Το Φάσμα Βαρυτικών Κυμάτων

Το Φάσμα Βαρυτικών Κυμάτων

Όπως έχουμε δει σε προηγούμενα άρθρα, για παράδειγμα εδώ και εδώ, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να παρατηρηθεί σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, ενώ διαφορετικές αστροφυσικές πηγές εκπέμπουν σε διαφορετικές περιοχές αυτού του φάσματος, με αποτέλεσμα οι επιστήμονες να χρειάζεται να αναπτύσσουν συνεχώς τεχνολογίες για καλύτερες παρατηρήσεις.

Τα βαρυτικά κύματα δε διαφέρουν από τα ηλεκτρομαγνητικά σε αυτήν τους την ιδιότητα; κι αυτά εκπέμπονται και παρατηρούνται σε διαφορετικές συχνότητες, ή μήκη κύματος, δίνοντας ποικίλο εύρος πληροφοριών στους επιστήμονες. Ενώ στο παρελθόν έχουμε μιλήσει για μεμονωμένες παρατηρήσεις ή/και ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, σε αυτό το σύντομο άρθρο θα προσπαθήσουμε να δώσουμε μια συνολική εικόνα για αυτόν το “νέο κόσμο”!

Τα βαρυτικά κύματα μπορούν να έχουν συχνότητες από 10^-9 Hz (τεράστια μήκη κύματος) σε 1000 Hz (μικρά μήκη κύματος), με άλλα λόγια καλύπτουν 12 τάξεις μεγέθους! Για να τις καλύψουμε με τη σειρά, θα δούμε τι ανιχνευτές χρειάζονται για κάθε εύρος συχνοτήτων¹¹, και μέσω αυτών τις πηγές βαρυτικών κυμάτων που μπορούν να παρατηρήσουν. Η Εικόνα 1 συνοψίζει τα παρακάτω.

Γήινοι ανιχνευτές (10 Hz – 10 kHz)

Η πλειοψηφία των γήινων ανιχνευτών χρησιμοποιούν τη μέθοδο της συμβολομετρίας για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Με λίγα λόγια, μετρούν με εξαιρετική ακρίβεια πόσο αλλάζει το μήκος της διαδρομής ενός ζεύγους laser, εξαιτίας του περάσματος ενός βαρυτικού κύματος. Να σημειώσουμε εδώ ότι υπάρχει και ένα υποσύνολο γήινων ανιχνευτών που βασίζεται σε “ανιχνευτές ράβδους”, ωστόσο είναι λιγότερο ευαίσθητοι και εστιάζουν σε πολύ μικρότερο εύρος συχνοτήτων, οπότε δε θα τους σχολιάσουμε περαιτέρω. Μέχρι στιγμής, οι γήινοι ανιχνευτές αποτελούνται από τους δύο ανιχνευτές LIGO στις ΗΠΑ, τον ανιχνευτή VIRGO στην Ιταλία, και τον ανιχνευτή KAGRA στην Ιαπωνία (ο οποίος είναι κατασκευασμένος υπόγεια). 

Οι ανιχνευτές αυτοί είναι πολύ αποτελεσματικοί στην παρατήρηση διπλών συμπαγών σωμάτων (μαύρες τρύπες, αστέρες νετρονίων) μέχρι εκατοντάδες ηλιακές μάζες, αλλά και σε υπερκαινοφανείς (σουπερνόβα), και μεμονωμένους αστέρες νετρονίων. Μέχρι στιγμής μόνο τα πρώτα συστήματα έχουν παρατηρηθεί: οι συγχωνεύσεις μελανών οπών μας επιτρέπουν να μελετήσουμε τους διάφορους μηχανισμούς σχηματισμού τους (πχ προέρχονται από διπλά αστρικά συστήματα που γεννήθηκαν και εξελίχθηκαν μέσα σε αστρικά σμήνη ή απομονωμένα από άλλες αλληλεπιδράσεις), τις κατανομές των μαζών και σπιν των μελανών οπών, όπως και να ελέγξουμε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. 

Τα διπλά συστήματα αστέρων νετρονίων είναι ιδιαίτερα σημαντικά, καθώς μπορούν να παράξουν και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία κατά τη συγχώνευση τους. Έτσι, με την πρώτη (και μοναδική μέχρι στιγμής) τέτοια παρατήρηση οι επιστήμονες μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν τηλεσκόπια από όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Βρήκαν την πρώτη επιβεβαιωμένη σχέση μεταξύ της σύγκρουσης αστέρων νετρονίων και των σύντομων εκλάμψεων γάμμα (short gamma-ray bursts), την πρώτη ξεκάθαρη παρατήρηση κιλονόβα, και απόδειξη ότι μια τέτοια συγχώνευση μπορεί να οδηγήσει σε πυρηνικές αντιδράσεις με τον σχηματισμό “βαριών” στοιχείων. Επίσης, μέτρησαν με εξαιρετική ακρίβεια την ταχύτητα των βαρυτικών κυμάτων, που μετράται ίδια με την ταχύτητα του φωτός (ίδιες μέχρι το 15 δεκαδικό ψηφίο!). Τέλος, αυτή ήταν η πρώτη μέτρηση της “σταθεράς Hubble” με βαρυτικά κύματα από γνωστή πηγή.

Ανιχνευτές στο διάστημα (100 μHz – 100 mHz)

Μέχρι στιγμής δεν υπάρχει κανένα διαστημόπλοιο-ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων στο διάστημα, αλλά μέχρι το τέλος της δεκαετίας του 2030 αναμένεται να έχει εκτοξευθεί η αποστολή LISA από την ευρωπαϊκή εταιρία διαστήματος και τις ΗΠΑ, ενώ σχεδιάζονται η κινεζική αποστολή TianQin και η ιαπωνική DECIGO. 

Ο βασικός σχεδιασμός αυτών των πειραμάτων είναι ίδιος με τους γήινους ανιχνευτές: παρατήρηση της τροχιάς laser μεταξύ μιας συστοιχίας τριών διαστημοπλοίων, σε τριγωνικό σχηματισμό. Έχοντας απομονώσει τους διάφορους πειραματικούς θορύβους²², κάθε αλλαγή στην τροχιά αυτή μπορεί να συσχετισθεί με το πέρασμα ενός βαρυτικού κύματος. Μια σημαντική διαφορά με τους γήινους ανιχνευτές είναι οι αποστάσεις που διανύουν τα laser: στο διάστημα οι ανιχνευτές σχεδιάζονται με “βραχίονες” εκατομμυρίων χιλιομέτρων, ενώ στη Γη οι μεγαλύτεροι ανιχνευτές (μέχρι στιγμής) έχουν “βραχίονες” τεσσάρων χιλιομέτρων! Αυτή η διαφορά είναι και η κύρια αιτία που η ευαισθησία των διαστημικών ανιχνευτών μετατοπίζεται σε μικρότερες συχνότητες ή μεγαλύτερα μήκη κύματος.

Αυτό είναι ιδιαίτερα θετικό, καθώς οι ανιχνευτές αυτοί θα είναι ευαίσθητοι σε άλλες πηγές βαρυτικών κυμάτων. Πιο συγκεκριμένα, καθώς η συχνότητα των βαρυτικών κυμάτων μεγαλώνει αντίστροφα με τη μάζα, μικρότερες συχνότητες αντιστοιχούν σε μεγαλύτερες μάζες. Άρα οι διαστημικοί ανιχνευτές θα μπορούν να μελετήσουν συγχωνεύσεις πολύ μαζικών μελανών οπών (από εκατομμύρια μέχρι δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες), καθώς και συστήματα με πολύ άνισες μάζες (δηλαδή ένα ζεύγος με μία υπερμαζική μελανή οπή και μια μαύρη τρύπα με μάζα παρόμοια με την ηλιακή). Το γεγονός αυτό θα μας βοηθήσει να μελετήσουμε πως σχηματίστηκαν οι μαύρες τρύπες που συναντάμε στα κέντρα των γαλαξιών, καθώς και να μελετήσουμε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας σε ισχυρά βαρυτικά πεδία, γύρω από υπερμαζικές μελανές οπές. Την ίδια στιγμή, οι διαστημικοί ανιχνευτές θα μπορέσουν να παρατηρήσουν νέες πηγές βαρυτικών κυμάτων από συστήματα συμπαγών σωμάτων στο Γαλαξία μας³³, επιτρέποντας την καταγραφή της δομής του!

Εξαιρετικό ενδιαφέρον, ειδικά για το κομμάτι των “συγγενικών” ηλεκτρομαγνητικών παρατηρήσεων, είναι το γεγονός ότι ανιχνευτές όπως η LISA, θα μπορέσουν να εντοπίσουν συστήματα κάποιους μήνες/εβδομάδες πριν τη συγχώνευση τους. Τα ίδια αυτά συστήματα, στη συνέχεια, θα μπορέσουν να παρατηρηθούν από τους γήινους ανιχνευτές, αλλά και λόγω του πολύ καλού εντοπισμού τους στον ουρανό, από ηλεκτρομαγνητικά τηλεσκόπια κατά τη διάρκεια της συγχώνευσης τους. Τέτοιου είδους παρατηρήσεις θα μας επιτρέψουν να εξετάσουμε το περιβάλλον των μελανών οπών μεγάλης μάζας, καθώς και την αλληλεπίδραση τους με τα αέρια και σώματα που τις περιβάλλουν.

Συστήματα Πάλσαρ (10^-9 Hz – 10^-6 Hz)

Με τα συστήματα πάλσαρ, μπαίνουμε στην κατηγορία παρατηρήσεων που αφορούν την έμμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Οι συστοιχίες πάλσαρ λειτουργούν σαν ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μετρώντας αλλαγές στα ραδιοσήματα από τους παλμούς των πάλσαρ όταν αυτοί φτάνουν στη Γη. 

Με τα πάλσαρ να βρίσκονται σε ακόμα μεγαλύτερες αποστάσεις, μπορούμε να εντοπίσουμε βαρυτικά κύματα ακόμα μεγαλύτερου μήκους κύματος, ή μικρότερης συχνότητας. Αυτά αντιστοιχούν στις πιο μαζικές μελανές οπές, με πάνω από 10 εκατομμύρια ηλιακές μάζες. Κατ’ επέκταση, με τα συστήματα πάλσαρ μπορούμε να μελετήσουμε τις συγχωνεύσεις γαλαξιών στο Σύμπαν, μελετώντας το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων που παράγουν. Σαν αποτέλεσμα, μπορούμε να μελετήσουμε τη δημιουργία των δομών μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν (συστήματα γαλαξιών, τον “κοσμικό ιστό” κτλ) και τον ρυθμό γαλαξιακών συγκρούσεων. 

Τέλος, θα μπορέσουμε να επιλύσουμε το “πρόβλημα του τελευταίου παρσέκ”, δηλαδή πως καταφέρουν οι μαζικές μαύρες τρύπες να πλησιάσουν κοντά με αποτελεσματικό ρυθμό, ώστε να συγχωνεύονται σε χρόνους που είναι μικρότεροι από την ηλικία του Σύμπαντος. Με άλλα λόγια, να βρούμε τον μηχανισμό που καταφέρνει να φέρει γρήγορα και κοντά τις πολύ μαζικές μαύρες τρύπες. 

Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου (< 10^-9 Hz)

Τέλος, η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου αποτελεί έναν έμμεσο τρόπο να μελετήσουμε “πρώιμα” βαρυτικά κύματα που έχουν προέρθει από το Big Bang και κάποια μοντέλα του “κοσμικού πληθωρισμού”. Οι παρατηρήσεις αυτές δεν αφορούν την άμεση ανίχνευση αυτών των βαρυτικών κυμάτων, αλλά τις έμμεσες συνέπειες που αυτά μπορεί να έχουν στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου (που μετράται στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, και συγκεκριμένα στα μικροκύματα). Με άλλα λόγια, η ακριβής μέτρηση της πόλωσης του φωτός στην ακτινοβολία υποβάθρου, μπορεί να μας δώσει πληροφορίες για το αρχέγονο Σύμπαν!

1. Στο κείμενο παραθέτουμε ένα εύρος συχνοτήτων για κάθε ανιχνευτή. Είναι σημαντικό να σημειώσουμε ότι η ευαισθησία των ανιχνευτών δεν είναι ομοιόμορφη σε όλο το εύρος, δηλαδή οι ανιχνευτές δεν είναι το ίδιο ευαίσθητοι σε κάθε συχνότητα. Συνήθως είναι πιο ευαίσθητοι στις κεντρικές συχνότητες, και λιγότερο στις μικρές ή μεγάλες συχνότητες του εκάστοτε εύρους. Για παράδειγμα, δείτε την εικόνα [εδώ], που περιγράφει την ευαισθησία διάφορων ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων για διαφορετικές συχνότητες. ↩︎
2. Κάθε ανιχνευτής είναι ευαίσθητος σε διαφορετικούς “θορύβους”. Στη Γη, όσο πάμε σε χαμηλότερες συχνότητες, η ευαισθησία των ανιχνευτών φθίνει εξαιτίας “κινήσεων” της ίδιας της Γης (σεισμών, αλλαγές στην πυκνότητα του αέρα και του εδάφους). Στο διάστημα, δεν υπάρχουν παρόμοια προβλήματα, οπότε οι ανιχνευτές εκεί μπορούν να παρατηρούν σε χαμηλότερες συχνότητες από τους γήινους. ↩︎
3. Αυτά θα είναι διπλά συστήματα μελανών οπών, αστέρων νετρονίων και λευκών νάνων – με μάζες παρόμοιες με την ηλιακή, αλλά σε τροχιές αρκετά μεγάλες, δηλαδή μακριά από τη συγχώνευση, ώστε να εκπέμπουν σε χαμηλότερες συχνότητες. ↩︎