Η 11η Φεβρουαρίου 2016 αποτελεί αναμφίβολα μια ιστορική μέρα για την επιστημονική κοινότητα.Ο διευθυντής του επιστημονικού πειράματος LIGO ανακοίνωσε επίσημα την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων.Τα βαρυτικά κύματα είχαν προβλεφθεί από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν.Ας προσπαθήσουμε με τη βοήθεια δέκα ερωτοαπαντήσεων να κάνουμε προσιτή στο ευρύ κοινό την έννοια των περιβόητων βαρυτικών κυμάτων και να εξηγήσουμε πως έφτασαν οι επιστήμονες στην άμεση καταγραφή τους μετά από χρόνια ερευνών.
1)Τι είναι η βαρύτητα;
Η βαρύτητα είναι μια εκ των τεσσάρων δυνάμεων που υπάρχουν στη φύση και η ασθενέστερη από αυτές.Η βαρύτητα είναι αυτή που μας κρατάει στο έδαφος,διατηρεί τη σελήνη σε τροχιά και γενικότερα κυριαρχεί στον κόσμο μας.
2)Τι ονομάζουμε βαρυτικό πεδίο;
Βαρυτικό πεδίο είναι ο χώρος εκείνος μέσα στον οποίο κάθε μάζα δέχεται μια δύναμη.Για παράδειγμα, το γήινο βαρυτικό πεδίο έχει ως πηγή τη μάζα της Γης και ασκεί μια ελκτική δύναμη (βαρυτική έλξη) σε κάθε σώμα που εισέρχεται σε αυτό, είτε αυτό είναι ένα μικρό αντικείμενο είτε είναι η Σελήνη ή κάποιος από τους πλανήτες.
3)Πώς ορίζεται ο τετραδιάστατος χωροχρόνος;
Στη θεωρία της Σχετικότητας ο χώρος και ο χρόνος είναι άρρηκτα συνδεδεμένοι και τη θέση του τρισδιάστατου (μήκος,πλάτος,ύψος) χώρου έχει πάρει ο τετραδιάστατος (μήκος,πλάτος,ύψος,χρόνος). χωροχρόνος. Σύμφωνα με τη θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν (μιας νέας θεωρίας της βαρύτητας μετά από αυτήν του Νεύτωνα) ο χώρος δεν είναι μια περιοχή που στερείται κάθε ιδιότητας,αλλά ένα ευλύγιστο μέσο που είναι σε θέση να κάμπτεται και να συστρέφεται.Ο τρόπος με τον οποίο κάμπτεται και συστρέφεται είναι αυτός που ουσιαστικά διαμορφώνει ένα βαρυτικό πεδίο.Η γενική σχετικότητα είναι μια γεωμετρία ενός καμπυλωμένου τετραδιάστατου χωροχρόνου.
4)Τι εννοούμε λέγοντας ότι η παρουσία μιας μάζας καμπυλώνει ή στρεβλώνει το χωροχρόνο;
Τα φαινόμενα βαρύτητας είναι στην ουσία τα εξογκώματα,τα βαθουλώματα και οι παραμορφώσεις του χωροχρόνου.Είναι βέβαια δύσκολο για τον ανθρώπινο νου να συλλάβει τα βαθουλώματα και τα εξογκώματα στον τετραδιάστατο χωροχρόνο.Ένα απλοποιημένο ανάλογο παράδειγμα στις δύο διαστάσεις που σίγουρα θα βοηθήσει είναι ένα υδατόστρωμα (ή και ένα επίπεδο δίχτυ) στο κέντρο του οποίου είναι τοποθετημένη μια σφαίρα.
Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα της σφαίρας τόσο μεγαλύτερη θα είναι η τοπική καμπύλωση που προκαλεί αυτή στη δισδιάστατη επιφάνεια(υδατόστρωμα).Η καμπυλότητα αυτή σύμφωνα με τον Αϊνστάιν αποτελεί έκφραση της ύπαρξης του βαρυτικού πεδίου.Αν υπάρχει μια άλλη δεύτερη σφαίρα που κυλάει μακριά από την πρώτη, τότε θα διαγράψει μια ευθύγραμμη πορεία ενώ αν κινείται κοντά θα διαγράψει μια καμπύλη τροχιά μιας και θα κινείται στη βαθουλωμένη επιφάνεια.
5)Πώς δημιουργούνται τα βαρυτικά κύματα;
Ας χρησιμοποίησουμε και πάλι το δισδιάστατο παράδειγμα του υδατοστρώματος.Αν θέσουμε σε κίνηση την αρχικά ακίνητη σφαίρα στο κέντρο του υδατοστρώματος, θα διαδοθεί στην επιφάνειά του μια διαταραχή υπό τη μορφή κυμάτων προκαλώντας ρυτιδώσεις(βαθουλώματα και εξογκώματα).Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα που θα τεθεί σε κίνηση τόσο πιο μεγάλη θα είναι η διαταραχή και τόσο πιο έντονα τα κύματα.Έτσι και στο χωροχρόνο του σύμπαντος, η επιτάχυνση μιας μάζας παράγει βαρυτική ακτινοβολία που μπορεί να θεωρηθεί ως ένας κυματισμός της χωροχρονικής καμπυλότητας που διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός.Κάτι ανάλογο συμβαίνει στην Ηλεκτρομαγνητική θεωρία,όπου η επιτάχυνση ενός φορτισμένου σωματιδίου παράγει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία(φως,ραδιοκύματα,ακτίνες X κτλ.)
6)Γιατί είναι δύσκολο να ανιχνευθούν τα βαρυτικά κύματα;
Σε αντίθεση με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που είναι ανιχνεύσιμα (ανθρώπινο μάτι,κεραίες τηλεοράσεων,κινητών τηλεφώνων κτλ.), τα βαρυτικά κύματα δύσκολα μπορούν να ανιχνευθούν.Ακόμα και οι οι πιο ισχυρές βαρυτικές διακυμάνσεις δημιουργούν πολύ μικρές παραμορφώσεις στον χωροχρόνο φτάνοντας στη Γη.Η αλληλεπίδραση των βαρυτικών κυμάτων με την ύλη είναι αμελητέα και οι παραμορφώσεις που αυτά προκαλούν στα σώματα είναι απειροελάχιστες.
7)Ποιες είναι οι πιθανές πηγές ανιχνεύσιμων βαρυτικών κυμάτων;
Βαρυτικά κύματα υπάρχουν παντού γύρω μας.Κουνώντας για παράδειγμα κάποιος το χέρι του μπρος-πίσω δημιουργεί ένα βαρυτικό κύμα το οποίο δεν είναι βέβαια καθόλου ισχυρό.Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα που έχει ένα σώμα που επιταχύνεται και όσο μεγαλύτερη είναι η επιτάχυνσή του, τόσο πιο ισχυρό είναι το βαρυτικό κύμα.Αστροφυσικά φαινόμενα τα οποία οδηγούν σε μεγάλη παραγωγή βαρυτικής ακτινοβολίας είναι οι εκρήξεις σουπερνόβα (εκρήξεις που συμβαίνουν στο τέλος της ζωής των αστέρων),η επισώρευση ενός αστέρα σε μια μεγάλη μαύρη τρύπα (σκοτεινά σώματα με πολύ ισχυρό βαρυτικό πεδίο που δεν επιτρέπουν ούτε στο φως να ξεφύγει1) στο κέντρο ενός γαλαξία ή ενός αστρικού σμήνους,η συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων(είδος αστρικού κατάλοιπου που προκύπτει από τη βαρυτική κατάρρευση ενός αστέρα πολύ μεγάλης μάζας) ή δύο μαύρων τρυπών που κινούνται σε γειτονικές τροχιές.
8)Πώς μπορούν να ανιχνευθούν τα βαρυτικά κύματα;
Όταν το βαρυτικό κύμα περάσει μέσα από την ύλη,οι κυματισμοί στη χωροχρονική καμπυλότητα θα ασκήσουν «δυνάμεις» στην ύλη.Πιο συγκεκριμένα, ένα βαρυτικό κύμα που προσπίπτει κάθετα στη Γη σε μια περιοχή που έχουμε τοποθετήσει δύο ράβδους σε σχήμα «L»,θα μεταβάλλει με συγκεκριμένο και ρυθμικό τρόπο το μήκος των δύο ράβδων.Όταν το μήκος της μιας ράβδου θα μειώνεται, της άλλης θα αυξάνεται και αντίστροφα,με έναν συγκεκριμένο ρυθμό που καθορίζεται από το κύμα.Οι συσκευές ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων πρέπει να εντοπίσουν αυτές τις απειροελάχιστες παραμορφώσεις των ράβδων οι οποίες και αποτελούν ένδειξη της διέλευσης ενός βαρυτικού κύματος.
9)Πού υπάρχουν σήμερα ανιχνευτές βαρυτικής ακτινοβολίας;
Κοντά στην Πίζα της Ιταλίας υπάρχει μια κατασκευή ανιχνευτών βαρυτικής ακτινοβολίας (VIRGO) ενώ το αμερικανικό πρόγραμμα (LIGO) αποτελείται από δύο ανιχνευτές που βρίσκονται στις πολειτείες της Λουιζιάνα και της Ουάσινγκτον αντίστοιχα.Ανιχνευτές έχουν τεθεί σε λειτουργία στο Αννόβερο της Γερμανίας και στο Κιότο της Ιαπωνίας.Στο μέλλον ανιχνευτές βαρυτικής ακτινοβολίας αναμένεται να τοποθετηθούν και στο διάστημα(LISA).
10)Ποια είναι η σημασία της ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων;
Η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων θα μας δώσει πληροφορίες για φαινόμενα τα οποία πιθανόν να συμμετέχει και μια μαύρη τρύπα.Η Αστρονομία Βαρυτικών Κυμάτων ίσως να προσφέρει ένα τρόπο για να ανιχνευθούν οι μαύρες τρύπες.Αν η πιθανή πηγή την βαρυτικών κυμάτων είναι ένα διπλό σύστημα αστέρων νετρονίων θα εξαχθούν πολλές πληροφορίες για την μάζα του συστήματος και για την ακτίνα των αστέρων νετρονίων.Θα επιτραπεί επίσης στους επιστήμονες να μελετήσουν τις ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων και τις αλληλεπιδράσεις τους σε υψηλές πυκνότητες που είναι αδύνατον να παραχθούν εργαστηριακά.Εν κατακλείδι,η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων θα μας δώσει τη δυνατότητα,να ανακαλύψουμε πολλά από τα ανεξερεύνητα ως τώρα μυστικά του Σύμπταντος!
Βιβλιογραφία/ Παραπομπές
- Διονύσης Σιμόπουλος,Οδηγός Παράστασης Μαύρες Τρύπες,Ίδρυμα Ευγενίδου
- Paul G.Hewitt,Οι έννοιες της Φυσικής,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης
- Robert M.Wald,Χώρος,Xρόνος και Bαρύτητα,Εκδόσεις Πουκαμισάς
- Στεργιούλας Νίκος,Κόκκοτας Κώστας,Τα κύματα της βαρύτητας,Άρθρο στο Βήμα (04-01-2015)