Φουντώνουν οι φήμες για ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. After gravitation-wave rumors, it’s getting close to go time for Advanced LIGO results

Ερευνητές του αμερικανικού πειράματος LIGO ετοιμάζονται να κάνουν τις σχετικές ανακοινώσεις. Optics technician Gary Traylor uses a light to inspect one of the laser-reflecting mirrors at the LIGO facility in Livingston, La. (Credit: Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab)

Ερευνητές του αμερικανικού πειράματος LIGO ετοιμάζονται να ανακοινώσουν, πιθανώς εντός της εβδομάδας, ότι ανίχνευσαν για πρώτη φορά τα περιβόητα βαρυτικά κύματα του Άλμπερτ Αϊνστάιν -αυτό τουλάχιστον λέει το τελευταίο ακαδημαϊκό κουτσομπολιό, και κάποιοι μάλιστα ήδη μιλούν για το επόμενο Νόμπελ.

Τι κυκλοφορεί

It's just a rumor, but if specificity is any measure of credibility, it might just be right. For weeks, gossip has spread around the Internet that researchers with the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) have spotted gravitational waves—ripples in space itself set off by violent astrophysical events. In particular, rumor has it that LIGO physicists have seen two black holes spiraling into each other and merging. But now, an email message that ended up on Twitter adds some specific numbers to those rumors. The author says he got the details from people who have seen the manuscript of the LIGO paper that will describe the discovery.

Ο τελευταίος που ρίχνει τροφή στις φήμες των τελευταίων μηνών είναι ο Κλίφορντ Μπέργκες, θεωρητικός φυσικός του διάσημου Perimeter Institute στο Γουοτερλού του Καναδά και του γειτονικού Πανεπιστημίου McMaster. O Μπέργκες έστειλε email στους συναδέλφους και φοιτητές του, ενημερώνοντάς τους ότι η επίσημη ανακοίνωση της ανακάλυψης μάλλον θα γίνει στις 11 Φεβρουαρίου στην επιθεώρηση «Nature». Ο ίδιος το έμαθε από «κατασκόπους» που έχουν δει το κείμενο της δημοσίευσης, λέει ο καθηγητής, κλείνοντας το μήνυμα με ένα ενθουσιώδες «Ζήτω! (ελπίζω)».

Το email σύντομα διαδόθηκε, καθώς αναρτήθηκε στο Twitter από συνάδελφο του υπό τη μορφή συνημμένης εικόνας. Όπως γράφει ο Μπέργκες, οι ερευνητές του LIGO θα αναφέρουν ότι η στατιστική αξιοπιστία της ανακάλυψης φτάνει τα «5,1 σίγμα», πάνω από το όριο των 5 σίγμα που θεωρείται συνήθως το στάνταρτ για την επιβεβαίωση ανακαλύψεων στο χώρο της σωματιδιακής φυσικής.

«Αν είναι αλήθεια, τότε έχουμε 90% πιθανότητα ότι θα κερδίσει το φετινό Νόμπελ Φυσικής. [Η σημασία της ανακάλυψης] είναι τεράστια, πέρα από κάθε κλίμακα» σχολίασε ο ερευνητής στο δικτυακό τόπο της επιθεώρησης «Science». Τα βαρυτικά κύματα είναι κυματισμοί που δημιουργούνται στον χωροχρόνο από βίαια κοσμικά φαινόμενα και διαδίδονται στο διάστημα με την ταχύτητα του φωτός.

Η ύπαρξή τους είχε προβλεφθεί το 1916 από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ως συνέπεια της Γενικής Σχετικότητας, μέχρι σήμερα όμως δεν έχει επιβεβαιωθεί. Οι δύο γιγάντιοι ανιχνευτές LIGO -ένας στην πολιτεία της Ουάσινγκτον και ένας ακόμα στη Λουιζιάνα- αναβαθμίστηκαν πρόσφατα, και θεωρητικά μπορούν να ανιχνεύσουν αμυδρές παραμορφώσεις του χωροχρόνου που πηγάζουν από απόσταση περίπου 88 εκατομμυρίων ετών φωτός.

Τον Μάρτιο του 2015, η ερευνητική κοινότητα είχε αναστατωθεί από φήμες για ανακάλυψη ενός ιδιαίτερου είδους βαρυτικών κυμάτων, τα οποία πρέπει να εμφανίστηκαν μια στιγμή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η μελέτη όμως τέθηκε υπό αμφισβήτηση, και ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων μένει ανεπιβεβαίωτη. Τουλάχιστον μέχρι στιγμής.

Τι είναι τα βαρυτικά κύματα και οι ανιχνευτές LIGO

Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων θα αποτελέσει μια από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις στην ιστορία της Φυσικής. Εδώ και μερικές εβδομάδες κυκλοφορούν στο διαδίκτυο φήμες ότι το πείραμα LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ανίχνευσε βαρυτικά κύματα που προκλήθηκαν από ένα διπλό σύστημα μαύρων τρυπών που περιφέρονταν η μία γύρω από την άλλη, προκαλώντας διαταραχές στη γεωμετρία του χωρόχρονου. Σύμφωνα με την τελευταία διαρροή, που δημοσιεύει το sciencemag.org, οι δυο μαύρες τρύπες που στροβιλίστηκαν μεταξύ τους και συγχωνεύθηκαν είχαν 29 και 36 ηλιακές μάζες αντίστοιχα, για να καταλήξουν σε μια μαύρη τρύπα 62 ηλιακών μαζών. Η στατιστική των πειραματικών δεδομένων είναι 5,1σ (ακρίβεια 5σ σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα 1 στα 3,5 εκατομμύρια το γεγονός να μην είναι πραγματικό) που είναι αρκετή για να γίνει η ανακάλυψη αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα.

Με τις φήμες να φουντώνουν και πάλι για την πρώτη, ιστορική ανίχνευση των λεγόμενων βαρυτικών κυμάτων, ας ρίξουμε μια ματιά σε αυτήν την ανεπιβεβαίωτη πρόβλεψη του Αϊνστάιν, αλλά και τα γιγάντια μηχανήματα που προσπαθούν να τον δικαιώσουν. Κοντολογίς, τα βαρυτικά κύματα είναι ρυτιδώσεις στην ίδια την υφή του χωροχρόνου -κύματα που πηγάζουν από βίαια κοσμικά φαινόμενα και διαδίδονται στο Σύμπαν με την ταχύτητα του φωτός.

Γραμμικά πολωμένο βαρυτικό κύμα.

Η ύπαρξή τους είχε προβλεφθεί το 1916 από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν ως συνέπεια της Γενικής Σχετικότητας.  Ο μεγάλος φυσικός είχε υπολογίσει ότι η επιτάχυνση σωμάτων μεγάλης μάζας, όπως μαύρες τρύπες και άστρα νετρονίων που πέφτουν σπειροειδώς το ένα προς το άλλο και τελικά συγκρούονται, πρέπει να δημιουργούν ομόκεντρα κύματα στο χωροχρόνο. Ονομάστηκαν βαρυτικά κύματα (και δεν έχουν καμία σχέση με τα κύματα βαρύτητας της φυσικής ρευστών) επειδή παραμορφώνουν το χωροχρόνο όπως η βαρύτητα. Τα βαρυτικά κύματα, εφόσον υπάρχουν, ουσιαστικά τεντώνουν το χώρο σε μια διάσταση (ας πούμε κατά μήκος) και τον συμπιέζουν σε μια άλλη (ας πούμε κατά πλάτος).

LIGO: Μεζούρες ακριβείας

Στους ανιχνευτές LIGO, δύο κάθετες δέσμες λέιζερ μετρούν με ακρίβεια το μήκος δύο σωλήνων μήκους 4 χιλιομέτρων. The beamlines for the LIGO detector site at Hanford stretch out across the desert terrain of southeastern Washington. Each arm of the L-shaped detector is 2.5 miles long. (Credit: LIGO)

Αυτό είναι το φαινόμενο που προσπαθούν να καταγράψουν οι δύο ανιχνευτές LIGO, ένας στην πολιτεία της Ουάσινγκτον και ένας στη Λουιζιάνα. Φήμες που πρωτοκυκλοφόρησαν το περασμένο φθινόπωρο, και συνεχίζουν τώρα να σκανδαλίζουν τον ακαδημαϊκό κύκλο, θέλουν τους ερευνητές του LIGΟ να ετοιμάζονται να ανακοινώσουν τη μεγάλη ανακάλυψη. Καθένας από τους δύο ανιχνευτές αποτελείται από δύο σωλήνες τοποθετημένους κάθετα ο ένας στον άλλο, μέσα στους οποίους υπάρχουν δέσμες λέιζερ που μετρούν το μήκος των σωλήνων με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια.

Τα βαρυτικά κύματα θα γίνονταν θεωρητικά αντιληπτά από μικρές μεταβολές στο μήκος των δύο σωλήνων λόγω της παραμόρφωσης του χώρου. Οι σωλήνες έχουν μήκος 4 χιλιόμετρα, όμως η πειραματική διάταξη μπορεί να μετρά μεταβολές τουλάχιστον 1.000 φορές μικρότερες από τη διάμετρο ενός ατόμου.

Σύμφωνα με τις τελευταίες ανεπιβεβαίωτες αναφορές, οι ερευνητές του LIGO ανίχνευσαν ένα περαστικό βαρυτικό κύμα που δημιουργήθηκε καθώς δύο μακρινές μαύρες τρύπες, η μία με μάζα 29 φορές και η άλλη 36 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου, κινήθηκαν σπειροειδώς η μία προς την άλλη και τελικά συγχωνεύτηκαν.

Το σήμα που έφτασε τελικά στη Γη, κινούμενο με την ταχύτητα του φωτός, φέρεται να καταγράφηκε και από τους δύο ανιχνευτές με τη χρονική διαφορά που θα αντιστοιχούσε στην απόσταση που χωρίζει τα δύο συστήματα.

Η αναβάθμιση

The LIGO facility in Livingston, Louisiana, has a twin in Hanford, Washington. © ATMOSPHERE AERIAL

Οι φήμες ξεκίνησαν λίγο μετά την αναβάθμιση των ανιχνευτών LIGO, έπειτα από μια δεκαετία άκαρπης αναζήτησης. Ισχυρότερα λέιζερ και νέα οπτικά θεωρητικά επιτρέπουν τώρα την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από απόσταση περίπου 88 εκατομμυρίων ετών φωτός. Τελικός στόχος είναι η αύξηση αυτής της απόστασης στα 650 εκατομμύρια έτη φωτός -αυτό σημαίνει ότι οι ανιχνευτές θα μπορούν να σαρώνουν μια σφαίρα στο Διάστημα 1.000 φορές μεγαλύτερη από ό,τι η αρχική μορφή των συστημάτων.

Οι εργασίες αναβάθμισης, για τις οποίες χρειάστηκαν πέντε χρόνια και 200 εκατ. δολάρια, περιλάμβαναν μεταξύ άλλων τη βελτίωση των συστημάτων απόσβεσης κραδασμών -οι ανιχνευτές επηρεάζονται ακόμα και από τρένα που περνούν σε απόσταση χιλιομέτρων ή ακόμα και το γδούπο ενός δέντρου που πέφτει. Στην Ευρώπη λειτουργούν στο μεταξύ οι ανιχνευτές GEO600 και Virgo, ενώ ανάλογο ερευνητικό πρόγραμμα, με την ονομασία Indigo, ανακοίνωσε και η Ινδία.

Η ανίχνευση του ίδιου σήματος από ανιχνευτές σε διαφορετικές ηπείρους θα επέτρεπε στους ερευνητές να προσδιορίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια την προέλευση των φευγαλέων κυμάτων. Τον Μάρτιο του 2014, διεθνής ερευνητική ομάδα προκάλεσε σάλο όταν ανακοίνωσε ότι εντόπισε ίχνη μιας ιδιαίτερης κατηγορίας βαρυτικών κυμάτων, τα οποία πρέπει να εμφανίστηκαν μια στιγμή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η μελέτη όμως τέθηκε υπό αμφισβήτηση, και ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων παραμένει ανεπιβεβαίωτη. Αυτό όμως θα μπορούσε να αλλάξει αυτήν την εβδομάδα -σύμφωνα με την τελευταία ανεπίσημη αναφορά η ανακάλυψη θα ανακοινωθεί στο περιοδικό Nature στις 11 Φεβρουαρίου.