Ποια είναι η τιμή της ταχύτητας με την οποία μεταφέρεται η πληροφορία της βαρύτητας;

Η απάντηση έχει ένα θεωρητικό και ένα παρατηρησιακό κομμάτι, οπότε ας τα πάρουμε με τη σειρά.

Θεωρητικά, η ταχύτητα της βαρύτητας, εξαρτάται από την εκάστοτε θεωρία. Σήμερα, η επικρατούσα θεωρία είναι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ) του Αϊνστάιν. Σύμφωνα με αυτήν, οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις έχουν πεπερασμένη ταχύτητα. Πιο συγκεκριμένα, διαδίδονται με την ίδια ταχύτητα με τα φωτεινά σήματα, ικανοποιώντας ένα από τα γενικά συμπεράσματα της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας, ότι καμία φυσική πληροφορία δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως.

Ως αποτέλεσμα, οι αλλαγές στο βαρυτικό πεδίο που “αισθάνεται” ένα σώμα, δεν είναι ακαριαίες. Αν λοιπόν, ο Ήλιος εξαφανιστεί μαγικά, οι βαρυτικές συνέπειες θα γίνουν αντιληπτές στη Γη περίπου σε 8 λεπτά, όσο χρόνο δηλαδή χρειάζεται και το φως για να διανύσει την απόσταση Γης-Ηλίου.

Στο παρατηρησιακό κομμάτι, μέχρι πολύ πρόσφατα, δεν είχαμε κάποια μέτρηση για την ταχύτητα της βαρύτητας**. Αυτό άλλαξε με την παρατήρηση των πρώτων βαρυτικών κυμάτων το 2015. Ο υπολογισμός είναι αρκετά απλός: Γνωρίζουμε πού βρίσκονται οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων στη Γη και μπορούμε να μετρήσουμε πότε το βαρυτικό κύμα “πέρασε” από αυτούς. Μια απλή διαίρεση της απόστασης των ανιχνευτών με το χρόνο μεταξύ των σημάτων, μας έδωσε μια πρώτη ένδειξη για την ταχύτητα των βαρυτικών κυμάτων, σε καλή συμφωνία με την αναμενόμενη από τη ΓΘΣ, δηλαδή την ταχύτητα του φωτός. 

Ωστόσο, μια πολύ πιο ακριβής μέτρηση επιτεύχθηκε με το βαρυτικό κύμα GW170817, το οποίο προήλθε από τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων. Σαν αποτέλεσμα, πέρα από τη δημιουργία βαρυτικών κυμάτων, είχαμε και εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (φωτός)***. Από τη σύγκριση μεταξύ των χρόνων παρατήρησης των βαρυτικών και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, μπορέσαμε να υπολογίσουμε ότι η διαφορά στις ταχύτητες βαρυτικών και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι απειροελάχιστη!

Οπότε, συμπερασματικά, η ταχύτητα της βαρύτητας είναι πεπερασμένη και έχει τιμή περίπου 300.000 km/s, ίση με την ταχύτητα του φωτός.

* Iστορικά, με βάση τη Νευτώνεια αντίληψη της παγκόσμιας έλξης, η βαρυτική αλληλεπίδραση διαδίδεται στιγμιαία. Με άλλα λόγια έχει άπειρη ταχύτητα. Παρόλα αυτά, γνωρίζουμε σήμερα ότι η θεωρία του Νεύτωνα δεν μπορεί να ερμηνεύσει όλα τα φαινόμενα, και ειδικά αυτά που σχετίζονται με μεταβαλλόμενα βαρυτικά πεδία (όπως βαρυτικά κύματα), και για το λόγο αυτό έχει αντικατασταθεί από την πληρέστερη θεωρία βαρύτητας του Αϊνστάιν.

** Το γεγονός αυτό άφηνε ανοιχτό το ενδεχόμενο, οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις να μπορούν να ταξιδεύουν και με διαφορετική ταχύτητα από αυτή του φωτός, όπως προβλέπεται από κάποιες εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας. Ωστόσο, οι παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων οδήγησαν είτε στην κατάρριψη, είτε σε σημαντικό περιορισμό πολλών τέτοιων μοντέλων.

*** Να τονίσουμε εδώ ότι οι μηχανισμοί, αλλά και οι χρόνοι, εκπομπής των δύο σημάτων είναι διαφορετικοί. Αυτό σημαίνει ότι οι αστροφυσικοί, πριν κάνουν οποιαδήποτε σύγκριση για να θέσουν περιορισμούς στην ταχύτητα των βαρυτικών κυμάτων, λαμβάνουν υπόψιν τους μια σειρά από αβεβαιότητες που αφορούν στη μοντελοποίηση της πηγής. 

Περαιτέρω διάβασμα:

• Γιατί “χρειαζόμαστε” τα βαρυτικά κύματα;
• (Στα αγγλικά): Why do physicists think gravity travels at the speed of light?