Τι είναι τα Βαρυτικά Κύματα;

Αν και μπορεί να μην έχει το πιο όμορφο όνομα, το συμβάν GW150914 είναι αρκετά σημαντικό όσον αφορά την κατανόησή μας για το Σύμπαν. Αυτό το συμβάν, με ένα όνομα που περιλαμβάνει το «GW» ως πρόθεμα που είναι συντομογραφία του «Βαρυτικού Κύματος» και η ημερομηνία παρατήρησης –15/09/14– σηματοδότησε την πρώτη άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από την ανθρωπότητα.

Αυτό ήταν πρωτοποριακό σε δύο μέτωπα. Πρώτον, επιβεβαίωσε με επιτυχία μια πρόβλεψη που έγινε από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Albert Einstein σχεδόν έναν αιώνα πριν. Μια πρόβλεψη ότι τα δηλωμένα γεγονότα που συμβαίνουν στο Σύμπαν δεν παραμορφώνουν απλώς τον χωροχρόνο, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί πραγματικά να στείλει κυματισμούς μέσω αυτού του κοσμικού ιστού.

Η δεύτερη σημαντική πτυχή αυτής της παρατήρησης ήταν το γεγονός ότι αντιπροσώπευε έναν εντελώς νέο τρόπο να «δούμε» το Σύμπαν, τα γεγονότα και τα αντικείμενά του. Αυτή η νέα μέθοδος διερεύνησης του σύμπαντος οδήγησε σε μια εντελώς νέα μορφή αστρονομίας. πολυαγγελιοφόρος αστρονομία. Αυτό συνδυάζει «παραδοσιακές» παρατηρήσεις του Σύμπαντος στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα με την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, επιτρέποντάς μας έτσι να παρατηρήσουμε αντικείμενα που προηγουμένως ήταν αόρατα σε εμάς.

Έτσι, η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων άνοιξε πραγματικά ένα εντελώς νέο παράθυρο στο σύμπαν, αλλά τι είναι τα βαρυτικά κύματα, τι αποκαλύπτουν για τα αντικείμενα που τα δημιουργούν και πώς ανιχνεύουμε τόσο μικροσκοπικά τρέμει στην ίδια την πραγματικότητα;

Περιεχόμενα

• 1 Gravitational Waves:The Basics
• 2 θεωρητικές βάσεις
• 3 Από πού προέρχονται τα βαρυτικά κύματα;
• 4 Πώς ανιχνεύουμε τα βαρυτικά κύματα;
• 5 διαφορετικά είδη βαρυτικών κυμάτων
• 6 Συνεχή Βαρυτικά Κύματα
• 7 συμπαγή δυαδικά εμπνευσμένα βαρυτικά κύματα
• 8 Στοχαστικά Βαρυτικά Κύματα
• 9 Μια Νέα Εποχή της Αστρονομίας
  • 9.1 Πηγές και περαιτέρω ανάγνωση

Gravitational Waves:The Basics

• Τα βαρυτικά κύματα είναι κυματισμοί στον ιστό του χωροχρόνου.
• Αυτοί οι κυματισμοί ταξιδεύουν από την πηγή τους με την ταχύτητα του φωτός.
• Το πέρασμα των βαρυτικών κυμάτων συνθλίβει και τεντώνει το ίδιο το διάστημα.
• Τα βαρυτικά κύματα μπορούν να ανιχνευθούν μετρώντας αυτές τις απειροελάχιστες αλλαγές στην απόσταση μεταξύ των αντικειμένων.
• Δημιουργούνται όταν ένα αντικείμενο ή ένα γεγονός που καμπυλώνει τον χωροχρόνο προκαλεί αυτή την καμπυλότητα να αλλάξει σχήμα.
• Μεταξύ των αιτιών των βαρυτικών κυμάτων είναι οι συγκρουόμενες μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων, σουπερνόβα και αστέρια που υφίστανται βαρυτική κατάρρευση.

Θεωρητικά θεμέλια

Φανταστείτε να κάθεστε στο πλάι μιας λίμνης, παρατηρώντας ήσυχα την ήρεμη επιφάνεια του νερού που δεν ενοχλείται από τη φύση, τον άνεμο ή ακόμα και από το παραμικρό αεράκι. Ξαφνικά ένα μικρό παιδί τρέχει δίπλα πετώντας ένα βότσαλο στη λίμνη. Η ηρεμία κλονίζεται στιγμιαία. Ωστόσο, ακόμα και όταν επιστρέφει η ειρήνη, βλέπετε τους κυματισμούς που εξαπλώνονται από το κέντρο της λίμνης να μειώνονται καθώς φτάνουν στις όχθες, συχνά χωρίζονται ή ανακλώνται όταν συναντούν ένα εμπόδιο.

Η επιφάνεια της λίμνης είναι μια χαλαρή 2D αναλογία για το ύφασμα του χωροχρόνου, το βότσαλο αντιπροσωπεύει ένα γεγονός όπως η σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών και η θέση μας στη Γη ισοδυναμεί με μια λεπίδα γρασιδιού στην όχθη που μόλις αισθάνεται τον κυματισμό που έχει μειώθηκε τρομερά στο ταξίδι του προς εμάς.

Τα βαρυτικά κύματα προβλέφθηκαν για πρώτη φορά από τον Henri Poincare το 1905 ως διαταραχές στον ιστό του χωροχρόνου που διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός, αλλά θα χρειαζόταν άλλα δέκα χρόνια για να αξιοποιηθεί πραγματικά η ιδέα από τους φυσικούς. Αυτό συνέβη όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν προέβλεψε το ίδιο φαινόμενο ως μέρος της επαναστατικής του γεωμετρικής θεωρίας της βαρύτητας το 1916, πιο γνωστή ως γενική σχετικότητα.

Ενώ αυτή η θεωρία είναι πιο γνωστή για την άποψη ότι τα αντικείμενα με μάζα θα προκαλούσαν παραμόρφωση του χωροχρόνου, προχώρησε επίσης ένα βήμα παραπέρα θεωρώντας ότι ένα επιταχυνόμενο αντικείμενο θα πρέπει να αλλάξει αυτή την καμπυλότητα και να προκαλέσει έναν κυματισμό να ηχεί μέσα χωροχρόνος. Τέτοιες διαταραχές στον χωροχρόνο δεν θα ήταν επιτρεπτές στη Νευτώνεια άποψη της βαρύτητας που έβλεπε τον ιστό του χώρου και του χρόνου ως ξεχωριστές οντότητες πάνω στις οποίες απλώς διαδραματίζονται τα γεγονότα του Σύμπαντος.

Αλλά στο δυναμικό και μεταβαλλόμενο στάδιο του ενιαίου χωροχρόνου του Αϊνστάιν, τέτοιοι κυματισμοί ήταν επιτρεπτοί.

Τα βαρυτικά κύματα προέκυψαν από τη δυνατότητα εύρεσης μιας κυματοειδούς λύσης στις εξισώσεις τανυστή στην καρδιά της γενικής σχετικότητας. Ο Αϊνστάιν πίστευε ότι τα βαρυτικά κύματα θα έπρεπε να δημιουργούνται μαζικά από την αλληλεπίδραση μεγάλων σωμάτων όπως τα δυαδικά συστήματα υπερ-πυκνών αστέρων νετρονίων και οι συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες.

Η αλήθεια είναι ότι τέτοιοι κυματισμοί στον χωροχρόνο θα πρέπει να δημιουργηθούν από οποιαδήποτε επιταχυνόμενα αντικείμενα, αλλά από επιταχυνόμενα αντικείμενα που συνδέονται με τη Γη προκαλούν διαταραχές που είναι πολύ μικρές για να ανιχνευθούν. Ως εκ τούτου, οι έρευνές μας πρέπει να στραφούν σε περιοχές του διαστήματος όπου η φύση μας παρέχει αντικείμενα που είναι πολύ πιο ογκώδη.

Καθώς αυτοί οι κυματισμοί ακτινοβολούν προς τα έξω από την πηγή τους προς όλες τις κατευθύνσεις και με την ταχύτητα του φωτός, μεταφέρουν πληροφορίες για το γεγονός ή το αντικείμενο που τους δημιούργησε. Όχι μόνο αυτό, αλλά τα βαρυτικά κύματα μπορούν να μας πουν πολλά για τη φύση του ίδιου του χωροχρόνου.

Από πού προέρχονται τα βαρυτικά κύματα;

Υπάρχει ένας αριθμός γεγονότων που μπορούν να εκτοξεύσουν βαρυτικά κύματα αρκετά ισχυρά ώστε να τα ανιχνεύσουμε με απίστευτα ακριβή εξοπλισμό εδώ στη Γη. Αυτά τα γεγονότα είναι μερικά από τα πιο ισχυρά και βίαια περιστατικά που έχει να προσφέρει το Σύμπαν. Για παράδειγμα, οι ισχυρότεροι κυματισμοί στον χωροχρόνο πιθανώς προκαλούνται από τη σύγκρουση μαύρων οπών.

Άλλα συμβάντα σύγκρουσης σχετίζονται με την παραγωγή ισχυρών βαρυτικών κυμάτων. για παράδειγμα η συγχώνευση μεταξύ μιας μαύρης τρύπας και ενός αστέρα νετρονίων ή δύο αστέρων νετρονίων που συγκρούονται μεταξύ τους.

Όμως, ένα κοσμικό σώμα δεν χρειάζεται πάντα έναν σύντροφο για να κάνει κύματα. Η αστρική κατάρρευση μέσω έκρηξης σουπερνόβα –η διαδικασία που αφήνει πίσω αστρικά υπολείμματα όπως μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων– προκαλεί επίσης την παραγωγή βαρυτικών κυμάτων.

Για να κατανοήσουμε πώς παράγονται τα βαρυτικά κύματα, είναι χρήσιμο να κοιτάξουμε σε πάλσαρ-δυαδικά συστήματα δύο αστέρων νετρονίων που εκπέμπουν κανονικούς παλμούς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή ραδιοφώνου του φάσματος.

Η θεωρία του Αϊνστάιν προτείνει ότι ένα σύστημα όπως αυτό θα πρέπει να χάνει ενέργεια από την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Αυτό θα σήμαινε ότι η τροχιακή περίοδος του συστήματος θα πρέπει να μειώνεται με πολύ προβλέψιμο τρόπο.

Τα αστέρια ενώνονται καθώς υπάρχει λιγότερη ενέργεια στο σύστημα για να αντισταθεί στην αμοιβαία βαρυτική τους έλξη, και ως αποτέλεσμα, η τροχιά τους αυξάνεται σε ταχύτητα, και έτσι οι παλμοί των ραδιοκυμάτων εκπέμπονται σε μικρότερα διαστήματα . Αυτό θα σήμαινε ότι ο χρόνος που χρειάζεται για το ραδιοκύμα να βρίσκεται απευθείας στο οπτικό μας πεδίο θα μειωθεί. κάτι που μπορούμε να μετρήσουμε.

Αυτό ακριβώς παρατηρήθηκε στο σύστημα Hulse-Taylor (PSR B1913±16), που ανακαλύφθηκε το 1974, το οποίο αποτελείται από δύο ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων. Αυτή η παρατήρηση χάρισε στους Russell A. Hulse και Joseph H. Taylor, Jr, και οι δύο από το Πανεπιστήμιο του Princeton, το Νόμπελ Φυσικής το 1993. Ο λόγος που δόθηκε από την Επιτροπή Νόμπελ ήταν:«για την ανακάλυψη ενός νέου τύπου πάλσαρ, μια ανακάλυψη που άνοιξε νέες δυνατότητες για τη μελέτη της βαρύτητας».

Αν και αναμφισβήτητα ένα εντυπωσιακό και σημαντικό επιστημονικό επίτευγμα, αυτό ήταν ακόμα μόνο έμμεση απόδειξη βαρυτικών κυμάτων. Ενώ το φαινόμενο που προέβλεψε ο Αϊνστάιν για τη συντόμευση της περιστροφής του πάλσαρ ήταν οπωσδήποτε παρόν, αυτό δεν ήταν μια πραγματική άμεση ανίχνευση.

Στην πραγματικότητα, αν και δεν ήταν ζωντανός για να παρακολουθήσει αυτό το σπουδαίο επίτευγμα, ο Αϊνστάιν είχε προβλέψει ότι αυτό θα είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο θα μπορούσαμε να συγκεντρώσουμε οποιονδήποτε υπαινιγμό βαρυτικών κυμάτων. Ο μεγάλος φυσικός πίστευε ότι αυτοί οι κυματισμοί του χωροχρόνου θα ήταν τόσο αχνοί που θα παρέμεναν αδύνατο να ανιχνευθούν με οποιοδήποτε τεχνολογικό μέσο που μπορούσε να φανταστεί κανείς εκείνη τη στιγμή.

Ευτυχώς, ο Αϊνστάιν έκανε λάθος.

Πώς ανιχνεύουμε τα βαρυτικά κύματα;

Δεν πρέπει να προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η ανίχνευση ενός βαρυτικού κύματος απαιτεί ένα κομμάτι εξοπλισμού τεράστιας ευαισθησίας. Ενώ η επίδραση των βαρυτικών κυμάτων –το ίδιο το χώρο συμπίεσης και τάνυσης– ακούγεται σαν κάτι που θα έπρεπε κατ' εξοχήν ορατό, ο βαθμός στον οποίο συμβαίνει αυτή η διαταραχή είναι τόσο μικροσκοπικός που είναι εντελώς ανεπαίσθητος.

Ευτυχώς, υπάρχει είναι ένας κλάδος της φυσικής που είναι αρκετά επιδέξιος στην αντιμετώπιση των μικροσκοπικών. Για να εντοπίσουν τα βαρυτικά κύματα, οι ερευνητές θα χρησιμοποιούσαν ένα φαινόμενο που ονομάζεται παρεμβολή, κάτι που αποδείχθηκε στο πιο διάσημο πείραμα κβαντικής φυσικής όλων των εποχών. το πείραμα της διπλής σχισμής.

Οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι ένα συμβολόμετρο λέιζερ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να μετρήσει τη μικροσκοπική σύνθλιψη και το τέντωμα του χώρου, καθώς θα προκαλούσε τη συρρίκνωση των βραχιόνων του εξοπλισμού κατά ένα λεπτό. Αυτό σημαίνει ότι όταν χωρίζετε ένα λέιζερ και το στέλνετε μέσω των βραχιόνων ενός συμβολόμετρου, η συμπίεση του χώρου που προκαλείται από τη διέλευση ενός βαρυτικού κύματος θα προκαλούσε το ένα λέιζερ να φτάσει ελαφρώς μπροστά από το άλλο – που σημαίνει ότι είναι εκτός φάσης και προκαλεί καταστροφικές παρεμβολές. Έτσι, αυτή η διαφορά στους χρόνους άφιξης προκαλεί παρεμβολές που δίνει μια ένδειξη ότι τα βαρυτικά κύματα έχουν κυματίσει σε έναν από τους βραχίονες.

Όμως, δεν θα έκανε οποιοδήποτε συμβολόμετρο λέιζερ. Οι φυσικοί θα χρειάζονταν ένα συμβολόμετρο τόσο μεγάλο ώστε να αποτελεί νόμιμο κατόρθωμα στη μηχανική. Μπείτε στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO).

Ο ανιχνευτής LIGO χρησιμοποιεί δύο εκπομπούς λέιζερ που βασίζονται στα παρατηρητήρια Hanford και Livingstone, που χωρίζονται σε απόσταση χιλιάδων χιλιομέτρων μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα απίστευτα ευαίσθητο συμβολόμετρο. Από αυτούς τους εκπομπούς, τα λέιζερ στέλνονται στους «βραχίονες» του συμβολόμετρου που είναι στην πραγματικότητα θάλαμοι κενού μήκους 4 χιλιομέτρων.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα σύστημα τόσο ευαίσθητο που μπορεί να μετρήσει μια απόκλιση στο χωρόχρονο μικρό όσο 1/10.000 το μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα. Για να το θέσουμε σε ένα αστρονομικό πλαίσιο. ισοδυναμεί με τον εντοπισμό ενός αστεριού σε απόσταση 4,2 ετών φωτός και τον εντοπισμό της θέσης του στο πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας! Αυτή είναι η μικρότερη μέτρηση που έχει γίνει ποτέ πρακτικά σε οποιοδήποτε επιστημονικό πείραμα.

Και το 2015, αυτή η επίπονη επέμβαση απέδωσε καρπούς.

Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, η συνεργασία LIGO και Virgo εντόπισε ένα σήμα βαρυτικού κύματος που προέρχεται από τη σπειροειδή κίνηση και την τελική συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών, η μία 29 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου και η άλλη 36 φορές τη μάζα του αστεριού μας. Από τις αλλαγές στο σήμα που έλαβαν, οι επιστήμονες μπόρεσαν επίσης να παρατηρήσουν την προκύπτουσα μεμονωμένη μαύρη τρύπα.

Το σήμα, που ονομάζεται GW150914 , αντιπροσώπευε όχι μόνο την πρώτη παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων, αλλά και την πρώτη φορά που η ανθρωπότητα «είδε» ένα δυαδικό σύστημα μαύρης τρύπας αστρικής μάζας, αποδεικνύοντας ότι τέτοιες συγχωνεύσεις θα μπορούσαν να υπάρχουν στην τρέχουσα εποχή του Σύμπαντος.

Διαφορετικά είδη βαρυτικών κυμάτων

Από την αρχική ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, οι ερευνητές έχουν κάνει μια σειρά από σημαντικές και αποκαλυπτικές ανιχνεύσεις. Αυτά επέτρεψαν στους επιστήμονες να ταξινομήσουν διαφορετικούς τύπους βαρυτικών κυμάτων και τα αντικείμενα που μπορεί να τα παράγουν.

Continuous Gravitational-waves

Ένα μοναδικό περιστρεφόμενο τεράστιο αντικείμενο όπως ένα αστέρι νετρονίων πιστεύεται ότι προκαλεί ένα συνεχές σήμα βαρυτικού κύματος ως αποτέλεσμα ατελειών στο σφαιρικό σχήμα αυτού του άστρου. αν ο ρυθμός του σπιν παραμένει σταθερός, το ίδιο ισχύει και για τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπει – είναι συνεχώς η ίδια συχνότητα και πλάτος όπως ένας τραγουδιστής που κρατά μια μόνο νότα. Οι ερευνητές δημιούργησαν προσομοιώσεις για το πώς θα ηχούσε ένα φθίνον συνεχές βαρυτικό κύμα εάν το σήμα που ανιχνεύτηκε το LIGO μετατρεπόταν σε ήχο.

Ο ήχος ενός συνεχούς βαρυτικού κύματος αυτού του είδους που παράγεται από ένα αστέρι νετρονίων μπορεί να ακουστεί παρακάτω.

Συμπαγή δυαδικά εμπνευσμένα βαρυτικά κύματα

Όλα τα σήματα που ανιχνεύθηκαν από το LIGO μέχρι στιγμής ταιριάζουν σε αυτήν την κατηγορία ως βαρυτικά κύματα που δημιουργούνται από ζεύγη τεράστιων αντικειμένων σε τροχιά, όπως μαύρες τρύπες ή αστέρια νετρονίων.

Οι πηγές χωρούν σε τρεις διακριτές υποκατηγορίες:

• Δυαδική Μαύρη Τρύπα (BBH)
• Δυαδικό αστέρι νετρονίων (BNS)
• Δυαδικό Αστέρι Νετρονίων-Μαύρη Τρύπα (NSBH)

Καθένας από αυτούς τους τύπους δυαδικού ζεύγους δημιουργεί το δικό του μοναδικό μοτίβο βαρυτικών κυμάτων, αλλά μοιράζεται τον ίδιο συνολικό μηχανισμό δημιουργίας κυμάτων-δημιουργίας έμπνευσης. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει για εκατομμύρια χρόνια με τα βαρυτικά κύματα να μεταφέρουν ενέργεια από το σύστημα και να αναγκάζουν τα αντικείμενα να πλησιάζουν όλο και πιο κοντά μέχρι να συναντηθούν. Αυτό έχει επίσης ως αποτέλεσμα τα αντικείμενα να κινούνται πιο γρήγορα και έτσι να δημιουργούνται βαρυτικά κύματα αυξανόμενης ισχύος.

Το «κελάρυσμα» μιας ενδεχόμενης συγχώνευσης μεταξύ άστρων νετρονίων έχει μεταφραστεί σε ηχητικά κύματα και μπορεί να ακουστεί παρακάτω.

Στοχαστικά βαρυτικά κύματα

Μικρά βαρυτικά κύματα που ακόμη και το LIGO δεν είναι σε θέση να εντοπίσει επακριβώς θα μπορούσαν να περνούν πάνω από τη Γη από όλες τις κατευθύνσεις ανά πάσα στιγμή. Αυτά είναι γνωστά ως στοχαστικά βαρυτικά κύματα λόγω της τυχαίας φύσης τους. Τουλάχιστον μέρος αυτού του στοχαστικού σήματος είναι πιθανό να προήλθε από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Αν μπορέσουμε τελικά να ανιχνεύσουμε αυτό το σήμα, θα μας επέτρεπε να «δούμε» πιο πίσω στην ιστορία του Σύμπαντος από ό,τι θα μπορούσε οποιοδήποτε ηλεκτρομαγνητικό σήμα, πίσω στην εποχή πριν τα φωτόνια μπορούσαν να ταξιδέψουν ελεύθερα στο διάστημα .

Ο προσομοιωμένος ήχος αυτού του στοχαστικού σήματος μπορεί να ακουστεί παρακάτω.

Είναι εξαιρετικά πιθανό δεδομένης της ποικιλίας των αντικειμένων και των γεγονότων στο Σύμπαν να υπάρχουν και άλλοι τύποι σημάτων βαρυτικών κυμάτων. Αυτό σημαίνει ότι η αναζήτηση τέτοιων σημάτων είναι πραγματικά μια εξερεύνηση του αγνώστου. Ευτυχώς, η ικανότητά μας να εξερευνούμε το σύμπαν έχει ενισχυθεί πάρα πολύ από την ικανότητά μας να ανιχνεύουμε βαρυτικά κύματα.

Μια νέα εποχή της αστρονομίας

GW150914 συμμορφώθηκε ακριβώς με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας, επιβεβαιώνοντας την πιο επαναστατική θεωρία του Αϊνστάιν σχεδόν ακριβώς έξι δεκαετίες μετά τον θάνατό του το 1955. Αυτό δεν σημαίνει ότι τα βαρυτικά κύματα γίνονται διδάσκοντας μας για το Σύμπαν. Στην πραγματικότητα, αυτοί οι κυματισμοί στο χωροχρόνο μας έχουν δώσει έναν εντελώς νέο τρόπο να δούμε τον κόσμο.

Πριν από την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, οι αστρονόμοι περιορίζονταν σε μια άποψη του Σύμπαντος ζωγραφισμένη σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και επομένως οι παρατηρήσεις μας περιορίζονταν σε αυτό το συγκεκριμένο φάσμα.

Χρησιμοποιώντας μόνο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να ανακαλύψουν αστρονομικά σώματα και ακόμη και την κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου (CMB), ένα «λείψανο» ενός από τα πρώτα γεγονότα στο πρώιμο σύμπαν, την εποχή του ανασυνδυασμού όταν τα ηλεκτρόνια ενώθηκαν με τα πρωτόνια έτσι επιτρέποντας στα φωτόνια να αρχίσουν να ταξιδεύουν αντί να διασκορπίζονται ατελείωτα. Επομένως, το CMB είναι ένας δείκτης του σημείου στο οποίο το σύμπαν άρχισε να είναι διαφανές στο φως.

Ωστόσο, παρά τα βήματα που η παραδοσιακή αστρονομία μας επέτρεψε να κάνουμε στην κατανόηση του σύμπαντος, η χρήση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι πολύ περιορισμένη. Δεν μας επιτρέπει να «δούμε» απευθείας τις μαύρες τρύπες, από τις οποίες το φως δεν μπορεί να διαφύγει. Ούτε μας επιτρέπει να δούμε μη βαρυονική, μη φωτεινή σκοτεινή ύλη, την κυρίαρχη μορφή ύλης στους γαλαξίες – που αντιπροσωπεύει περίπου το 85% της συνολικής μάζας του σύμπαντος. Όπως υποδηλώνει ο όρος «μη φωτεινή» η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, ούτε απορροφά ούτε εκπέμπει φως. Αυτό σημαίνει ότι οι παρατηρήσεις μόνο στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα δεν θα μας επιτρέψουν ποτέ να δούμε το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν.

Προφανώς, αυτό είναι ένα πρόβλημα. Αλλά κάτι που μπορεί να αποφευχθεί χρησιμοποιώντας το φάσμα βαρυτικών κυμάτων, καθώς τόσο οι μαύρες τρύπες όσο και η σκοτεινή ύλη έχουν σημαντικά βαρυτικά αποτελέσματα.

Τα βαρυτικά κύματα έχουν επίσης ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα έναντι της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Αυτή η νέα μορφή αστρονομίας μετρά το πλάτος του ταξιδιού κύματος, ενώ η αστρονομία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μετρά την ενέργεια του κύματος, η οποία είναι ανάλογη με το πλάτος του κύματος στο τετράγωνο.

Επομένως, η φωτεινότητα ενός αντικειμένου στην παραδοσιακή αστρονομία δίνεται κατά 1/απόσταση², ενώ η «βαρυτική φωτεινότητα» πέφτει κατά μόλις 1/απόσταση. Αυτό σημαίνει ότι η ορατότητα των αστεριών παραμένει στα βαρυτικά κύματα για πολύ μεγαλύτερη απόσταση από ό,τι ο ίδιος παράγοντας στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.

Φυσικά, τίποτα από αυτά δεν υποδηλώνει ότι η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων θα «αντικαταστήσει» την παραδοσιακή αστρονομία του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Στην πραγματικότητα, τα δύο είναι πιο ισχυρά όταν ενώνονται σε έναν συναρπαστικό νέο κλάδο – την αστρονομία πολλαπλών μηνυμάτων

Πηγές και περαιτέρω ανάγνωση

Maggiore. M., Gravitational Waves:Theory and Experiments, Oxford University Press, [2019]

Maggiore. M., Gravitational Waves:Astrophysics and Cosmology, Oxford University Press, [2019]

Κόλινς. H., Gravity’s Kiss:The Detection of Gravitational Waves, MIT Press, [2017]

Κοιτάξτε πιο βαθιά, LIGO, [https://www.ligo.caltech.edu/page/look-deeper]