Πώς ανιχνεύονται τα βαρυτικά κύματα;

Τα βαρυτικά κύματα είναι κυματισμοί της καμπυλότητας του χωροχρόνου, που είναι ο συνδυασμός του χώρου τριών διαστάσεων και του χρόνου ως μια επιπρόσθετη διάσταση. Η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων προτάθηκε για πρώτη φορά στο πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, δηλαδή της καθιερωμένης θεωρίας βαρύτητας, το 1916 από τον Αϊνστάιν. H Γενική Θεωρία της Σχετικότητας προβλέπει ότι όταν επιταχύνεται ένα σώμα, όπως για παράδειγμα αστέρια νετρονίων και μαύρες τρύπες που περιστρέφονται μεταξύ τους, θα διαταράξουν τον χωροχρόνο με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργηθούν παραμορφώσεις στη γεωμετρία του, που εξαπλώνονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Τα κύματα αυτά, ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, φέροντας μαζί τους πληροφορίες για την προέλευσή τους, καθώς και στοιχεία για τη φύση της ίδιας της βαρύτητας.

Ωστόσο, ακόμη και τα βαρυτικά κύματα που παράγονται κατά τις πιο βίαιες αναταραχές είναι πολύ αδύναμα μόλις φτάσουν στη Γη καθιστώντας την ανίχνευση τους ιδιαίτερα δύσκολη. Μια υπερκαινοφανής έκρηξη σε έναν γαλαξία κοντά μας θα παράγει, μέσα στα πρώτα λίγα δευτερόλεπτα, τεράστια ποσά ενέργειας με το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας να αποδίδεται σε μορφή βαρυτικών κυμάτων. Όμως, κατά τη διάρκεια της διαδρομής τους προς τη Γη, χάνουν το μεγαλύτερο κομμάτι της ενέργειας του, αφού ο χωροχρόνος είναι ένα αρκετά άκαμπτο μέσο διάδοσης.

Η πρώτη έμμεση απόδειξη ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων έγινε από τους Joseph Taylor και Russell Hulse, οι οποίοι βραβεύτηκαν με Νόμπελ Φυσικής. Το 1974 παρατήρησαν ένα δυαδικό σύστημα αστέρων νετρονίων, το PSR 1913+16, που αποτελείται από ένα pulsar (έναν γρήγορα περιστρεφόμενο αστέρα νετρονίων) και τον σύνοδό του, έναν απλό αστέρα νετρονίων. Παρατήρησαν ότι η περίοδος της τροχιάς τους μειώνεται και η ταχύτητα περιστροφής τους γύρω από το κέντρο μάζας του συστήματος συνεχώς αυξάνεται, με τρόπο που αναμενόταν εάν το σύστημα έχανε ενέργεια σε μορφή βαρυτικών κυμάτων. Ο προβλεπόμενος ρυθμός επιτάχυνσης της τροχιάς που προκαλείται από την εκπομπή βαρυτικής ακτινοβολίας σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας επαληθεύτηκε παρατηρησιακά με πολύ υψηλή ακρίβεια.

Η πρώτη άμεση παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων έγινε από τον ανιχνευτή LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), ένα παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων μέσω συμβολόμετρου λέιζερ που αποτελείται από δύο συμβολόμετρα Michelson. Η βασική λογική είναι η εξής: Σε καθένα από αυτά εκπέμπεται μέσω λέιζερ μια δέσμη φωτός η οποία διαχωρίζεται με έναν διαχωριστή δέσμης. Οι δύο νέες διαχωρισμένες δέσμες φωτός αντανακλώνται στους δύο καθρέφτες που βρίσκονται στους δύο βραχίονες και επιστρέφουν στο διαχωριστή δέσμης με ένα μέρος τους να συνδυάζεται και να καταλήγει στον φωτοανιχνευτή. Αν ένα βαρυτικό κύμα αλλάξει ελαφρώς το μήκος των δύο βραχιόνων, ο συνδυασμός των δεσμών φωτός θα παράξει διαφορετική ‘εικόνα’ στον φωτοανιχνευτή και θα μπορέσει να ανιχνευθεί έτσι η εισερχόμενη βαρυτική ακτινοβολία.

Στις 14 Σεπτεμβρίου του 2015 έγινε η πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από το LIGO (GW150914), τα οποία προκλήθηκαν από τη συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών που περιστρέφονταν, η μία γύρω από την άλλη, σε σχεδόν κυκλικές τροχιές με μάζες περίπου 36 και 29 μαζών Ήλιου. Η συγχώνευση του GW150914 έφτασε στη Γη ως μια διαταραχή στο χωροχρόνο που άλλαξε το μήκος ενός βραχίονα 4 χιλιομέτρων του LIGO κατά ένα χιλιοστό του πλάτους ενός πρωτονίου. Η ενέργεια που εκπέμφθηκε ως βαρυτική ακτινοβολία τα τελευταία millisecond της ένωσης ξεπερνά αθροιστικά την ισχύ όλου του φωτός που εκπέμπεται από όλα τα άστρα του ορατού σύμπαντος!

Με τη γρήγορη εξέλιξη της τεχνολογίας, το μέλλον της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων αναμένεται με μεγάλο ενδιαφέρον από ολόκληρη την επιστημονική κοινότητα. Μια από τις πιο αναμενόμενες διαστημικές αποστολές είναι η εκτόξευση του LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Το LISA είναι μια δορυφορική αποστολή παρατήρησης βαρυτικών κυμάτων η οποία προγραμματίζεται να εκτοξευθεί το 2035. Θα εξετάσει την περιοχή συχνοτήτων mHz του φάσματος των βαρυτικών κυμάτων. Ο κύριος στόχος της είναι η μέτρηση σημάτων από διάφορες πηγές, όπως ζεύγη υπερμεγεθών μαύρων τρυπών και εξαιρετικά συμπαγών σωμάτων που ανήκουν σε διπλά αστρικά συστήματα (λευκοί νάνοι, αστέρες νετρονίων). Στόχος είναι να ανιχνευθούν σε χρόνους που αντιστοιχούν σε αρκετές τροχιές πριν αυτά συγχωνευτούν, σε αντίθεση με το LIGO που μπορεί να ανιχνεύσει τους χρόνους πολύ κοντά στη σύγκρουση τους.

Η αποστολή θα αποτελείται από ένα σύνολο τριών δορυφόρων τα οποία θα σχηματίζουν ένα ισόπλευρο τρίγωνο με πλευρές μήκους 2,5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων σε ηλιοκεντρική τροχιά. Κάθε δορυφόρος θα περιλαμβάνει δύο δοκιμαστικές μάζες οι οποίες θα διατηρούνται σε κατάσταση ελεύθερης πτώσης, δύο λέιζερ και δύο τηλεσκόπια τα οποία θα είναι στραμμένα στους άλλους δύο δορυφόρους. Στην ουσία, οι τρεις αυτοί δορυφόροι δημιουργούν ένα τεράστιο συμβολόμετρο Michelson, στο οποίο οι δύο δορυφόροι λειτουργούν ως αναμεταδότες (καθρέφτες δηλαδή) και ο τρίτος ως πηγή και παρατηρητής. Η ανίχνευση της βαρυτικής ακτινοβολίας, όπως και στο LIGO,  γίνεται καθώς μεταβάλλονται  οι αποστάσεις των βραχιόνων, που δημιουργούνται από τα λέιζερ.