Τα κύματα βαρύτητας συμβάλλουν στην ανακάλυψη των μαύρων οπών και ίσως της σκοτεινής ύλης και των θεωρητικών σωματιδίων

Όταν δύο αντικείμενα, όπως οι μαύρες τρύπες ή αστέρια νετρονίων, συγχωνεύονται, προκαλούν αύξηση της συχνότητας των βαρυτικών κυμάτων.

Τα κύματα βαρύτητας – οι αόρατοι κυματισμοί στον χωρόχρονο που εντοπίστηκαν για πρώτη φορά το 2015 – ανοίγουν μια νέα εποχή στην αστρονομία, που επιτρέπει στους επιστήμονες να δουν τμήματα του σύμπαντος που θεωρούνταν έως τώρα αόρατα, όπως οι μαύρες τρύπες, η σκοτεινή ύλη και τα αξιόνια – κάποια υποθετικά σωματίδια. 

“Το συμβολόμετρο LIGO ανακάλυψε τις αχνές διαταραχές που παραμόρφωσαν τον χωρόχρονο, οι οποίες δημιουργήθηκαν από δύο μαύρες τρύπες που συγκρούστηκαν κάπου 1,3 δις έτη φωτός από τη Γη. Σαν τους κυματισμούς σε μια λίμνη”, εξήγησε ο Paolo Pani, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Sapienza της Ρώμης. 

Όλα τα αντικείμενα με μάζα δημιουργούν τη δική τους ελαφρά κάμψη στον ιστό του χωροχρόνου, δημιουργώντας αυτό που αποκαλούμε βαρύτητα. Αλλά μόνο τα κατακλυσμιαία γεγονότα που περιλαμβάνουν τα βαρύτερα αντικείμενα, όπως οι μαύρες τρύπες και τα αστέρια νετρονίων, μπορούν να δημιουργήσουν βαρυτικά κύματα αρκετά μεγάλα ώστε να εντοπιστούν στη Γη. Εκπέμπονται σε όλο το σύμπαν με την ταχύτητα του φωτός, περνώντας σχεδόν από όλα τα αντικείμενα στο διάβα τους. 

Αλλά η δυνατότητα ανίχνευσης αυτών των κυμάτων παρέχει τώρα στους αστρονόμους νέους τρόπους να δουν το σύμπαν. Ο καθηγητής Pani είναι επικεφαλής στο πρότζεκτ DarkGRA σε μια προσπάθεια να χρησιμοποιήσει τα βαρυτικά κύματα για να διερευνήσει μερικά από τα μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος, συμπεριλαμβανομένων των βαρέων εξωτικών άστρων, της σκοτεινής ύλης και των μαύρων οπών.

Προηγουμένως, οι αστροφυσικοί αναγκάστηκαν να συμπεράνουν την παρουσία μαύρων οπών, εξετάζοντας τη συμπεριφορά του υλικού γύρω τους. Σκεπτόμενοι ότι είναι τα υπερβολικά βαριά υπολείμματα των άστρων που καταρρέουν, η βαρύτητα που παράγουν είναι τόσο μεγάλη που δεν διαφεύγει από αυτά ούτε το φως. Οτιδήποτε περνάει από το όριο μιας μαύρης τρύπας, γνωστής ως ορίζοντας γεγονότος, παραμένει εκεί. 

Τα κύματα βαρύτητας, ωστόσο, επιτρέπουν στους επιστήμονες, όπως ο καθηγητής Pani να τις δουν άμεσα. «Αυτά είναι ένας  αγγελιοφόρος του χωροχρόνου γύρω από τέτοιου είδους τα αντικείμενα, χωρίς να χρησιμοποιούν κανένα ενδιάμεσο (μέσον διάδοσης)», λέει. 

Μελετώντας λοιπόν τα χαρακτηριστικά αυτών των κυμάτων είναι δυνατή η απόκτηση πληροφοριών σχετικά με τη μάζα, την περιστροφή, την ακτίνα και την ταχύτητα αυτών – των προηγουμένως αόρατων – αντικειμένων. «Ο στόχος του έργου μας είναι να κατανοήσουμε τις παρατηρήσεις του βαρυτικού κύματος από πολύ μικρά αντικείμενα, ώστε να αποκλείσουμε ή να επιβεβαιώσουμε άλλους τύπους αντικειμένων», δήλωσε ο Pani. 

Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, η συγχώνευση δύο πολύ μικρών αντικειμένων – όπως λευκοί νάνοι, αστέρες νετρονίων ή μαύρες τρύπες – θα προκαλέσει την κατάρρευση του τελικού αντικειμένου για να σχηματιστεί μια μαύρη τρύπα. Αλλά υπάρχουν εναλλακτικές θεωρίες που προβλέπουν ότι θα μπορούσαν επίσης να σχηματίσουν αντικείμενα παρόμοιας μάζας και ακτίνας με τις μαύρες τρύπες, αλλά χωρίς ορίζοντα γεγονότων. Αυτά τα μυστηριώδη συμπαγή αντικείμενα θα είχαν ως εκ τούτου μια επιφάνεια που θα αντανακλούσε τα κύματα βαρύτητας. 

«Εάν υπάρχει μια επιφάνεια, μετά από μια συγχώνευση των αντικειμένων, θα πρέπει να υπάρχει μια ηχώ των βαρυτικών κυμάτων, ένα σήμα που θα αντανακλάται από την επιφάνεια», εξηγεί ο Pani. Θα πρέπει να είναι δυνατή η ανίχνευση αυτής της ηχούς στα σήματα που έχουν ληφθεί εδώ στη Γη. 

Σκοτεινή ύλη
Ωστόσο, υπάρχει μια άλλη εξήγηση που θα οδηγούσε σε μαύρες τρύπες που απροσδόκητα θα προκαλούσαν ηχώ ή άλλα ανεξήγητα χαρακτηριστικά βαρυτικού κύματος – θα μπορούσαν οι μαύρες τρύπες να κάθονται μέσα σε ένα λουτρό σκοτεινής ύλης , μια υποθετική μορφή ύλης που δεν έχουμε ακόμη δει, αλλά θεωρείται ότι είναι το 85% όλης της ύλης στο σύμπαν. Και αυτή η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να παράγει ένα ξεχωριστό βαρυτικό κύμα. 

«Η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά ελάχιστα με οτιδήποτε άλλο, έτσι είναι πολύ δύσκολο να δοκιμαστεί στο εργαστήριο», δήλωσε ο Pani. Αλλά αναζητώντας κάποια ξεχωριστά σήματα στα βαρυτικά κύματα θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να την «δουν» για πρώτη φορά. 

Μερικές βαρυτικές παρατηρήσεις μπορούν να εξηγηθούν μόνο με την παρουσία σκοτεινής ύλης, την οποία δεν μπορούμε να δούμε, ή με την αλλαγή των νόμων βαρύτητας. Ο καθηγητής Ulrich Sperhake, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Cambridge του Ηνωμένου Βασιλείου και επικεφαλής επιστήμονας στο πρόγραμμα StronGrHEP , περιέγραψε τα βαρυτικά κύματα ως ένα «νέο παράθυρο στο σύμπαν» που θα μπορούσε να μας βοηθήσει να ξεδιπλώσουμε αυτά τα μυστήρια. 

Αν υπάρχει όλη αυτή η σκοτεινή ύλη που κρέμεται γύρω από δύο μαύρες τρύπες καθώς συγχωνεύονται, τότε αυτή θα απορροφήσει ενέργεια. 

Κι αυτό θα σήμαινε ότι σε συγκρούσεις μαύρων οπών όπως αυτή που ανιχνεύτηκε από το LIGO, τα κύματα της βαρύτητας θα φαίνονταν λίγο διαφορετικά από ότι θα ήταν χωρίς σκοτεινή ύλη. 

Ένα παρατηρησιακό παζλ που θα μπορούσε να ρίξει φως είναι γιατί οι γαλαξίες περιστρέφονται γρηγορότερα από ότι το μέγεθος τους δείχνει ότι πρέπει. «Η ταχύτητα περιστροφής σχετίζεται με τη μάζα που βρίσκεται μέσα», δήλωσε ο Sperhake. Έτσι, εάν ένας γαλαξίας στρέφεται  γρηγορότερα από ότι ορίζει η μάζα που βλέπουμε, υπάρχουν δύο πιθανές εξηγήσεις: είτε πρέπει να αλλάξουμε τις θεμελιώδεις θεωρίες μας για το πώς λειτουργεί η βαρύτητα είτε υπάρχει η σκοτεινή ύλη στους γαλαξίες που δεν μπορούμε να δούμε. 

Μια ιδέα που διδάσκει ο Sperhake είναι να επεκτείνει τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν με μια νέα θεωρία, που ονομάζεται Βαρύτητα Βαθμωτού Τανυστή (scalar tensor gravity). Αυτό υποδηλώνει ότι το σύμπαν είναι γεμάτο με ένα επιπλέον πεδίο – παρόμοιο με ένα μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο – που δεν έχει ακόμη εντοπιστεί. 

Αυτό θα σήμαινε ότι η υπερκαινοφανής έκρηξη ενός γιγάντιου άστρου δεν θα ήταν ορατή μόνο ως έκρηξη βαρυτικών κυμάτων, αλλά θα υπήρχε μια μεταγενέστερη ροή βαρυτικών κυμάτων που θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε. Θα μπορούσαμε να κατευθύνουμε το LIGO σε περιοχές του ουρανού όπου τα αστέρια έχουν εκραγεί – γνωστές ως υπερκαινοφανείς εκρήξεις – για να προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν μια μεταγενέστερη απόσβεση από το βαθμωτό πεδίο, που μπορεί να επιμείνει αιώνες μετά την πραγματική έκρηξη. 

Ο Sperhake επίσης διερευνά εάν η σκοτεινή ύλη μπορεί να εξηγηθεί από κάποια θεωρητικά υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται αξιόνια. Προσπαθεί να μοντελοποιήσει με τι μπορεί να μοιάζει η ηχώ των βαρυτικών κυμάτων από τις μαύρες τρύπες, αν τα σωματίδια αυτά (αξιόνια) βρίσκονται εκεί. 

«Θα έλεγα ότι τα αξιόνια είναι ένας από τους καλύτερους υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη», είπε. Το επόμενο βήμα είναι να εφαρμόσει τα μοντέλα του στα δεδομένα που συλλέγει το LIGO για να δει αν η θεωρία και η παρατήρηση συμφωνούν. 

Όμορφη θεωρία
Ο Richard Brito που συμμετείχε στην ομάδα του Pani στην Ιταλία στο πλαίσιο του δικού του έργου, το FunGraW, χρησιμοποιεί βαρυτικά κύματα για να ελέγξει την ύπαρξη των αξιονίων. Αλλά θα τα χρησιμοποιεί επίσης και για να δοκιμάσει την ίδια τη θεωρία του Αϊνστάιν και αν μπορεί να είναι λανθασμένη σε τεράστιες κλίμακες. 

«Αν βλέπουμε αντικείμενα σχεδόν τόσο συμπαγή όσο οι μαύρες τρύπες αλλά χωρίς ορίζοντα γεγονότων, αυτό σημαίνει ότι η γενική σχετικότητα είναι λάθος σε αυτές τις κλίμακες», είπε. 

Θα μπορούσε λοιπόν αυτό να έχει σημαντικές καθημερινές συνέπειες. Η θεωρία της γενικής σχετικότητας είναι κρίσιμη για την καθημερινή λειτουργία του GPS για παράδειγμα. Αλλά η διαπίστωση ότι η θεωρία του Αϊνστάιν καταρρέει σε μεγάλες κλίμακες δεν σημαίνει ότι πρέπει να πεταχτεί. Αντίθετα, ίσως χρειαστεί μια προσθήκη. 

«Θα είχατε μία δύσκολη δοκιμασία για να την ταιριάξετε με τη μαθηματική σαφήνεια της θεωρίας του Αϊνστάιν», δήλωσε ο Sperhake. «Δεν είναι μόνο εκπληκτική η θεωρία λόγω όλων των φανταστικών προβλέψεων που κάνει, έχει και το προνόμιο να είναι μια όμορφη θεωρία, και οι φυσικοί ενδιαφέρονται να θεωρούν την ομορφιά ως ένα σημαντικό συστατικό σε μια θεωρία ». 

Πηγή

ΠΗΓΗ: physics4u