Τα βαρυτικά κύματα είναι η τελευταία μεγάλη πρόβλεψη της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας για την ανίχνευση των οποίων έχει γίνει μια μεγάλη προσπάθεια τις τελευταίες δεκαετίες με διάφορους ανιχνευτές (
LIGO,
VIRGO,
GEO 600,
TAMA 300, κ.ο.κ.
δες εδώ) που είναι σε λειτουργία, αναβαθμίζονται ή θα αναβαθμιστούν, και σχεδιάζονται να κατασκευαστούν στο μέλλον.
Η πιο πρόσφατη εξέλιξη ήταν μετά το καλοκαίρι που τέθηκε σε λειτουργία το
αναβαθμισμένο LIGO το οποίο έχει αυξήσει σημαντικά την ευαισθησία, αυξάνοντας έτσι τις πιθανότητες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Πολύς κόσμος μάλιστα ήταν σίγουρος ότι το LIGO θα έβλεπε κάποιο σήμα μέσα στο 2016.
Και από ότι φαίνεται έτσι και έγινε. Και μάλιστα έγινε και με τον πιο θεαματικό τρόπο. Το LIGO είδε στις 14 Σεπτέμβρη 2015 στις 9:50:45 UTC βαρυτικό σήμα στην περιοχή των συχνοτήτων από 35Hz ως τα 250Hz που υποδεικνύει την συγχώνευση δύο μελανών οπών μεγάλης μάζας, $$\reverse\opaque 29^{+4}_{-4} M_{\odot}$$ και $$\reverse\opaque 36^{+5}_{-4} M_{\odot}$$ η κάθε μία, οι οποίες είχαν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό μιας νέας μαύρης τρύπας η οποία αρχικά ταλαντωνόταν εξαιτίας της βίαιης διαδικασίας της σύγκρουσης που τελικά μετά από κάποιο χρόνο, και αφού εξέπεμψε όλες τις διαταραχές μέσα από μια διαδικασία που λέγετε
ringdown, κατέληξε σε μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα τύπου Kerr με μάζα $$\reverse\opaque 62^{+4}_{-4} M_{\odot}$$ και περιστροφή $$\reverse\opaque j= J/M^2= 0.67$$. Από την διαδικασία ενέργεια ίση με $$\reverse\opaque 3^{+0.5}_{-0.5} M_{\odot}c^2$$ εκπέμφθηκε υπό μορφή βαρυτικών κυμάτων. Η πηγή υπολογίζεται ότι βρίσκεται σε luminosity distance $$\reverse\opaque 410^{+160}_{-150} Mpc$$ ή διαφορετικά σε κοσμολογικό redshift ίσο με $$\reverse\opaque z=0.09^{+0.03}_{-0.04}$$.
Το LIGO λοιπόν μέτρησε τα βαρυτικά κύματα και στους δύο ανιχνευτές του (
LIGO Hanford, Washington State και LIGO Livingston, Louisiana State) που έχουν απόσταση 3002 km.
Το σήμα από μια τέτοια διαδικασία, σύμφωνα με τις προβλέψεις, έχει 3 χαρακτηριστικά μέρη, το πρώτο από την αρχική φάση όπου οι δύο αρχικές μαύρες τρύπες περιστρέφονται η μία γύρω από την άλλη εκπέμποντας βαρυτικά κύματα και χάνοντας ενέργεια όπου πλησιάζουν μέχρι να συγκρουστούν (
η διαδικασία αυτή λέγεται inspiral και το κομμάτι αυτό του σήματος λέγεται chirp), το δεύτερο όπου έχουμε την βίαιη σύγκρουση, και τέλος το τρίτο όπου το τελικό αντικείμενο
ταλαντώνεται και εκπέμπει όλες τις διαταραχές που έχει (
ringdown) μέχρι να καταλήξει σε μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα τύπου Kerr που διαθέτει μόνο μάζα και περιστροφή και δεν έχει καμία επιπλέον πολυπλοκότητα στη δομή της, όπως προβλέπει το
no-hair theorem.
Και εδώ είναι που αρχίζει να γίνεται πραγματικά ενδιαφέρον το πράγμα, πέρα από την απλή επαλήθευση της ύπαρξης και την άμεση παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων, αφού από το αρχικό σήμα του inspiral μπορούμε να μετρήσουμε τις ιδιότητες των δύο αρχικών μελανών οπών, ενώ από το ringdown μπορούμε να μετρήσουμε τις ιδιότητες τη τελικής μαύρης τρύπας. Και το μεγάλο ερώτημα εδώ είναι, είναι οι μαύρες αυτές τρύπες οι μαύρες τρύπες που προβλέπει η Γενική Σχετικότητα; Έχουν όλες τις σωστές ιδιότητες; Έχουν τα σωστά ανώτερα πολύπολα; Κάποιες από τις εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας που έχουμε προβλέπουν ότι οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες θα είναι λίγο διαφορετικές από τις μαύρες τρύπες τύπου Kerr που προβλέπει η σχετικότητα. Κάποιες άλλες θεωρίες προβλέπουν ότι θα είναι ίδιες με της σχετικότητας. Η μέτρηση λοιπόν αυτών των ιδιοτήτων θα μας πει ακόμα περισσότερα για τη θεωρία της βαρύτητας, από την απλή επαλήθευση της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων.
Το πρώτο μεγάλο αποτέλεσμα λοιπόν είναι ότι το LIGO κατάφερε να να παρατηρήσει την πρώτη συγχώνευση δύο μελανών οπών (ένα φαινόμενο που παρατηρούμε για πρώτη φορά) καθώς και να ανιχνεύσει άμεσα βαρυτικά κύματα, επιβεβαιώνοντας έτσι την ύπαρξή τους σύμφωνα με τις προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας και των επεκτάσεων/τροποποιήσεών της. Το δεύτερο μεγάλο αποτέλεσμα έχει να κάνει με την μέτρηση των ιδιοτήτων, με τη βοήθεια των βαρυτικών κυμάτων, αυτών των μελανών οπών, που από την μία επιτρέπει τον έλεγχο της σχετικότητας και των διαφόρων εναλλακτικών θεωριών και από την άλλη συνιστά την πραγματοποίηση της πρώτης παρατήρησης ενός νέου κλάδου αστρονομίας, αυτού της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων. Και το δεύτερο είναι το πιο σημαντικό ίσως, αφού είναι η αρχή ενός νέου παράθυρου στο σύμπαν που θα μας βοηθήσει να ξεκλειδώσουμε ακόμα περισσότερα μυστικά της φύσης μαζεύοντας πληροφορίες από ακόμα περισσότερα αντικείμενα στο μέλλον (όπως είναι οι
αστέρες νετρονίων,
οι εκρήξεις υπερκαινοφανών κλπ).
Και τι είδε λοιπόν το LIGO; Το LIGO μέτρησε καθαρά το αρχικό σήμα του inspiral με τη διαδικασία του match filtering από το οποίο μπόρεσε να εξάγει τις αρχικές μάζες των δύο μελανών οπών, $$\reverse\opaque 29^{+4}_{-4} M_{\odot}$$ και $$\reverse\opaque 36^{+5}_{-4} M_{\odot}$$. Από τα στοιχεία του inspiral οι ερευνητές προέβλεψαν την μάζα και το σπιν της τελικής μαύρης τρύπας.
Ακόμα μέτρησε καθαρά και το ringdown από το οποίο κατάφερε να εξάγει την μάζα και το σπιν της τελικής μαύρης τρύπας. Τα δύο αποτελέσματα από την όλη διαδικασία συμπίπτουν με τις προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας. Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με αυτό το θέμα θα παρουσιστούν σε εργασίες που θα ακολουθήσουν.
Και μια ακόμα ενδιαφέρουσα μέτρηση είναι αυτή της μέτρησης της ταχύτητας των βαρυτικών κυμάτων. Από τη φάση του βαρυτικού κύματος μπορεί να εξάγει κάνεις περιορισμούς για την ταχύτητα ή διαφορετικά για την μάζα του κβάντου της βαρύτητας, δηλαδή του γκραβιτονίου. Και το βαρυτικό κύμα λοιπόν κινείται με την ταχύτητα του φωτός και είναι όπως το προβλέπει η σχετικότητα χωρίς μάζα. Περισσότερα για αυτό επίσης θα εμφανιστούν σε επόμενες εργασίες.
Περισσότερες λεπτομέρειες μπορεί να δει κανείς εδώ.
Αρχίζει λοιπόν η αστρονομία βαρυτικών κυμάτων και το μέλλον φαντάζει λαμπρό.
