Το Σύμπαν διαστέλλεται - τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να μας δείξουν πόσο γρήγορα
Τα βαρυτικά κύματα, τα οποία εντοπίστηκαν για πρώτη φορά μόλις πριν από δύο χρόνια, θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους αστρονόμους να βρουν μια πολύ πιο ακριβή τιμή για το ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Σύμφωνα με ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, μια ακριβής εκτίμηση με τη χρήση αυτής της μεθόδου θα μπορούσε να αναπτυχθεί εντός πέντε έως δέκα ετών.
Το 1929, ο Έντουιν Χαμπλ συγκλόνισε τον κόσμο της αστρονομίας αφού οι παρατηρήσεις του απέδειξαν ότι το σύμπαν δεν ήταν στατικό αλλά ότι μάλλον βρίσκεται σε συνεχή κατάσταση διαστολής. Όχι μόνο αυτό, αλλά ο ρυθμός επέκτασης επιταχύνεται — όσο πιο μακριά είναι ένα αντικείμενο, τόσο πιο γρήγορα θα απομακρυνθεί από το πλεονέκτημά μας. Αυτή η εικόνα στηρίζει μεγάλο μέρος της σύγχρονης κοσμολογίας και χωρίς την ιδέα ενός διαστελλόμενου σύμπαντος, δεν θα μπορούσε να υπάρξει κάτι τέτοιο όπως η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, για παράδειγμα.
Ωστόσο, ο προσδιορισμός του ακριβούς ρυθμού επέκτασης, της λεγόμενης σταθεράς Hubble, έχει αποδειχτεί προκλητική δουλειά ακόμη και με τα σύγχρονα όργανα και τεχνικές του σήμερα, σχεδόν έναν αιώνα αφότου ο Hubble έκανε την πρωτοποριακή του ανακάλυψη.
Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν δύο πολύ διαφορετικές μεθόδους για τον υπολογισμό της σταθεράς Hubble:η μία περιλαμβάνει την καταγραφή της απόστασης από ένα μακρινό αντικείμενο (όπως ένα φωτεινό κβάζαρ) και το πόσο γρήγορα απομακρύνεται από εμάς. Αυτή η δεύτερη ποσότητα είναι σχετικά εύκολο να προσδιοριστεί, καθώς το φως αυξάνει το μήκος κύματός του λόγω της καθολικής διαστολής, μετατοπίζοντας στο κόκκινο τμήμα του φάσματος καθώς υποχωρεί — αυτό είναι το λεγόμενο φαινόμενο Doppler.
Ωστόσο, η απόσταση μέτρησης είναι πολύ πιο επιρρεπής σε σφάλματα, επειδή υπάρχουν πολλά βήματα όπου γίνονται υποθέσεις και προσεγγίσεις στην πορεία. Με απλά λόγια, αν συνεχίσετε να στρογγυλοποιείτε σε κάθε βήμα, τα δευτερεύοντα σφάλματα αθροίζονται και μπορεί τελικά να καταλήξετε με ένα σημαντικό σφάλμα για την τελική τιμή.
Η δεύτερη προσέγγιση για τον υπολογισμό της σταθεράς Hubble είναι η μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου - της ακτινοβολίας που απομένει από τη Μεγάλη Έκρηξη, ή την εποχή που ξεκίνησε το σύμπαν, η οποία είναι ακόμα ανιχνεύσιμη. Αυτή η μέθοδος επίσης βασίζεται σε ορισμένες υποθέσεις σχετικά με το πώς λειτουργεί το σύμπαν.
Το πρόβλημα είναι ότι όταν συγκρίνετε τα δύο, δεν καταλήγετε σε παρόμοιο αποτέλεσμα.
Αυτό που λαμβάνετε όταν συγκρίνετε τα αποτελέσματα των δύο μεθόδων είναι μια διαφορά αξίας 10%. Αυτό είναι πάρα πολύ μεγάλη απόκλιση, γι' αυτό πολλοί αστροφυσικοί αναζητούν μια νέα μέθοδο που θα μπορούσε να βρει μια πιο ακριβή τιμή για τη σταθερά Hubble.
Ο Daniel Holz, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, και οι συνάδελφοί του ίσως μόλις βρήκαν το χρυσό εισιτήριο. Συνδυάζοντας παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων, όπως αυτά που παράγονται από τη σύγκρουση δύο αστέρων, και το φως που εκπέμπεται μετά τη σύγκρουση, οι επιστήμονες λένε ότι είναι δυνατός ο υπολογισμός της σταθεράς Hubble με έναν εντελώς νέο τρόπο.
Οι κυματισμοί ενός διαστελλόμενου σύμπαντος
Η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων, τα οποία προβλέφθηκαν για πρώτη φορά από τη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν πριν από περίπου εκατό χρόνια, επιβεβαιώθηκε μόλις πρόσφατα. Το συμβάν καταγράφηκε από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO), του οποίου οι ιδρυτές τιμήθηκαν με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για αυτό το επίτευγμα.
Τα κύματα βαρύτητας είναι ουσιαστικά κυματισμοί στον ιστό του χωροχρόνου που δημιουργούνται από αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολύ μαζικών επιταχυνόμενων κοσμικών αντικειμένων, όπως αστέρια νετρονίων ή μαύρες τρύπες. Από πολλές απόψεις, τα κύματα βαρύτητας δεν διαφέρουν τόσο πολύ από τα κύματα που δημιουργούνται όταν μια πέτρα ρίχνεται σε μια λίμνη.
Το LIGO ιδρύθηκε το 1992, οπότε τους πήρε 25 χρόνια για να αποδείξουν την ύπαρξη κυμάτων βαρύτητας, επειδή η ανίχνευση ενός κύματος βαρύτητας βασίζεται σε εξαιρετική ακρίβεια. Οι επιστήμονες έπρεπε να μετρήσουν μια αλλαγή απόστασης 1.000 φορές μικρότερη από το πλάτος ενός πρωτονίου χρησιμοποιώντας συμβολόμετρα, τα οποία είναι βασικά κάτοπτρα που τοποθετούνται σε απόσταση 4 χιλιομέτρων.
Η πρώτη ανίχνευση βαρυτικού κύματος σημειώθηκε στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 και προκλήθηκε από τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών — ένα γεγονός που ανακοινώθηκε στις 11 Φεβρουαρίου 2016. Από τότε, οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει μια σειρά από άλλα γεγονότα, συμπεριλαμβανομένων των βαρυτικών κύματα που παράγονται από τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων. Αυτή ήταν η πρώτη φορά που εντοπίστηκαν σήματα που προέρχονται από την ίδια πηγή τόσο με παραδοσιακά τηλεσκόπια που ανιχνεύουν φως όσο και με ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που ανιχνεύουν τις ρυτίδες στο ύφασμα του χωροχρόνου.
Η αξιοσημείωτη ανακάλυψη έδωσε επίσης τη δυνατότητα στην ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου του Σικάγο να επινοήσει τη νέα τους μέθοδο. Μετρώντας το σήμα που εκπέμπεται από τα συγκρουόμενα αστέρια, οι επιστήμονες μπορούν να λάβουν μια υπογραφή της μάζας και της ενέργειάς τους. Όταν συγκρίνουν αυτήν την ένδειξη με την ισχύ των βαρυτικών κυμάτων, μπορούν να συμπεράνουν πόσο μακριά είναι.
Ο Holz λέει ότι αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει λιγότερες υποθέσεις για το σύμπαν, κάτι που θα έκανε τον υπολογιστή Hubble σταθερό πιο ακριβή. Η μόνη σημαντική μεταβλητή που επηρεάζει την ακρίβεια της μέτρησης είναι πόσο συχνά οι επιστήμονες μπορούν να καταγράφουν το βαρυτικό κύμα. Ο Holz και οι συνεργάτες του εκτιμούν ότι η ανίχνευση 25 μετρήσεων από συγκρούσεις άστρων νετρονίων θα μπορούσε να τους επιτρέψει να μετρήσουν τη διαστολή του σύμπαντος με ακρίβεια 3%. Σε 200 αναγνώσεις, το σφάλμα μειώνεται μόνο στο 1% — και όλο αυτό μπορεί να διαρκέσει μόνο μερικά χρόνια, ανέφεραν οι συγγραφείς στο περιοδικό Nature.
Μια ακριβής τιμή για τη σταθερά του Hubble θα μπορούσε να μας πει εάν η φύση της βαρύτητας έχει αλλάξει με την πάροδο του χρόνου ή θα μπορούσε να ρίξει φως στη σκοτεινή ενέργεια, τη δύναμη που είναι υπεύθυνη για τη διαστολή του σύμπαντος. Επίσης σημαντικό είναι ότι οι επιστήμονες θα μπορούσαν να καταλήξουν σε μια πολύ πιο ακριβή τιμή για την ηλικία του σύμπαντος.
