Νύχτα μπαίνει, νύχτα βγαίνει κάποια ρυθμικά σήματα φτάνουν στη Γη. Το πιο αργό από αυτά ακούγεται σαν ένα καρφί που καρφώνεται σε ένα ξύλο. Άλλα πάλι σήματα είναι σαν τον ήχο που ακούγεται από μια μηχανή στο ρελαντί. Ορισμένα κάνουν σχεδόν συνεχείς ήχους, έτοιμους για να συνδυαστούν σε μια κοσμική μουσική. Τα πάλσαρ θα μπορούσαν να αποκαλύψουν την παρουσία των βαρυτικών κυμάτων, όπως αυτά που παράγονται από τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών
Πάντα οι ίδιες μελωδικές υπογραφές, πάντα από τα ίδια σημεία στον ουρανό. Ορισμένοι μάλιστα πίστευαν ότι ήταν τα μηνύματα από ξένους πολιτισμούς, όταν οι αστρονόμοι τα άκουσαν για πρώτη φορά πίσω στη δεκαετία του ‘60.
Ωστόσο, τα σήματα δεν είναι από τους ET. Είναι από πάλσαρ. Αυτά τα ακραία κοσμικά αντικείμενα που μας προκαλούν τον θαυμασμό για περισσότερα από 40 χρόνια τώρα, είναι έτοιμα για ένα ακόμα μεγαλύτερο πραξικόπημα. Σχολαστικές μετρήσεις της χρονομέτρησης των πάλσαρ μπορεί να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής: τον εντοπισμό των βαρυτικών κυμάτων.
Ο ακρογωνιαίος λίθος της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, δηλαδή τα κύματα της βαρύτητας, είναι μικροσκοπικοί κυματισμοί στον ιστό του χωροχρόνου. Αλλά τα βαρυτικά κύματα αποδείχθηκαν απογοητευτικά απατηλά, παρά τα όλο και μεγαλύτερα και πιο ακριβά μέσα που δημιουργήθηκαν για τον εντοπισμό τους. Τώρα όμως τα πάλσαρ μπορούν να κάνουν την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων – με ένα κλάσμα του προϋπολογισμού των μεγάλων παρατηρητηρίων.
"Είμαστε ήδη στο στάδιο όπου μπορούμε να αρχίσουμε να αποκλείουμε πράγματα”, λέει ο George Hobbs του Παρατηρητηρίου Parkes στην Αυστραλία, το οποίο φιλοξενεί ένα από πειράματα για το χρονοδιάγραμμα των πάλσαρ. "Θα μπορούσαμε να τα ανιχνεύσουμε ακόμα και την επόμενη εβδομάδα”, λέει, ανάλογα με τη φύση των κυμάτων βαρύτητας.
Ένα πάλσαρ που εκπέμπει περιοδικά ακτίνες γάμμα
Ήταν Αύγουστος του 1967, όταν τα πάλσαρ έκαναν την πρώτη τους επαφή με τη Γη. Σε ένα αγρόκτημα, στα περίχωρα του Κέιμπριτζ της Αγγλίας, η μεταπτυχιακή φοιτήτρια Jocelyn Bell και ο επιβλέπον την εργασία της Antony Hewish χρησιμοποιούσαν μια νέα κεραία για να ανιχνεύσουν τον ουρανό για ραδιοπηγές.
Τότε, οι αστρονομικές παρατηρήσεις καταγράφονταν πάνω σε χιλιόμετρα χαρτί. Πάνω στο χαρτί φτιάχνονταν διαγράμματα όπου εντοπίζονταν τα ραδιοσήματα, και αυτή ήταν η δουλειά της Bell.
Σε ένα γράφημα, η Bell εντόπισε περίεργες επαναλαμβανόμενες παλμοσειρές με μια χρονική διαφορά μεταξύ τους κάπου 1,3 δευτερόλεπτα. Δεν ταίριαζαν με κανένα γνωστό αστρονομικό φαινόμενο, και όσο και να προσπάθησαν η Bell με τον Hewish δεν μπορούσαν να βρουν καμιά εξήγηση, φυσική ή τεχνητή. Γεμάτοι απορία, μισοαστεία για το πως θα πρέπει να του πουν, τα βάφτισαν Μικρά Πράσινα Ανθρωπάκια (LGM).
Προβλέψεις της Σχετικότητας
Από τη στιγμή που δημοσίευσε τα πορίσματά τους το επόμενο έτος, ο πραγματικός ένοχος είχε εκδηλωθεί: ήταν ένα αστέρι νετρονίων. Αυτά τα εξαιρετικά πυκνά αντικείμενα, που είναι ότι απομένει μετά την έκρηξη ενός πολύ μεγάλου άστρου (πολλές φορές το μέγεθος του ήλιου μας) σε σουπερνόβα, οπότε μια μάζα σαν του ήλιου μας και κάτι παραπάνω, βρίσκεται σε μια σφαίρα διαμέτρου λίγων δεκάδων χιλιομέτρων μόνο. “Είναι σαν να βάλουμε ολόκληρο τον πληθυσμό του πλανήτη μας μέσα σε μια δακτυλήθρα", λέει η Jocelyn Bell που σήμερα ανήκει στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.
Διάγραμμα ενός πάλσαρ: Η σφαίρα στο μέσον παριστάνει το άστρο νετρονίων, οι καμπύλες δείχνουν τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου και οι κώνοι που προεξέχουν πάνω και κάτω από το άστρο είναι οι πίδακες εκπομπής
Πέραν του ότι είναι ασυνήθιστα πυκνό, τα αστέρια νετρονίων επίσης περιστρέφονται πολύ γρήγορα και έχουν τεράστια μαγνητικά πεδία. Για να μετατραπεί ένα αστέρι νετρονίων σε πάλσαρ, ο μαγνητικός άξονας του πρέπει να είναι υπό γωνία με τον άξονα περιστροφής του. Με αυτόν τον τρόπο, οι ισχυροί πίδακες της ακτινοβολίας που ξεσπούν από τους μαγνητικούς πόλους του άστρου θα σαρώνουν τον τριγύρω χώρο, καθώς περιστρέφεται το αστέρι, κάτι σαν την ακτίνα ενός φάρου. Αυτούς τους πίδακες που εκπέμπουν ενέργεια και η οποία φτάνει σε μας σε τακτικά χρονικά διαστήματα, καθώς περιστρέφονται, εντοπίζουν τα τηλεσκόπια μας – αν και ακόμα δεν γνωρίζουμε ακριβώς πώς γίνεται ο σχηματισμός τους (δείτε παρακάτω την τελευταία παράγραφο για το πώς λειτουργεί ένα πάλσαρ).
Το πρώτο πάλσαρ που ανακαλύφθηκε περιστρεφόταν με ένα σχετικά χαλαρό τρόπο, θέλοντας αρκετά δευτερόλεπτα για να ολοκληρώσουν μία περιστροφή. Το 1982, ωστόσο, μια ομάδα με επικεφαλής τον Donald Backer του Πανεπιστημίου στο Μπέρκλεϊ, μπόρεσαν να δουν πάλσαρ του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου, που σημαίνει ότι στροβιλίζονταν με ένα συναρπαστικό ρυθμό, 642 φορές το δευτερόλεπτο, το οποίο τροφοδοτείται με ύλη και ενέργεια που συλλέγεται από ένα συνοδό του άστρο.
Οι παλμοί αυτών των πάλσαρ (του χιλιοστού του δευτερολέπτου) είναι τόσο γρήγοροι και τόσο τακτικοί, που κάνουν για κοσμικά ρολόγια τα οποία ανταγωνίζεται την ακρίβεια οποιουδήποτε τεχνητού ατομικού ρολογιού. Από εκείνο το σημείο, απαιτείται ένα μικρό ψυχολογικό άλμα μόνο για να χρησιμοποιηθούν ώστε να κατασκοπεύουν τα κύματα βαρύτητας.
Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η μάζα στρεβλώνει τον χώρο και το χρόνο γύρω της, δημιουργώντας έτσι την δύναμη που γνωρίζουμε ως βαρύτητα. Ούτε ακόμη και τα άμαζα φωτόνια δεν γλυτώνουν από την αγκαλιά της. Έχουν επιβεβαιωθεί και οι πιο ακραίες προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας, περιλαμβανομένης και της ύπαρξης των μελανών οπών, καθώς και η καμπύλωση του φωτός από τα μακρινά άστρα όταν αυτό περνάει κοντά από ένα τεράστιο αντικείμενο, όπως ένα σμήνος γαλαξιών. Όμως μία πρόβλεψη παραμένει στο σκοτάδι. Αν δύο τεράστια αντικείμενα, όπως δύο μαύρες τρύπες, είναι σε τροχιά το ένα γύρω από το άλλο, η σχετικότητα μας λέει ότι οι επιταχύνσεις τους θα προκαλέσουν παροδικές στρεβλώσεις στο χωροχρόνο που εξαπλώνονται σαν κύματα έξω στο σύμπαν – τα κύματα της βαρύτητας.
Μέχρι στιγμής, έχουμε μόνο έμμεσες αποδείξεις ότι υπάρχουν τέτοια κύματα. Έρχονται και ταιριάζουν αρκετά με τη θεωρία από τα πάλσαρ. Το 1974, οι αστρονόμοι Russell Hulse και Joseph Taylor ανακάλυψαν ότι ένα πάλσαρ περιστρέφεται πολύ κοντά γύρω από ένα συνοδό του άστρο, συμπληρώνοντας μία τροχιά κάθε 8 ώρες. Είδαν λοιπόν την απόσταση μεταξύ των δύο σωμάτων να μειώνεται σταθερά, καθώς αυτά πλησιάζουν το ένα προς το άλλο με σπειροειδή τροχιά – ακριβώς ό,τι είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν ότι θα συμβεί αν έχαναν ενέργεια αν εκπέμπουν κύματα βαρύτητας.
Δημιουργία και ανίχνευση κυμάτων βαρύτητας
Παρόμοια γεγονότα, όπως στα παραπάνω αστρικά συστήματα, υπήρχαν καθ “όλη την κοσμική ιστορία, και έχουν παίξει τεράστιο ρόλο στην οικοδόμηση του σύμπαντος σήμερα. Σύμφωνα με την γνώση που έχουμε για τον σχηματισμό των γαλαξιών, οι μικροί γαλαξίες συγκρούστηκαν και συγχωνεύθηκαν με την πάροδο του χρόνου για να δημιουργήσουν μεγαλύτερους. Οι δε κεντρικές υπερβαρέες μαύρες τρύπες τους πρέπει κι αυτές να έχουν συγχωνευθεί, για να κάνουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που σήμερα βρίσκονται στο κέντρο των περισσότερων γαλαξιών. Όταν όμως συγκρούστηκαν θα πρέπει να είχαν αναταράξει τον χωροχρόνο γύρω τους, στέλνοντας κύματα βαρύτητας στο διάστημα, και τα οποία εξακολουθούν να υφίστανται μέχρι σήμερα.
Ακόμη και αν δημιουργήθηκαν εδώ και αιώνες, αυτός ο κυματισμός του χωροχρόνου είναι μικρός, και η άνοδος (όρος) και η πτώση (κοιλία) ενός πλήρους κύματος μπορεί να θέλουν χρόνια για να περάσουν ένα σημείο στον χώρο. Είναι απαραίτητα αφενός μια αμέτρητη υπομονή και αφετέρου ένας υπερ-ακριβής ανιχνευτής μήπως μπορέσουμε να δούμε τίποτα. Ο μεγαλύτερος ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων που έχει κατασκευαστεί μέχρι στιγμής είναι το LIGO. Τα άκρα του βρίσκονται σε δύο τοποθεσίες: στη Λουϊζιάνα και την Ουάσιγκτον, και στοχεύει να ανιχνεύσει τα κύματα της βαρύτητας μετρώντας τις μεταβολές στον χρόνο που χρειάζεται μια ακτίνα λέιζερ για να κάνει ζάπινγκ πάνω και κάτω, μεταξύ των κατόπτρων που είναι χιλιόμετρα μακριά. Μέχρι στιγμής δεν έχει δει τίποτα απολύτως.
Τα βαρυτικά κύματα επηρεάζουν την περίοδο των πάλσαρ
Κι εδώ έρχονται στην επιφάνεια τα πάλσαρ χιλιοστού του δευτερολέπτου. Τα πάλσαρ βρίσκονται πολλά έτη φωτός από τη Γη, αφήνοντας έτσι αρκετό χρόνο και χώρο για να ‘τεντωθούν’ και να ‘μαζευτούν’ με την ησυχία τους τα κύματα βαρύτητας, μεταβάλλοντας έτσι το χρόνο που χρειάζονται οι παλμοί τους να κτυπήσουν τη Γη. Θεωρητικά, όλα όσα χρειάζεστε για να δείτε το φαινόμενο είναι ένα απλό, λαμπρό πάλσαρ χιλιοστού του δευτερολέπτου, που μπορείτε να το χρονομετρήσετε με επαρκή ακρίβεια για μερικά χρόνια.
Στην πράξη, όμως, αυτό το φαινόμενο δεν είναι αρκετά μεγάλο για να το δούμε ακόμα και με το πιο λαμπρά και πιο καλοχρονομετρημένα πάλσαρ. Αλλά υπάρχει μια πονηρή κατεργαριά. Καθώς τα κύματα της βαρύτητας κυματίζουν από την πηγή τους, αυτά εκτείνονται στον χωροχρόνο προς μία κατεύθυνση και συμπιέζονται προς την κάθετο κατεύθυνση. Οι παλμοί του πάλσαρ που φθάνουν στη Γη και που διέρχονται από περιοχές ‘τεντωμένες’ φτάνουν σε ασυνήθιστα μεγάλη απόσταση μεταξύ τους, ενώ εκείνοι που διέρχονται από συμπιεσμένες περιοχές φτάνουν πιο ά μεταξύ τους (κτυπήστε την παρακάτω εικόνα για μεγέθυνση)
Αν έχουμε χαρτογραφήσει αυτού του είδους τα πάλσαρ στον ουρανό και έχουμε χρονομετρήσει τους παλμούς τους για αρκετό χρόνο, ώστε να βρούμε το μέσο χρόνο που χρειάζονται για να φθάσουν στη Γη, οποιαδήποτε μεταβολή σε αυτόν τον χρόνο θα δείχνει ενδιάμεσες παρεμβολές από τα κύματα της βαρύτητας. Αν δείτε ένα μοτίβο κάποιας μεταβολής σε πολλούς παλμούς, που όλα να ταιριάζουν με το σχήμα της διαστολής και συμπίεσης, τότε θα έχετε κτυπήσει φλέβα χρυσού.
Αυτό ακριβώς κάνουν τρία πρότζεκτ που τώρα αναζητούν κύματα βαρύτητας με αυτό τον τρόπο. Αρχικά ήταν μια ομάδα στο Παρατηρητήριο Parkes, η οποία ξεκίνησε τις εργασίες της το 2005, και συνεργάζεται με μια άλλη ομάδα που χρησιμοποιεί το πιο ισχυρά ραδιοτηλεσκόπια του κόσμου στο Αρεσίμπο στο Πουέρτο Ρίκο. Τέλος είναι μια ευρωπαϊκή ομάδα που συνδυάζει στοιχεία από ραδιοτηλεσκόπια στη Γερμανία, την Ολλανδία, τη Γαλλία, τη Σαρδηνία και του Ηνωμένου Βασιλείου.
"Για να δούμε ένα σήμα βαρυτικών κυμάτων από υπερβαρέες μαύρες τρύπες, θα πρέπει να χρονομετρήσουμε 20 πάλσαρ του χιλιοστού του δευτερολέπτου με μια ακρίβεια 100 νανοδευτερόλεπτα, με παρατηρήσεις κάθε δύο εβδομάδες για πέντε χρόνια", λέει ο George Hobbs του Παρατηρητηρίου Parkes στην Αυστραλία. Η ομάδα του έχει παρατηρήσει πάλσαρ για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα – δυστυχώς δεν είναι αρκετό για το σωστό είδος πάλσαρ.
“Η έλλειψη καλών πάλσαρ της κατηγορίας του χιλιοστού του δευτερολέπτου είναι το μεγαλύτερο πρόβλημα για όλα τα δίκτυα χρονομέτρησης των πάλσαρ”, λέει ο Scott Ransom, μέλος μιας ομάδας. “Μέχρι πρόσφατα, μόνο εμείς γνωρίζαμε περίπου εξήντα τέτοια πάλσαρ στο γαλαξιακό δίσκο μας, και δεν ταίριαζαν όλα με αυτά που θέλουμε για να μπορέσουμε να βρούμε τα κύματα βαρύτητα. Μόνο μισή ντουζίνα μπορούν να χρονομετρηθούν με ακρίβεια 100-νανοδευτερόλεπτα, και πολλά περισσότερα στα 200-νανοδευτερόλεπτο έως 1 μικροδευτερόλεπτο.
Βρίσκοντας τα πάλσαρ
Η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων με αυτή τη μέθοδο, τη χρήση μόνο αυτού του είδους τα πάλσαρ, είναι ακόμη πιθανή. Αλλά απλώς θα χρειαστούμε περισσότερο χρόνο. "Αν βρούμε περισσότερα πάλσαρ με περίοδο της τάξης του χιλιοστού του δευτερολέπτου θα κάνει τις ανιχνεύσεις μας ισχυρότερες και θα έρθουν νωρίτερα," λέει ο Scott Ransom. “Ξέρουμε ότι είναι εκεί έξω, εμείς απλά δεν τα έχουμε βρει ακόμη."
Η τύχη μας έχει αρχίσει να αλλάξει, όμως. Τον Ιούνιο του 2008, η NASA έστειλε στο διάστημα το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων-Χ Fermi, ένα τηλεσκόπιο για να χαρτογραφήσουν τις πηγές κοσμικής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Τον Ιανουάριο του 2010, η ομάδα του Fermi ανακοίνωσε ότι βρέθηκαν 17 νέα πάλσαρ χιλιοστού σε μόλις τρεις μήνες.
Πόσο καιρό θα χρειαστούμε προτού έχουμε μια οριστική ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων; Η πρόβλεψη του George Hobbs για την επόμενη βδομάδας είναι, παραδέχεται, πολύ αισιόδοξη. "Όμως, με τα δεδομένα που έχουμε ήδη, θα πρέπει να είναι μέσα σε πέντε χρόνια», αναγνωρίζει. Έτσι, θα υπάρχει ένας ανταγωνισμός μεταξύ της μεθόδου με τα pulsar και του ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων LIGO, που μέχρι το 2015 θα έχει μια κρίσιμη αναβάθμιση για την αύξηση της ευαισθησίας του. Και οι επιστήμονες βρίσκουν πολύ συναρπαστικό ότι υπάρχουν δύο πρότζεκτ που ανταγωνίζονται ποιό θα κάνει την πρώτη ανίχνευση.
Και αν δεν υπάρχει τίποτα εκεί έξω; Ο Hobbs πιστεύει ότι αυτό είναι το πιο ενδιαφέρον αποτέλεσμα. "Αν βρούμε τα κύματα βαρύτητας, ο καθένας θα είναι πολύ χαρούμενος και ο Αϊνστάιν θα έχει βάλει κι άλλες περγαμηνές στην φαρέτρα του – αλλά εκεί θα τελειώσει το πράγμα," λέει. Εάν, από την άλλη πλευρά, τα κύματα βαρύτητας δεν υπάρχουν, τότε όχι μόνο η γενική σχετικότητα θα χρειαστεί κάποια σημαντική αναθεώρηση, αλλά ολόκληρη η άποψη μας για το πώς αναδύθηκαν τα πράγματα στο σύμπαν θα χρειαστεί μια επανεξέταση. “Θα είχαμε αποκλείσει ολόκληρο το ιεραρχικό μοντέλο του σχηματισμού των γαλαξιών," εξηγεί ο Hobbs. "Θα είμαστε στο σημείο μηδέν."
Τι κάνει ένα πάλσαρ να κτυπάει σαν ρολόι ακριβείας;
Δεν γνωρίζουμε γιατί τα πάλσαρ βγάζουν ένα ρυθμικό ήχο τόσο τακτικά. Η απάντηση μπορεί να βρίσκεται σε μια δημοσιευμένη εργασία που παρουσιάστηκε τον Ιανουάριο του 2010 στην συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Ένωσης από τον John Singleton και τον Andrea Schmidt του Εργαστηρίου Los Alamos. Αυτοί προτείνουν ότι ο ρυθμικός ήχος θα μπορούσε να είναι κάτι ανάλογο με την ηχητική έκρηξη που παράγεται από τα υπερηχητικά αεροσκάφη, καθώς ταξιδεύουν με ταχύτητες μεγαλύτερες του ήχου.
Η σχετικότητας δεν απαγορεύει τα μαγνητικά πεδία στην επιφάνεια ενός πάλσαρ να περιστρέφονται πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός, λέει ο Σίνγκλετον. Όπως η ομάδα του προτείνει, σωματίδια με αντίθετα φορτία ωθούνται προς τις δύο πλευρές του πάλσαρ, όπου αυτά εκπέμπουν ακτινοβολία. Το μοτίβο της ακτινοβολίας τότε ενισχύεται στη συνέχεια από την υπερφωτεινή έκρηξη του μαγνητικού πεδίου, σχηματίζοντας έτσι ένα έντονο παλμό που εκπέμπεται στο διάστημα. Ένα παρόμοιο αποτέλεσμα σχηματίζουν τα ηχητικά κύματα που εκπέμπονται από ένα αεροσκάφος που ταξιδεύει πιο γρήγορα από το φράγμα του ήχου. Ενώ οι άνθρωποι μέσα στο αεροπλάνο ακούνε ένα συνεχή ήχο, τα ηχητικά κύματα φτάνουν σε έναν παρατηρητή της Γης σαν μια "έκρηξη"
Ο Singleton λέει πως το μοντέλο του, μπορεί να αναπαράγει όλα τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα πάλσαρ, αντικαθιστώντας έτσι το συνονθύλευμα των μοντέλων που υπήρχαν μέχρι τώρα. Αυτό κατά την Jocelyn Bell Burnell, που ανακάλυψε τα πάλσαρ, είναι ενδιαφέρον. "Αυτοί οι ερευνητές εξηγούν ορισμένα χαρακτηριστικά της εκπομπής των πάλσαρ, που είναι δύσκολο να εξηγηθούν με άλλες θεωρίες, και μάλιστα πολύ τακτοποιημένα”, αναφέρει η Jocelyn Bell.
Άλλοι θεωρητικοί είναι λιγότερο εντυπωσιασμένοι, όμως ο Σίνγκλετον λέει ότι αυτό πρέπει να αναμένεται. "Αν είμαστε σωστοί – και είμαι πεπεισμένος ότι είμαστε – το μοντέλο μας αντικαθιστά 40 χρόνια εργασίας στο οποίο απασχολήθηκαν εκατοντάδες θεωρητικοί. Μπορείτε λοιπόν να περιμένετε ότι θα αντιμετωπίσουμε κάποια εχθρότητα."
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου