Βαρυτικά Κύματα: Ο επιστήμονες θεωρούν ότι μπορούν να τα ανιχνεύσουν παρακολουθώντας τις κινήσεις των άστρων

Τη χρονιά που πέρασε το βραβείο Nobel στη Φυσική απονεμήθηκε σε αυτούς που ανέπτυξαν το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ ή LIGO (από το Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων χρησιμοποιώντας μεγάλα συμβολόμετρα, όμως υπάρχουν και άλλες τεχνικές με τις οποίες θα μπορούσε να γίνει η ίδια εργασία.

Μια μέθοδος περιλαμβάνει μετρήσεις των μικρών μετατοπίσεων των άστρων που θα μπορούσαν με παρατηρήσουμε καθώς ένα βαρυτικό κύμα πέρναγε από τη γειτονιά της Γης. Νέοι υπολογισμοί δείχνουν ότι η ανίχνευση θα ήταν εφικτή με τη χρήση των δεδομένων υψηλής ανάλυσης στις θέσεις των άστρων (αστρομετρία) που παρέχονται από το διαστημικό τηλεσκόπιο που ονομάζεται Γαία (Gaia). Η μέθοδος αυτή θα ήταν ευαίσθητη σε εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας κύματα που παράγονται από συγχωνεύσεις των υπερμεγεθών μελανών οπών και πιθανώς ακόμη και από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Τα βαρυτικά κύματα (ΒΚ) δημιουργούνται από βίαια γεγονότα, όπως οι συγκρούσεις μελανών οπών ή άστρων νετρονίων, αντικείμενα των οποίων η ακραία πυκνότητα ρυτιδώνει έντονα τον περιβάλλοντα χωρόχρονο. Τα LIGO ανιχνεύουν ένα ΒΚ με το τέντωμα και την συμπίεση που παράγουν, όμως ένα περαστικό ΒΚ θα ανάγκαζε τη Γη να ταλαντωθεί στη θέση της σε σχέση με τα άστρα. Έτσι, απομακρυσμένα άστρα, που φαίνονται από τη Γη ή από ένα διαστημικό τηλεσκόπιο σε τροχιά, θα φαίνονται προσωρινά να αλλάζουν τη θέση τους με ένα προβλέψιμο τρόπο.

Η ανίχνευση των ΒΚ με την παρατήρηση μεγάλων γαλαξιακών αντικειμένων, μάλλον παρά άστρων, προτάθηκε τη δεκαετία του 1990. Μεγάλα δίκτυα αστρονόμων ετοιμάζονται ήδη για να ανιχνεύσουν ΒΚ δια μέσου των προσπαθειών τους στις ραδιοεκπομπές από τα πάλσαρ, για τα οποία η υψηλής κανονικότητας ροή των ταχέων παλμών θα είναι ελαφρώς αλλαγμένη στη συχνότητα. Τώρα ο αστρονόμος Christopher Moore του Πανεπιστημίου του Cambridge στο Ηνωμένο Βασίλειο και οι συνεργάτες του έχουν προβλέψει το αποτύπωμα που θα άφηνε ένα ΒΚ σε ένα μαζικό πεδίο άστρων που παρατηρούνται από το διαστημικό τηλεσκόπιο Γαία, της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA). Το παρατηρητήριο εκτοξεύθηκε τα τέλη του 2013 για να κάνει υψηλής ακρίβειας παρατηρήσεις των θέσεων των άστρων στον Γαλαξία μας.

Τα δεδομένα από το Γαία θα αποδοθούν στις αρχές της δεκαετίας του 2020. Τότε, λέει ο Moore, «το Γαία, μετρώντας αυτό το φαινόμενο θα διαμορφώσει μια ρεαλιστική προοπτική, για πρώτη φορά». Ενώ το Γαία σχεδιαζόταν, οι ερευνητές αναγνώρισαν ότι μια εν δυνάμει χρήση του οργάνου θα είναι η ανίχνευση ΒΚ. Πολλοί παράγοντες συμβάλλουν στο να γίνει εφαρμόσιμη αυτή η προσέγγιση, στους οποίους συμπεριλαμβάνονται η τοποθεσία και η μεγάλη διάρκεια των αστρομετρικών μετρήσεων. Το Γαία θα παρατηρεί περίπου ένα δισεκατομμύριο άστρα για πάνω από 5 – 10 χρόνια, εντοπίζοντας καθένα από αυτά τουλάχιστον 80 φορές κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Η παρατήρηση τόσων πολλών άστρων είναι η κύρια βελτίωση που παρέχεται από το Γαία, λέει ο Moore.

Αυτός και οι συνάδελφοί του δείχνουν ότι τα ΒΚ θα παραγάγουν ένα χαρακτηριστικό μοτίβο αλλαγών για τις θέσεις όλων των άστρων. Οι ερευνητές προσομοίωσαν ένα ΒΚ που παράγεται από ένα ζεύγος υπερμεγέθων μελανών οπών που περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο και έδειξαν ότι θα ήταν ανιχνεύσιμο από τις μετρήσεις 100000 άστρων από το Γαία. (Η ανάλυση ενός δισεκατομμυρίου άστρων θα ήταν πολύ απαιτητική σε υπολογιστική ισχύ). Η μέθοδος θα είναι αποτελεσματική για ΒΚ εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας, από λίγα μικροχερτζ μέχρι νανοχέρτζ, που σημαίνει ότι μια μεμονωμένη ταλάντωση θα μπορούσε να πάρει χρόνια.

Διαβάζοντας τα άστρα: Ένα χαμηλής συχνότητας βαρυτικό κύμα που περνά από τη γειτονιά της Γης θα γινόταν αιτία οι θέσεις των απομακρυσμένων άστρων (μαύρα σημεία) να φαίνονται ότι ταλαντώνονται με το χρόνο. Το πρότυπο μπορεί να αποκαλύψει το πλάτος, τη συχνότητα και την πόλωση. Ο κινήσεις στο σχήμα έχουν μεγεθυνθεί για καλύτερη αντίληψη του φαινομένου.

Η επιτυχία, ωστόσο, δεν είναι εγγυημένη. «Ίσως όλα τα κύματα σε αυτές τις υπερχαμηλές συχνότητες είναι τόσο ασθενή ακόμη και για το Γαία, για να τα ανιχνεύσει», λέει ο Moore. Αναφέρει πως η πιο πιθανή πηγή ΒΚ ορατή στα δεδομένα του Γαία θα είναι ένα ζεύγος υπερμεγέθων μελανών οπών δεσμευμένες σε μια στενή τροχιά, με περίοδο περίπου ενός έτους και τοποθετημένων στο κέντρο κάποιου μεγάλου, σχετικά κοντινού γαλαξία. Τέτοια αντικείμενα θα μπορούσαν να έχουν μεταξύ 10 εκατομμύρια και 100 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου.

«Αυτή θα ήταν μια φανταστική ιδέα και αξίζει η προσπάθεια», λέει ο αστροφυσικός Carl Gwinn, του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, στη Santa Barbara, αν και αναφέρει ότι θα είναι δύσκολο να εξαλειφθούν αντικρουόμενα σήματα από οργανικές επιδράσεις, όπως οι διακυμάνσεις στον προσανατολισμό της διαστημοσυσκευής. Επιστήμονας της αποστολής του Γαία της ESA επιβεβαιώνει ότι οι προτάσεις και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων είναι συνεπή με τις δυνατότητες του οργάνου. Σύμφωνα με τον Gwinn, απαιτείται ένα τοποθετημένο στο διάστημα όργανο για να δει τέτοιες επιδράσεις, καθώς η διάθλαση στην ατμόσφαιρα της Γης θα εμπόδιζε τη παρατήρηση από τοποθετημένα στο έδαφος τηλεσκόπια.

Όπως αναφέρεται από επιστήμονες της αποστολής Γαία, η προσέγγιση μπορεί να αποκαλύψει πηγές ΒΚ όχι εύκολα ορατές σε συμβολομετρικούς ανιχνευτές όπως τα LIGO, συμπεριλαμβανομένων αρχέγονων ΒΚ που παρήχθησαν κατά την πληθωριστική εποχή της Μεγάλης Έκρηξης. Ο Gwinn προσθέτει ότι το Γαία θα μπορούσε επίσης να δει ΒΚ που εκπέμφθηκαν όταν άστρα από ένα γαλαξία συγχωνεύονται με την κεντρική μεγάλης μάζας μαύρη τρύπα που αυτός φιλοξενεί, κάτι που θα πρέπει να είναι ένα πολύ κοινό συμβάν.