Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων προ των πυλών, First Observation of Gravitational Waves Is 'Imminent'

Einstein's general theory of relativity predicts the existence of gravitational waves, which are perturbations of the gravitational field spreading out in space at the speed of light, like ripples on the surface of a pond. However, while electromagnetic radiations (for example visible light) can be absorbed completely by matter, gravitational waves can travel through space without being absorbed, neither by stars, nor by interstellar matter. [Adapted from text by the European Gravitational Observatory]  (Courtesy: Lionel BRET/EUROLIOS)

Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν κυματισμούς στον ιστό του χωρόχρονου που προκαλούνται από κατακλυσμικά γεγονότα στο σύμπαν, όπως συγκρούσεις αστέρων νετρονίων και συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών. Το εντονότερο απ’ αυτά τα γεγονότα, και αυτό που μπορεί να παρατηρηθεί ευκολότερα (τρόπος του λέγειν), είναι οι συγκρούσεις των τεράστιων μαύρων τρυπών που βρίσκονται στα κέντρα γαλαξιών.

This picture shows the result of a numerical simulation of the gravitational radiation generated by the merger of two black holes. The image gives some impression of the incredible amounts of energy released in the form of gravitational waves as this happens.

Οι ερευνητές S. T. McWilliams, J. P. Ostriker και F. Pretorius, από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, ισχυρίζονται ότι η συχνότητα με την οποία συμβαίνουν τέτοιες αναταραχές είναι πολύ μεγαλύτερη απ’ ότι θεωρείτο μέχρι σήμερα. Συνεπώς αυξάνονται οι πιθανότητες να παρατηρηθούν τα βαρυτικά κύματα – ένα άπιαστο όνειρο των φυσικών μέχρι σήμερα.

Οι ερευνητές S. T. McWilliams, J. P. Ostriker και F. Pretorius εκτιμούν πως θα ανιχνεύσουμε τα βαρυτικά κύματα που προκαλούν οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών, στη χειρότερη περίπτωση, μέχρι το 2016

Αν οι McWilliams et al έχουν δίκιο τότε οι αποδείξεις ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων μπορεί να βρίσκονται ήδη σε δεδομένα που συλλέγονται από τα παρατηρητήρια κυμάτων βαρύτητας. Τα επιχειρήματά τους βασίζονται σε μετρήσεις μεγέθους και μάζας διαφόρων γαλαξιών. Αυτά τα στοιχεία δείχνουν ότι τα τελευταία 6 δισεκατομμύρια χρόνια οι γαλαξίες έχουν σχεδόν διπλασιαστεί σε μάζα και τετραπλασιαστεί σε μέγεθος.

General Relativity: gravitational waves

Οι αστροφυσικοί γνωρίζουν ότι σ’ αυτό το χρονικό διάστημα ο ρυθμός σχηματισμού νέων άστρων ήταν πολύ περιορισμένος, και ο μόνος τρόπος αύξησης των μαζών των γαλαξιών ήταν διαμέσου της συγχώνευσης, μια ιδέα που επιβεβαιώνεται από προσομοιώσεις της εξέλιξης γαλαξιών σε υπολογιστές. Οι προσομοιώσεις αυτές δείχνουν πως οι συγχωνεύσεις των γαλαξιών τελικά ήταν πιο συχνές απ’ ότι νόμιζαν οι αστρονόμοι.

Έτσι, προκύπτει και το συμπέρασμα ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που περιέχονται στα κέντρα των γαλαξιών συγκρούονται συχνότερα. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του McWilliams και των συνεργατών του, οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών πρέπει να είναι 10 έως και 30 φορές πιο συχνές από ό, τι αναμενόταν και τα σήματα από τα βαρυτικά κύματα που προκαλούνται απ’ αυτές, 3 έως και 5 φορές ισχυρότερα. Αυτό έχει σημαντικές συνέπειες στην δυνατότητα των αστρονόμων να ανιχνεύσουν αυτά τα σήματα.

Ο πιο ευαίσθητος ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων ονομάζεται LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) και βρίσκεται στην πολιτεία της Ουάσινγκτον. Ο ανιχνευτής αυτός αναβαθμίζεται, και δεν αναμένεται να φτάσει ευαισθησία που προβλέπει ο σχεδιασμός του μέχρι το 2018-19.

Μια άλλη μέθοδος παρατήρησης των βαρυτικών κυμάτων είναι η παρακολούθηση της κανονικότητας των εκπληκτικής ακρίβειας ραδιοσημάτων που εκπέμπουν πάλσαρ (PTA -Pulsar Τiming Αrray) και ο εντοπισμός διαταραχών που οφείλονται στην παραμόρφωση του χωρόχρονου λόγω της διέλευσης βαρυτικών κυμάτων. Σύμφωνα με τους McWilliams et al τα βαρυτικά κύματα είναι τόσο συχνά και τόσο ισχυρά ώστε να είναι δυνατός ο εντοπισμός τους με την παρακολούθηση των ραδιοσημάτων πάλσαρ, από τα υπάρχοντα ραδιοτηλεσκόπια, χωρίς να χρειάζεται η κατασκευή νέων ανιχνευτών μεγαλύτερης ακρίβειας.

Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Mission

Στην χειρότερη εκτίμησή τους οι ερευνητές αναμένουν ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων (με αξιοπιστία 95%) μέχρι το 2016. Και η πρώτη απευθείας παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων θα είναι μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις που έγιναν ποτέ στην αστρονομία. Μια ανακάλυψη για βραβείο Νόμπελ.

To Σύμπαν αναπτύσσεται όπως ο εγκέφαλος και το διαδίκτυο, Cosmos, brain and internet develop the same way?

Ερευνητές στις ΗΠΑ πραγματοποίησαν προσομοιώσεις που δείχνουν ότι το Σύμπαν είναι πολύ πιθανό να αναπτύσσεται με τρόπο ανάλογο με εκείνον του εγκεφάλου. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι η ανάπτυξη του Σύμπαντος έχει επίσης κοινά χαρακτηριστικά με την ανάπτυξη του Internet αλλά και των κοινωνικών δικτύων όπως το Facebook.

Παγκόσμιος νόμος

Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας υποστηρίζουν ότι ορισμένοι βασικοί φυσικοί νόμοι ελέγχουν την ανάπτυξη μικρότερων αλλά και μεγαλύτερων συστημάτων τα οποία ξεκινούν από την ηλεκτρική δραστηριότητα στον ανθρώπινο εγκέφαλο,  επεκτείνονται στη λειτουργία και ανάπτυξη του Internet και των κοινωνικών δικτύων και φτάνουν μέχρι την επέκταση των γαλαξιών.

Το Σύμπαν και ο εγκέφαλος έχουν κοινό μηχανισμό ανάπτυξης

«Οι δυναμικές των μηχανισμών φυσικής ανάπτυξης είναι ίδιες για διαφορετικά δίκτυα είτε είναι ψηφιακά όπως το Internet και τα κοινωνικά δίκτυα είτε είναι δίκτυα που αφορούν τον εγκέφαλο» αναφέρει ο φυσικός Ντμίτρι Κριούκοφ, επικεφαλής της έρευνας. «Όπως φαίνεται, υπάρχει ένας και μόνο θεμελιώδης νόμος της φύσης που κυβερνά όλα αυτά τα δίκτυα» σχολιάζει ο Κέβιν Μπάσλερ, φυσικός του Πανεπιστημίου του Χιούστον που δεν μετείχε στην έρευνα.

Η μελέτη

Οι ερευνητές σχεδίασαν μια προσομοίωση στην οποία το νεαρό Σύμπαν διασπάστηκε στις μικρότερες δυνατές μονάδες, τα κβάντα. Στη Φυσική, ο όρος κβάντο ή κβάντουμ αναφέρεται σε μια αδιάστατη μονάδα ποσότητας, ένα "ποσό από κάτι". Για παράδειγμα ένα κβάντο φωτός είναι μία μονάδα φωτός, ένα φωτόνιο. Στην προσομοίωση τα κβάντα συνδέονταν σε ένα γιγάντιο κοσμικό δίκτυο και καθώς η προσομοίωση εξελισσόταν αυξανόταν συνεχώς ο συμπαντικός χωροχρόνος με αποτέλεσμα να αυξάνονται και οι διασυνδέσεις ανάμεσα στην ύλη και τους γαλαξίες και να αποκαλύπτεται ιστορικά η ανάπτυξη του Σύμπαντος.

Simple mapping between the two surfaces representing the geometries of the universe and complex networks proves that their large-scale growth dynamics and structures are similar. (Credit: Image courtesy of CAIDA/SDSC)

Όταν οι ερευνητές συνέκριναν την ανάπτυξη του Σύμπαντος με εκείνη των κυκλωμάτων του εγκεφάλου αλλά και εκείνη των κοινωνικών δικτύων διαπίστωσαν ότι όλα επεκτείνονται με παρόμοιους τρόπους. «Είναι πιθανό ότι κάποιοι ακόμη άγνωστοι σε εμάς νόμοι της φύσης καθορίζουν τον τρόπο που τα δίκτυα αναπτύσσονται και μεταβάλλονται, από τα μικρότερα κύτταρα του εγκεφάλου μέχρι και τους μεγάλους γαλαξίες» αναφέρει ο Ντμίτρι Κριούκοφ. Η έρευνα δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Nature Scientific Reports».