Κορυφαίοι 5 στόχοι ενός παρατηρητηρίου κυμάτων βαρύτητας

Στις 3 Φεβρουαρίου, ο Cliff Burgess, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο McMaster, έστειλε email σε μερικούς από τους συναδέλφους του για μια συναρπαστική φήμη -μια πιθανή ανακάλυψη- που, αν επαληθευόταν σε συνέντευξη Τύπου αργότερα σήμερα, θα σήμαινε ότι "το βραβείο Νόμπελ έρχεται σε κάποιον".

Σύμφωνα με «κατασκόπους», είπε ο Burgess, ένα όργανο που ονομάζεται LIGO (το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ) είχε προφανώς παρατηρήσει ένα «θεαματικό» άμεσο σήμα βαρυτικού κύματος, μικροσκοπικούς κυματισμούς στο ύφασμα του χωροχρόνου που δημιουργούνται από μακρινά και πολύ ογκώδη αντικείμενα—στο αυτή η περίπτωση, η σύγκρουση και η συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών, η μία 36 φορές η μάζα του Ήλιου μας και η άλλη 29 φορές. Ο Αϊνστάιν θεώρησε για πρώτη φορά ότι τα βαρυτικά κύματα θα έπρεπε να υπάρχουν το 1915, αλλά τα στοιχεία για αυτά ήταν έμμεσα μέχρι στιγμής. Το LIGO μπορεί να είναι το πρώτο όργανο που τα βλέπει ποτέ απευθείας, μετρώντας την ελαφρά συστολή και διαστολή της απόστασης που χωρίζει τους μακρινούς καθρέφτες.

Ρωτήσαμε τους φυσικούς τι θα ήταν πιο ενθουσιασμένοι να παρατηρήσουν με ένα πλήρως λειτουργικό παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων. Εδώ είναι οι κορυφαίοι 5 αγαπημένοι τους στόχοι.

1. Μια γαλαξιακή σουπερνόβα

Εάν ένα αστέρι έχει αρκετά μεγάλη μάζα, θα γίνει σουπερνόβα στο τέλος της ζωής του, προκαλώντας μια θεαματική έκρηξη καθώς το αστέρι τελειώνει από πυρηνικό καύσιμο και καταρρέει υπό το βάρος του. Ενώ ο Ήλιος μας μπορεί να είναι πολύ μικρός για να γίνει σουπερνόβα, υπάρχουν αρκετά μεγάλα αστέρια στον Γαλαξία μας ώστε να περιμένουμε να βλέπουμε μια έκρηξη σουπερνόβα περίπου κάθε 30 χρόνια. «Είναι δύσκολο να κοιτάξουμε στην καρδιά αυτών των εκρήξεων με φως, καθώς βλέπουμε μόνο την επιφάνεια της έκρηξης», λέει ο Imre Bartos, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Columbia. «Με το LIGO», λέει ο Jonah Kanner, αναλυτής δεδομένων στο Caltech και το LIGO Laboratory, «θα μπορούσαμε να μελετήσουμε την εσωτερική λειτουργία μιας κατάρρευσης του αστρικού πυρήνα με εξαιρετική λεπτομέρεια».

2. Μαύρες τρύπες

Εάν ένα αστέρι που έχει καταρρεύσει έχει αρκετή μάζα, θα καμπυλώσει το χωροχρόνο τόσο πολύ που το φως του δεν μπορεί να διαφύγει, με αποτέλεσμα μια μαύρη τρύπα. Ο Lawrence Krauss, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο κρατικό πανεπιστήμιο της Αριζόνα, λέει ότι θα ήθελε να δει εκείνη την τελευταία στιγμή της κατάρρευσης, «για να διερευνήσει γεγονότα κοντά στον ορίζοντα γεγονότων, όπου η φυσική θα μπορούσε να γίνει πολύ ενδιαφέρουσα». Επιπλέον, το να δούμε δύο μαύρες τρύπες να συγχωνεύονται, με κύματα βαρύτητας, θα «παρείχε την απόλυτη δοκιμή της θεωρίας της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν», λέει ο Eric Thrane, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Monash. «Οι μαύρες τρύπες αντιπροσωπεύουν το μέγιστο στρεβλό χωροχρόνο. Παρατηρώντας δύο μαύρες τρύπες που συγκρούονται μας λέει για τη βαρύτητα στο πιο ακραίο της:ισχυρά, ταχέως μεταβαλλόμενα βαρυτικά πεδία». Αυτό είναι ένα είδος σύγκρουσης, λέει ο Μπάρτος, που δεν έχουμε άλλο τρόπο να δούμε.

3. Αστέρια Νετρονίων

Εάν ένα αστέρι γίνει σουπερνόβα και δεν καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα, θα μπορούσε να μετατραπεί σε αστέρι νετρονίων, ένα «συναρπαστικό αντικείμενο», λέει ο Thrane. Είναι τόσο πυκνά που ένα κουταλάκι του γλυκού αστέρι νετρονίων θα ζύγιζε δισεκατομμύρια τόνους. Η μελέτη της ύλης στην πυκνότητα των άστρων νετρονίων στο εργαστήριο δεν είναι εύκολη, αλλά τα βαρυτικά κύματα, λέει, «μπορεί να παρέχουν ένα «κοσμικό εργαστήριο» για να μάθετε για την ύλη στις υψηλότερες δυνατές πυκνότητες». Kip Thorne, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Caltech—ο οποίος εργάστηκε επίσης στο Interstellar με τον σκηνοθέτη Κρίστοφερ Νόλαν - λέει ότι θα ήθελε να δει μια «μαύρη τρύπα να σκίζει ένα αστέρι νετρονίων». Η Chiara Mingarelli, αστροφυσικός στο Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA, θα ήθελε πολύ να δει ένα αστέρι νετρονίων να συγχωνεύεται με μια μαύρη τρύπα, η οποία θα μπορούσε να δώσει «εννοήσεις για ανοιχτά προβλήματα στη διάσπαση του μαγνητικού πεδίου των αστέρων νετρονίων», λέει. "Είναι πράγματι πολύ συναρπαστικές στιγμές."

4. Το Πρώιμο Σύμπαν

Είναι πιθανό ότι τα κύματα βαρύτητας που εκπέμπονται από τη Μεγάλη Έκρηξη, περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, εξακολουθούν να υπάρχουν. «Η ανίχνευση αυτών των «πρωταρχικών» βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να μας διδάξει πράγματα για το Σύμπαν που είναι απίθανο να μάθουμε από οποιοδήποτε άλλο πείραμα», λέει ο Thrane. «Αντίθετα, το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, από το οποίο έχουμε μάθει τόσα πολλά, μας λέει για το Σύμπαν στην ώριμη ηλικία των 380.000 ετών». Αν κοιτάξουμε τόσο πίσω στο χρόνο, θα επέτρεπε στους επιστήμονες να διερευνήσουν υψηλότερες κλίμακες ενέργειας και πιο θεμελιώδη φυσική. Ο Krauss υποπτεύεται ότι το να κοιτάξουμε τόσο πίσω θα μπορούσε επίσης να μας πει για την «ύπαρξη άλλων συμπάντων», που γεννήθηκαν ως αποτέλεσμα της πρώιμης πληθωριστικής φάσης του Σύμπαντος μας αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

5. Μια έκπληξη

Ο Μπάρτος λέει ότι τα βαρυτικά κύματα «παρουσιάζουν ένα εντελώς νέο παράθυρο για τη μελέτη του Σύμπαντος και, κοιτάζοντας μέσα από ένα νέο παράθυρο, μπορούμε να περιμένουμε πολλές εκπλήξεις». Μία από αυτές τις εκπλήξεις μπορεί να είναι η εύρεση των «ταλαντούμενων κοσμικών χορδών» της θεωρίας χορδών, λέει ο Sean Carroll, κοσμολόγος στο Caltech. «Αυτό είναι ένα πραγματικό μακρινό πλάνο, αλλά θα ήταν μια ανακάλυψη εποχής». Για τον Θορν, η εύρεση αυτών δεν θα ήταν «πλήρη έκπληξη». Από την πλευρά του, θα ήθελε να συναντήσει «κάτι που δεν έχουμε σκεφτεί ποτέ». Όσο για τον Burgess, θα ήταν «εξαιρετικά χαρούμενος» αν ανιχνεύαμε καθόλου κύματα βαρύτητας. «Αυτό που πραγματικά θέλετε είναι κάτι που σας δείχνει κάτι νέο για το πώς λειτουργεί η φύση, και σχεδόν οτιδήποτε δουν [οι επιστήμονες] θα μας το δώσει αυτό. Θα ήθελα απλώς να δω πολλά. Είναι τα στατιστικά στοιχεία ενός πληθυσμού που θα είναι πιο ενημερωτικά από κάθε περίπτωση.»

Ο Brian Gallagher είναι βοηθός συντάκτη στο Ναυτίλος. @brianscottg.