Μεταξύ ύλης και χωροχρόνου υπάρχει σχέση αλληλεπίδρασης. Η ύλη “λέει” στο χωροχρόνο πώς θα καμπυλωθεί και ο βαθμός καμπύλωσης του χωροχρόνου “υπαγορεύει” στην ύλη πώς θα κινηθεί.

Από την κίνηση των υλικών σωμάτων στον ιστό του χωροχρόνου δημιουργούνται διαταραχές, οι οποίες διαδίδονται μέσα σ’ αυτόν, από την πηγή προς τα έξω, με την ταχύτητα του φωτός. Αυτές οι διαταραχές, που έχουν τη μορφή πτυχώσεων ή ταλαντώσεων στο συνεχή ιστό του χωροχρόνου είναι τα βαρυτικά κύματα.

Πηγές ανιχνεύσιμων βαρυτικών κυμάτων μπορεί να είναι: δυαδικά αστρικά συστήματα που αποτελούνται από αστέρες νετρονίων, μαύρες τρύπες ή λευκούς νάνους, ή μια έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς, ή ο κοσμικός πληθωρισμός…

Τα βαρυτικά κύματα προβλέφθηκαν το 1916 από τον Albert Einstein στη βάση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας και μεταφέρουν ενέργεια υπό τη μορφή βαρυτικής ακτινοβολίας. Ο Einstein πίστευε ότι τα κύματα βαρύτητας ήταν τόσο αδύναμα, ώστε να μην μπορέσουν να γίνουν ποτέ αντιληπτά, γι’ αυτό άλλωστε και δεν είχαν εντοπιστεί. Κι έτσι η θεωρία του για τα βαρυτικά κύματα παρέμενε χωρίς αποδείξεις.

Πότε δημιουργήθηκε η πρώτη υπόνοια ότι πράγματι υπάρχουν βαρυτικά κύματα;

Μία έμμεση ένδειξη, ότι τα βαρυτικά κύματα πρέπει να υπάρχουν, εντοπίστηκε το 1974 από τους Αμερικανούς αστροφυσικούς Russel Hulse και Joseph Taylor που τους χάρισε μάλιστα και το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1993. Από μελέτες που έκαναν, από το 1974 έως το 1980, σε ένα διπλό σύστημα αστέρων νετρονίων (πάλσαρ) παρατήρησαν ότι η περίοδος της τροχιάς τους μειώνονταν, γεγονός που πρέπει να οφείλονταν στην εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Αν και οι μεταβολές αυτές ήταν ελάχιστες, εντούτοις αντιστοιχούσαν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προβλέπει η Γενική Σχετικότητα.

Μετά από αυτό άρχισε η κατασκευή ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων των δύο συμβολόμερτων LIGO στη Λουιζιάνα και την Ουάσιγκτον και του VIRGO στην Ιταλία.

 

Η πρώτη επιβεβαίωση της θεωρίας του Einstein για τα βαρυτικά κύματα

Η πρώτη πειραματική ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας, που επιβεβαίωσε τον Einstein, έγινε τις 14 Σεπτεμβρίου του 2015 από τον ανιχνευτή Ligo. Η έκπληξη ήταν μεγάλη και η είδηση δημοσιεύτηκε στις 11 Φεβρουαρίου του 2016.

Το σήμα που ανίχνευσαν προέρχονταν από τη συγχώνευση δύο Μελανών οπών, η μία με μάζα 36 ηλιακών μαζών και η άλλη με 29 ηλιακές μάζες σε απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Η σύγκρουση εκείνη δημιούργησε μία μεγαλύτερη Μαύρη Τρύπα με μάζα 62 ηλιακές μάζες ενώ οι τρεις “χαμένες” ηλιακές μάζες μετετράπησαν σε ενέργεια βαρυτικών κυμάτων. Η ενέργεια αυτή θα ήταν αντίστοιχη, ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με την ενέργεια που εκπέμπουν 50 φορές όλα τα άστρα του Σύμπαντος(!! )

Παρ’ όλα αυτά η παραμόρφωση που κατέγραψαν τα δύο συμβολόμετρα LIGO στη Λουιζιάνα και την Ουάσγκτον δεν υπερέβαινε τα τέσσερα χιλιοστά της διαμέτρου ενός πρωτονίου 10^(-18) m και είχε διάρκεια 0.2 sec. (!!)

Το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2017 απονέμεται στους ερευνητές, οι οποίοι πρωτοστάτησαν στη δημιουργία και την ανάπτυξη των ειδικών παρατηρητηρίων LIGO, Rainer Weiss, Barry C. Barish και Kip Thorne.

Τα τέλη του 2019 ανιχνεύονται βαρυτικά κύματα που προέρχονταν από τη συγχώνευση δύο Άστρων Νετρονίων (ΑΝ-NS).

Στις 29 Ιουνίου 2021, η συνεργασία LIGΟ-VIRGO ανακοίνωσε τον εντοπισμό ενός τρίτου είδους βαρυτικών κυμάτων από την συγχώνευση Άστρων Νετρονίων με Μαύρες Τρύπες (NSBH) γεγονός που εντοπίστηκε για πρώτη φορά σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις στις 5 και 15 Ιανουαρίου του 2020 από τους ανιχνευτές LIGO και VIRGO .

Μέχρι τώρα είχαμε την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων που προέρχονταν από την συγχώνευση δύο ΜΤ ή δύο ΑΝ, επομένως με την τελευταία συγχώνευση ΜΤ με ΑΝ συμπληρώνονται όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί διπλών ζευγών.

Έκτοτε τα εργαστήρια αυτά κατόρθωσαν να εντοπίσουν δεκάδες διαφορετικές πηγές βαρυτικών κυμάτων, η εμφάνιση των οποίων καταγράφεται πλέον σε εβδομαδιαία βάση και πολύ σύντομα σε καθημερινή.

Από τις βασικές προτεραιότητες της ESA και της NASA είναι να μεταφερθεί το κυνήγι των βαρυτικών κυμάτων και στο διάστημα, με την υλοποίηση της διαστημικής αποστολής LISA.

Τι πληροφορίες μας δίνουν τα βαρυτικά κύματα;

Τα βαρυτικά κύματα μπορούν να περιγράψουν τη βίαιη προέλευσή τους, να μας αποκαλύψουν την ιστορία της πηγής που τα δημιούργησε, τη μάζα, την ταχύτητα περιστροφής, το σχήμα της τροχιάς, τη θέση της και την απόστασή της.

Μπορούν επίσης να μας αποκαλύψουν και το τι συνέβη στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη γέννηση του Σύμπαντος.

Γιατί, όπως η ακτινοβολία υποβάθρου είναι η ηλεκτρομαγνητική υπογραφή της Μεγάλης Έκρηξης, μπορεί να υπάρχει επίσης κι ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων που ίσως να δημιουργήθηκε με την απότομη διόγκωση του Σύμπαντος στην φάση της πληθωριστικής του διαστολής στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του πρώτου δευτερολέπτου της ύπαρξής του.

Επίσης πληροφορίες για τις μαύρες τρύπες και για τη σκοτεινή ύλη μόνο τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να μας δώσουν.

Μια προσομοίωση δημιουργίας βαρυτικών κυμάτων από τη συγχώνευση ζεύγους αστέρων νετρονίων

Πηγές: