Αστρονομία χωρίς φως

Της Βασιλικής Γερμάνη

Οι άνθρωποι πάντα  έχουν ασκήσει κάποια μορφή αστρονομίας. Για χιλιάδες χρόνια, αυτό γίνονταν με τη παρατήρηση του φωτός που μπορούσαν να δουν τα μάτια μας  – είτε χωρίς βοήθεια είτε με διάφορα όργανα, όπως αστρολάβοι ή τηλεσκόπια. Ο 20ος αιώνας έφερε νέους τύπους τηλεσκοπίων, που ανιχνεύουν το «φως» που δεν μπορούμε να δούμε: υπέρυθρες ακτίνες, ακτίνες Χ και ούτω καθεξής.
Σήμερα βρισκόμαστε μάρτυρες της γένεσης ενός εντελώς καινούργιου τύπου αστρονομίας που δεν χρησιμοποιεί καθόλου φως. Χρησιμοποιεί βαρυτικά κύματα.

Τα βαρυτικά κύματα είναι πτυχώσεις που στρεβλώνουν τον χωρόχρονο. Οι ανιχνευτές μας εντοπίζουν αυτά τα κύματα από γεγονότα όπως η συγχώνευση δύο μελανών οπών.

Βασικές γνώσεις

Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, η βαρύτητα δρα σαν ρεύματα στον ωκεανό του χωροχρόνου, τραβώντας απαλά τους πλανήτες και τα αστέρια. Τα βαρυτικά κύματα εμφανίζονται σαν διπλώσεις της επιφάνειας αυτού του κοσμικού ωκεανού, που παράγονται είτε από δυαδικά αστέρια νετρονίων που περιστρέφονται το ένα γύρω και δίπλα στο άλλο, είτε από εκρήξεις σουπερνόβα ή ακόμη και από συστροφές μαύρων τρυπών σε ένα σπιράλ θανάτου πριν να συγκρουστούν.
Στην πραγματικότητα, είναι πολύ εύκολο να δημιουργήσετε βαρυτικά κύματα. Σταθείτε όρθιοι και γυρίστε μια φορά γύρω από τον κατακόρυφο άξονα σας και αμέσως έχετε κάνει ένα (βαθιά αδύναμο) βαρυτικό κύμα. Αλλά μερικά πράγματα στο σύμπαν κάνουν εξαιρετικά ισχυρά κύματα, όπως για παράδειγμα οι τρεις συγκρούσεις μεταξύ μαύρων τρυπών που ανιχνεύθηκαν από το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων (LIGO), καθώς και μια τέταρτη ανίχνευση που έγινε από κοινού από τον LIGO και το ευρωπαϊκό ομόλογό του, το Virgo. (Μία από αυτές τις ανιχνεύσεις του LIGO είναι «περιθωριακή», που σημαίνει ότι το σήμα δεν είναι αρκετά καλό για να είμαστε απολύτως βέβαιοι ότι πρόκειται για σύγκρουση μαύρης τρύπας, αλλά την αναφέρω στο άρθρο για λόγους πληρότητας.)
 

Οι ανιχνευτές LIGO / Virgo.

Σε κάθε περίπτωση, ένα ζεύγος μαύρων τρυπών συγκρούστηκε και συγχωνεύθηκε σε μια μεγαλύτερη μαύρη τρύπα, αλλά δεν εξέπεμψε κανένα φως που να μπορούσαμε να δούμε. Με άλλα λόγια, είδαμε αυτές τις συγκρούσεις μόνο επειδή εκπέμπαν βαρυτικά κύματα – έτσι δεν μπορούσαμε να βασιστούμε στα συνηθισμένα τηλεσκόπια με βάση το φως για να μας βοηθήσουν.
Στην πραγματικότητα, οι ανιχνεύσεις LIGO / Virgo μας έχουν ήδη δείξει κάτι νέο.
Όλες οι 22 μαύρες οπές μεγάλης μάζας που είχαν ανακαλυφθεί παλιότερα χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια ακτίνων Χ έδειχναν να είναι ελαφρύτερες από 20 φορές τη μάζα του Ήλιου.
Αντίθετα, οι περισσότερες από τις μαύρες τρύπες LIGO / Virgo είναι περισσότερο από 20 φορές τη μάζα του Ήλιου, και μετά τις συγχωνεύσεις έγιναν ακόμη πιο μεγάλες. Το πρώτο σήμα βαρυτικού κύματος που λάβαμε προέρχεται από δύο μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται για να σχηματίσουν ένα “τέρας” πάνω από 60 φορές τη μάζα του Ήλιου.
Δεν είναι μόνο ότι οι μαύρες τρύπες που βρέθηκαν χρησιμοποιώντας βαρυτικά κύματα είναι μεγαλύτερες, αλλά φαίνεται να συγκρούονται και συχνότερα από ό, τι φαντάζονταν οι αστρονόμοι. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να καταλάβουμε πώς σχηματίζονται αυτά τα ζεύγη μαύρων τρυπών, αφού τα περισσότερα μοντέλα αποτυγχάνουν να προβλέψουν τον αριθμό των τεράστιων συγκρούσεων που έχουμε ήδη δει.
 

Οι τρέχοντες εντοπισμοί βαρυτικών κυμάτων προέρχονται από την συνένωση τεράστιων μελανών οπών.

Μια νέα εποχή


Έτσι εξηγείται γιατί το νέο πεδίο αστρονομίας, αυτό των βαρυτικών κυμάτων, είναι τόσο συναρπαστικό. Κάθε νέα μέθοδος που αναπτύσσουμε για να μελετήσουμε το σύμπαν έχει ως αποτέλεσμα και την ανακάλυψη κάτι απροσδόκητου. Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, τα πάλσαρς, οι εκρήξεις των ακτίνων γάμμα και πολλά άλλα αντικείμενα, ανακαλύφθηκαν με την ανάπτυξη νέων κλάδων της αστρονομίας, πέραν εκείνης που παρατηρεί το φως. Έτσι, η αστρονομία βαρυτικών κυμάτων είναι πιθανό να οδηγήσει και σε άλλες που δεν μπορούμε να προβλέψουμε σήμερα.
Εν τω μεταξύ, η μελέτη και η αναζήτηση σ’ αυτό το νέο πεδίο της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων μόλις ξεκίνησε. Το LIGO δεν λειτουργεί ακόμα στις μέγιστες δυνατότητές του και φέτος είναι η πρώτη φορά που οι δύο ανιχνευτές του συνεργάστηκαν με το Virgo. Όταν ολοκληρωθούν όλες οι αναβαθμίσεις του παρατηρητηρίου, θα είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε τα κύματα βαρύτητας από μακρύτερες αποστάσεις και ασθενέστερες πηγές.
Αυτές οι ασθενέστερες πηγές πιθανότατα θα είναι το επόμενο μεγάλο εύρημα το οποίο ίσως να προέρχεται από σύγκρουση πάλσαρ  – που είναι στην ουσία λείψανα υπερ-πυκνών πυρήνων τεράστιων αστεριών. Όταν αυτά τα αντικείμενα συγκρούονται, παράγουν έκρηξη ακτίνων γάμμα και πολύ ορατό φως, αλλά δημιουργούν επίσης και κύματα βαρύτητας. Βλέποντας το γεγονός με δύο τρόπους, δηλαδή μέσω της φωτεινής όσο και της βαρυτικής ακτινοβολίας, θα μας δώσει επιπλέον πληροφορίες, που δεν θα μπορούσαμε να έχουμε με άλλο τρόπο.
Πιο σπάνια, μερικές εκρήξεις σουπερνόβα είναι πιθανό να παράξουν ανιχνεύσιμα βαρυτικά κύματα. Δεδομένου ότι δεν ξέρουμε ακριβώς πώς εκρήγνυνται τα αστέρια, το LIGO και το Virgo μπορεί να μας παρέχουν κάποια πολύτιμη γνώση. Οι σουπερνόβα εκπέμπουν πολύ φως (όπως αυτό που παράγουν και τα Πάλσαρς όταν συγκρούονται), έτσι μπορούμε και πάλι να χρησιμοποιήσουμε πολλαπλούς τύπους παρατηρήσεων για να μελετήσουμε το ίδιο γεγονός.
Μια κοσμική λύση
Το LIGO, το Virgo και το επερχόμενο ιαπωνικό παρατηρητήριο KAGRA είναι ότι καλύτερο έχουμε σε επιστημονικά όργανα. Κάθε ένας από τους ανιχνευτές σχήματος L του LIGO έχει βραχίονες μήκους 4 χιλιομέτρων, οι βραχίονες του Virgo έχουν μήκος σχεδόν 3 μίλια. Οι βραχίονες πρέπει να έχουν μεγάλο μήκος ώστε να εξασφαλίζουν ότι είναι ευαίσθητοι στα κύματα βαρύτητας, τα οποία μπορούν να έχουν μεγάλα μήκη κύματος. Για παράδειγμα, το LIGO  ευαίσθητο σε μήκη κύματος μεταξύ 60 και 600 μιλίων περίπου (100-1.000 χλμ.). Όμως ακόμα κι έτσι, πολλά αστρονομικά αντικείμενα παράγουν κύματα βαρύτητας πολύ μεγάλα για να τα «πιάσουν» οι ανιχνευτές. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κύματα βαρύτητας είναι συχνά συγκρίσιμα με το φυσικό μέγεθος της πηγής τους.
 

Για παράδειγμα, ένα ζευγάρι υπερμεγέθων μαύρων οπών που βρίσκονται σε τροχιά η μία γύρω από την άλλη, θα μπορούσε να παράγει βαρυτικά κύματα τόσο μεγάλα όσο το ηλιακό σύστημα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορούμε να τα εντοπίσουμε. Ωστόσο, το σύμπαν παρέχει τρόπους για να παρατηρήσουμε αυτά τα κύματα βαρύτητας με τη βοήθεια πάλσαρ, τα οποία αναβοσβήνουν όπως ακριβώς μερικά από τα πιο ακριβή ρολόγια. Όταν τα κύματα βαρύτητας περνούν από το χώρο που καταλαμβάνουν αυτά τα Πάλσαρς, τεντώνουν και συμπιέζουν αυτόν τον χώρο, επηρεάζοντας το μήκος κύματος και το χρονισμό των σημάτων των παλμών που τελικά φτάνουν στη Γη. Οι αστρονόμοι μπορούν να μετρήσουν με ακρίβεια αυτές τις χρονικές διαφορές χρησιμοποιώντας ραδιοτηλεσκόπια, όπως το Arecibo στο Πουέρτο Ρίκο.
Τώρα, οι αστρονόμοι κάνουν παρατηρήσεις με τη βοήθεια των Πάλσαρς που βρίσκονται διάσπαρτα σε ολόκληρο τον ουρανό. Χρησιμοποιώντας  μια «συστοιχία χρονισμού pulsar», προσπαθούν να εντοπίσουν τις διαφορές χρονισμού που προκαλούνται από τα κύματα βαρύτητας. Μέχρι στιγμής, αυτές οι παρατηρήσεις δεν έφεραν κανένα αποτέλεσμα. Αλλά, επειδή απαιτούνται πολλά χρόνια για να συγκεντρωθούν αρκετά δεδομένα, είναι πιθανό να είναι μόνο θέμα χρόνου, για να εντοπίσουμε τα δακτυλικά αποτυπώματα των βαρυτικών κυμάτων πάνω στους παλμούς που λαμβάνουμε. Εν τω μεταξύ, οι αστρονόμοι βαρυτικών κυμάτων σχεδιάζουν συνεχώς νέα μέσα και σκέφτονται νέους τρόπους να παρατηρήσουν το αόρατο.
 

Τα δυαδικά συστήματα Πάλσαρ, όπως το PSR J0737-3039 το οποίο απεικονίζεται εδώ, παίζουν σημαντικό ρόλο στις «συστοιχίες χρονισμού πάλσαρς» που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι ώστε να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα.

Γιατί πραγματικά γι’ αυτό πρόκειται. Γνωρίζουμε ότι υπάρχουν κύματα βαρύτητας και ότι μέχρι στιγμής έχουμε δείξει ότι οι βασικές μας ιδέες είναι σωστές. Το επόμενο βήμα είναι να συνεχίσουμε: να βλέπουμε μέσω της βαρύτητας αυτό που δεν μπορούμε να δούμε με το φως. Η βαρύτητα μας επιτρέπει να βλέπουμε μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων να συγκρούονται, να βλέπουμε τις καρδιές αστέρων που πεθαίνουν και τέλος να δούμε – ίσως – και κάτι που δεν έχουμε δει ποτέ πριν….

Πηγή : astronomy.com