλλά αυτό είναι όσο έχουμε. Θα είναι πολύ συναρπαστικό να δούμε επιτέλους ότι η σχετικότητα λειτουργεί πραγματικά. "
Ωστόσο, προειδοποίησε, «Μπορεί να μην λειτουργεί. Οι αστρονόμοι παρατηρούν ότι η επέκταση του σύμπαντος επιταχύνεται. Μια εξήγηση είναι ότι η γενική σχετικότητα πρέπει να τροποποιηθεί: Ο Αϊνστάιν είχε ως επί το πλείστον σωστό, αλλά σε ορισμένα καθεστώτα τα πράγματα θα μπορούσαν να λειτουργούν διαφορετικά. "
Ο Thomas Oberst είναι επιστημονικός συγγραφέας στο Cornell News Service.
Αρχική πηγή: Πανεπιστήμιο Cornell
