Τα βαρυτικά κύματα είναι ο πιο “αποδοτικός” τρόπος να παρατηρούμε το σύμπαν.

Ο άνθρωπος ξεκινάει να παρατηρεί το Σύμπαν γύρω του μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τη στιγμή που ανοίγει τα μάτια του. Για αιώνες, όλη η γνώση μας για το Σύμπαν και τα μυστήρια του βασιζόταν σε ό, τι μπορούμε να δούμε με τα μάτια μας. Αυτό άλλαξε τον 17ο αιώνα όταν ο Ολλανδός Hans Lippershey ανακάλυψε το τηλεσκόπιο  και ο Galileo Galilei το έστρεψε προς τον ουρανό. Στους επόμενους αιώνες, οι επιστήμονες συνέχισαν να βελτιώνουν τα τηλεσκόπια τους και να ανιχνεύουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία όχι μόνο στο ορατό φάσμα  που βλέπουμε, αλλά και σε άλλα μέρη του φάσματος με τη συμβολή των “μεγάλων τηλεσκοπίων” της NASA (το Hubble στο υπεριώδες και ορατό φάσμα, το Compton στις ακτίνες γάμμα, το Chandra στις ακτίνες Χ, και το Spitzer στην υπεριώδη ακτινοβολία) και των διαδόχων τους. 

Το 2015, 100 χρόνια μετά την πρώτη πρόβλεψη για την ύπαρξη τους (αλλά τουλάχιστον 40 χρόνια πριν οι επιστήμονες πειστούν ότι όντως υπάρχουν!) οι ανιχνευτές LIGO ανακάλυψαν βαρυτικά κύματα που εκπέμφθηκαν από τη συγχώνευση δύο μελανών οπών. Το σήμα διήρκεσε λιγότερο από ένα εκατοστό του δευτερολέπτου, παρόλα αυτά ήταν ένα από τα πιο ενεργητικά αστρονομικά γεγονότα που έχουμε ανιχνεύσει ποτέ. Μάλιστα η “φωτεινότητα” του σήματος (μια ποσότητα που μετράει πόσο γρήγορα εκπέμπεται η ενέργεια) είναι μεγαλύτερη από αν κάποιος αθροίσει το φως που εκπέμπεται από όλα τα υπόλοιπα άστρα και γαλαξίες ολόκληρου του Σύμπαντος. 

Από το 2015, η πρόοδος είναι εντυπωσιακή: 3 σήματα ανιχνεύθηκαν σε 3 μήνες παρατηρήσεων  το 2015, 9 σήματα ανιχνεύθηκαν σε 8 μήνες παρατηρήσεων το 2017, ενώ 60 σήματα ανιχνεύθηκαν σε 12 μήνες παρατηρήσεων το 2019. Γιατί είναι ο ρυθμός ανάπτυξης τόσο μεγάλος; Πώς φτάσαμε από κανένα σήμα σε περίπου 100 σε μόλις 5 χρόνια; Και είναι αυτός ο ρυθμός ανάπτυξης αναμενόμενος από την εμπειρίας μας με τα ηλεκτρομαγνητικά τηλεσκόπια; (Εικόνα 1)

Η απάντηση είναι όχι! Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων είναι πολύ πιο “αποδοτικοί” από τα ηλεκτρομαγνητικά τηλεσκόπια. Παρότι και τα δύο ανιχνεύουν κύματα (βαρυτικά και ηλεκτρομαγνητικά), το κάνουν με πολύ διαφορετικούς τρόπους. Η ηλεκτρομαγνητικά ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα διάφορα αστρονομικά συστήματα είναι ουσιαστικά μια δέσμη φωτονίων που ταξιδεύουν μαζί. Τα τηλεσκόπια που τα ανιχνεύουν, λοιπόν, είναι ουσιαστικά μεγάλοι “κάδοι” που μαζεύουν φωτόνια. Κάθε φορά που ένα φωτόνιο πέφτει μέσα στον κάδο, το τηλεσκόπιο απορροφά (και μετρά) την ενέργεια του.

Τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται κατά τη συγχώνευση δύο μελανών οπών, από την άλλη μεριά, είναι ταλαντώσεις του χωρόχρονου. Οι ανιχνευτές LIGO, λοιπόν, βασίζονται στην παρατήρηση αυτών των ταλαντώσεων σε συγκεκριμένες μάζες μέσα στους ανιχνευτές. Με άλλα λόγια, δεν παρατηρούν μόνο πόση ενέργεια απορροφούν οι μάζες από το βαρυτικό κύμα (σε αναλογία με τα ηλεκτρομαγνητικά τηλεσκόπια), αλλά και πώς ακριβώς κινούνται οι μάζες. Αυτό το γεγονός κάνει τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων πολύ πιο “αποδοτικούς” από οποιοδήποτε ηλεκτρομαγνητικό τηλεσκόπιο.

Συγκεκριμένα, η ενέργεια ενός κύματος (που μετράνε τα ηλεκτρομαγνητικά τηλεσκόπια) μειώνεται με την απόσταση από την πηγή ανάλογα με την απόσταση στο τετράγωνο. Από την άλλη, το πλάτος του κύματος (που μετράνε οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων) μειώνεται ανάλογα με την απόσταση (όχι την απόσταση στο τετράγωνο). Αυτή η φαινομενολογικά μικρή διάκριση κάνει και όλη  τη διαφορά. Αν διπλασιάσουμε την ευαισθησία ενός τηλεσκοπίου, τότε αυτό μπορεί να παρατηρήσει περίπου 3 φορές περισσότερα γεγονότα. Αλλά αν διπλασιάσουμε την ευαισθησία ενός ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων, τότε αυτός μπορεί να παρατηρήσει 8 φορές περισσότερα γεγονότα! Αυτός είναι ο λόγος της πραγματικά εντυπωσιακής προόδου στην αστρονομία βαρυτικών κυμάτων σε μόλις 5 χρόνια.

Και η πρόοδος δε σταματάει εδώ. Οι ανιχνευτές έχουν ήδη βελτιωθεί και άλλο σε σχέση με το 2019 και θα ξεκινήσουν παρατηρήσεις προς το τέλος του 2022. Η προσδοκία των επιστημόνων είναι 100-200 επιπλέον ανιχνεύσεις. Και τα σχέδια δε σταματούν εδώ, καθώς έχουν ήδη ξεκινήσει οι ετοιμασίες για περαιτέρω αναβαθμίσεις, με σκοπό γύρω στο 2030-2040 να μπορούμε να ανιχνεύουμε όλες τις συγχωνεύσεις μελανών οπών, όπου και αν γίνονται στο σύμπαν. 

Χρειάστηκε αιώνες ώστε η ανθρωπότητα να “φτάσει” στα όρια του σύμπαντος μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Μέσω βαρυτικών κυμάτων, μπορούμε να επιτύχουμε τον ίδιο στόχο μέσα σε μερικές δεκαετίες.