Η πρώτη έμμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων:ο δρόμος προς το LIGO

Τα βαρυτικά κύματα είναι διαταραχές στο χωροχρόνο που δημιουργούνται από μερικά από τα μεγαλύτερα και πιο ενεργητικά γεγονότα στο σύμπαν. Διαδίδονται ως κύματα από μια πηγή με την ταχύτητα του φωτός.

Στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η βαρύτητα θεωρείται μια καμπυλότητα του χωροχρόνου - μια καμπυλότητα που προκαλείται από την παρουσία μάζας. Όσο μεγαλύτερη και πιο συμπαγής είναι η μάζα, τόσο μεγαλύτερη είναι η καμπυλότητα. Για τους φυσικούς, τα βαρυτικά κύματα είναι επίσης η κυματική λύση των εξισώσεων του Αϊνστάιν και ο μόνος τρόπος μέσω του οποίου μπορούν να παρατηρηθούν ορισμένα φαινόμενα στο σύμπαν.

Για παράδειγμα, όταν οι τροχιές δύο μεγάλων σωμάτων αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, αυτό φαινομενικά οδηγεί σε απώλεια ενέργειας. Αλλά η ενέργεια δεν μπορεί να χαθεί, επομένως πρέπει να πάει κάπου — και ο μόνος τρόπος για να εξηγηθεί αυτή η απώλεια είναι ότι η ενέργεια χρησιμοποιείται για την παραγωγή κυμάτων στο χωροχρόνο, εκπέμποντας βαρυτική ακτινοβολία.

Η θεωρία ευθυγραμμίστηκε καλά, αλλά υπήρχε ένα πρόβλημα:για δεκαετίες, οι ερευνητές δεν μπορούσαν πραγματικά να ανιχνεύσουν αυτά τα βαρυτικά κύματα και χωρίς επικύρωση, η θεωρία δεν μπορούσε να επιβεβαιωθεί. Όλα άλλαξαν το 2015, με τα πρώτα βαρυτικά κύματα (GW150914) να παρατηρούνται απευθείας από τους δύο ανιχνευτές Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO). Τρία χρόνια αργότερα, οι τρεις κύριοι επιστήμονες πίσω από την ανίχνευση έλαβαν το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη. Αλλά οι ερευνητές μπορεί να ανακάλυψαν τα βαρυτικά κύματα πολύ νωρίτερα, το 1982.

Δυαδικό Hulse–Taylor

Το 1974, δύο αστροφυσικοί, (Russell Alan Hulse και Joseph Hooton Taylor Jr) διεξήγαγαν μια έρευνα πάλσαρ στο Αστεροσκοπείο Arecibo, ένα ραδιοτηλεσκόπιο με θόλο 305 μέτρων (1.000 πόδια). Ίσως θυμάστε το Arecibo ως το μεγάλο τηλεσκόπιο που κατέρρευσε στα ερείπια στα τέλη του 2020 λόγω υποχρηματοδότησης και παραμέλησης. Τα πάλσαρ είναι ένας τύπος συμπαγών αστεριών που εκπέμπουν ραδιόφωνο ή ακτινοβολία ακτίνων Χ — είναι ένα είδος κοσμικού φάρου που περιστρέφεται και όποτε εκπέμπει ένα σήμα προς τη Γη, μπορούμε να το ανιχνεύσουμε.

Υπάρχει ένας σημαντικός λόγος για τον οποίο ο Arecibo ήταν τόσο μεγάλος. Ο στόχος των ραδιοτηλεσκοπίων είναι να ανιχνεύουν ραδιοκύματα - κύματα για τα οποία το μήκος κύματος μπορεί να μετρήσει ακόμη περισσότερο από την ακτίνα της Γης. Οι πηγές ραδιοκυμάτων έξω από το ηλιακό σύστημα είναι πραγματικά αδύναμες, επομένως χρειαζόμαστε πολύ μεγάλα πιάτα για να ανιχνεύσουμε αυτά τα αντικείμενα — και το Arecibo ανίχνευσε με επιτυχία κάτι.

Οι επιστήμονες εντόπισαν ένα «περίεργο» πάλσαρ, που αργότερα ονομάστηκε PSR B1913+16 ή «δυαδικό σύστημα Hulse-Taylor». Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η περίοδος παλμών αυτού του πάλσαρ δεν είναι σταθερή — αλλάζει και επιστρέφει στην αρχική κατάσταση κάθε 7,75 ώρες. Η μόνη εξήγηση για αυτή την αλλαγή ήταν ότι το πάλσαρ βρίσκεται σε ένα δυαδικό σύστημα, το πάλσαρ ολοκλήρωνε μια τροχιά κάθε 7,75 ώρες. Το γνώριζαν χάρη στο φαινόμενο Doppler.

Όταν μια πηγή φωτός απομακρύνεται από εμάς, η συχνότητά της μετατοπίζεται στην κόκκινη πλευρά του ορατού φάσματος — και όταν κινείται προς το μέρος μας μετατοπίζεται στο μπλε. Μετρώντας την περίοδο πάλσαρ, ο Taylor και ο Hulse μπόρεσαν να σχεδιάσουν μια καμπύλη ταχύτητας για να βοηθήσουν στην ανάλυση της τροχιάς και να προσπαθήσουν να καταλάβουν ποιος ήταν ο σύντροφος του πάλσαρ.

Στην ανάλυσή τους παρατήρησαν ότι το σύστημα δεν έχει κυκλική τροχιά αλλά έλλειψη. Στο τέλος, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το πάλσαρ ζούσε σε ένα δυαδικό σύστημα με ένα άλλο συμπαγές αστέρι, αλλά δεν μπόρεσαν ακόμη να καταλήξουν στο συμπέρασμα εάν ήταν επίσης πάλσαρ ή όχι.

Βαρυτικά κύματα

Μέχρι τώρα, πιθανώς αναρωτιέστε τι σχέση έχουν όλα αυτά με τα βαρυτικά κύματα. Είμαστε σχεδόν εκεί.

Οκτώ χρόνια αργότερα, χωρίς να σταματήσουν τις παρατηρήσεις, ο Taylor και ο Joel M. Weisberg συνειδητοποίησαν ότι η τροχιακή ταχύτητα αυξανόταν, πράγμα που σημαίνει ότι τα αστέρια επιταχύνονταν. Είχαν επίσης βελτιώσει τις γνώσεις τους για το σύστημα και υπολόγισαν ότι και τα δύο αστέρια έχουν σχεδόν την ίδια μάζα 1,4 ηλιακών μαζών και ότι η τροχιά τους είναι στενή, περίπου 4,5 φορές την ακτίνα του Ήλιου (ή 9 φορές την απόσταση από τη Γη στη Σελήνη). Ο σύντροφος του πάλσαρ είναι πιθανώς ένα άλλο πάλσαρ, κατέληξαν, αλλά απλώς δεν μπορούμε να λάβουμε το ραδιοφωνικό σήμα του επειδή οι ακτίνες που εκπέμπει δεν είναι ποτέ στραμμένες προς τη Γη.

Το δυαδικό ήταν ο τέλειος υποψήφιος για να δοκιμάσει τη λύση των βαρυτικών κυμάτων στις εξισώσεις του Αϊνστάιν, αλλά επειδή δεν μπορούσαμε να λάβουμε άμεσες πληροφορίες από τα ίδια τα κύματα, οι Taylor και Weisberg χρησιμοποίησαν τη θεωρία για να συνδέσουν έμμεσα τις παρατηρήσεις από την περίοδο του παλμού. Παρατήρησαν ότι η τροχιακή περίοδος μεταξύ των αστεριών μειώνονταν με το χρόνο, πράγμα που σημαίνει ότι έχανε ενέργεια — πιθανώς σε βαρυτικά κύματα.

Ενώ ο Arecibo δούλευε ακόμη, οι παρατηρήσεις συνεχίστηκαν και 30 χρόνια αργότερα, η ίδια θεωρία συνέχισε να ταιριάζει με την εκτιμώμενη απώλεια της τροχιακής περιόδου, υπονοώντας όλο και περισσότερο ότι το δυαδικό σύστημα εκπέμπει βαρυτικά κύματα. Το εντυπωσιακό συμπέρασμα της μελέτης είναι η σχεδόν τέλεια συμφωνία μεταξύ των σημείων (με κόκκινο παρακάτω) και της θεωρίας (μπλε γραμμή) σχεδόν σαν να μην υπάρχει ένα ελάχιστο λάθος στη θεωρία του Αϊνστάιν. Αν και δεν είχαν καμία άμεση παρατήρηση, οι αστρονόμοι πιθανότατα είχαν εντοπίσει βαρυτικά κύματα έμμεσα.

Η ανακάλυψη του δυαδικού πάλσαρ οδήγησε σε βραβείο Νόμπελ το 1993 για τον Taylor και τον Hulse, αλλά όχι για την έμμεση ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων. Το PSR1913+16 ήταν πάντα η παρατήρηση που άνοιξε το δρόμο για το συμβολόμετρο βαρυτικών κυμάτων, με το δυαδικό ήταν σχεδόν βέβαιο ότι η θεωρία ήταν σωστή, οι επιστήμονες έπρεπε απλώς να είναι αρκετά τυχεροί για να παρατηρήσουν το φαινόμενο. Συνέβη και το 2017, το Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε σε ερευνητές του LIGO για την πρώτη ανίχνευση στερεών.

Το ραδιοτηλεσκόπιο Arecibo κατέρρευσε πριν από ένα χρόνο. Το εμβληματικό τηλεσκόπιο που έκανε την πρώτη ανίχνευση δυαδικών πάλσαρ, και πολλά άλλα, έπεσε στα ερείπια καθώς αγωνιζόταν να βρει χρηματοδότηση τα τελευταία χρόνια. Τα δεδομένα που συλλέγονται από το τηλεσκόπιο εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται από τους επιστήμονες, το πιο πρόσφατο δημοσιεύτηκε ακριβώς ένα χρόνο μετά την κατάρρευσή του, η έρευνα προσπαθεί να κατανοήσει την ιστορία των γαλαξιών με την αστρική τους μάζα.