Το ραντάρ βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να ανιχνεύσει το βαθύ διάστημα για μικροσκοπικά αστρικά αντικείμενα

Οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν βρει έναν νέο τρόπο για να δοκιμάσουν τη θεωρία της βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, ή τη γενική σχετικότητα, και —ίσως— να διερευνήσουν το μακρινό σύμπαν για μικροσκοπικά, δύσκολο να ανιχνευθούν αντικείμενα. Τα βαρυτικά κύματα - κυματισμοί στο διάστημα ξεκινούν όταν τεράστια αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες στροβιλίζονται μεταξύ τους και συγκρούονται - θα πρέπει να αναπηδούν από άλλα τεράστια αντικείμενα για να παράγουν ηχώ των σημάτων που έρχονται απευθείας στη Γη, προβλέπουν οι θεωρητικοί. Τέτοιες «βαρυτικές λάμψεις» θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως ένα είδος ραντάρ για την ανίχνευση λευκών νάνων, αστεριών νετρονίων και άλλων αστρικών πτωμάτων που είναι δύσκολο να δούμε πέρα ​​από τον γαλαξία μας.

Εάν η γενική σχετικότητα είναι σωστή, η ηχώ πρέπει να υπάρχει σε κάποιο επίπεδο, λέει ο Craig Copi, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve και κύριος συγγραφέας της εργασίας. Ωστόσο, προειδοποιεί, «αυτό δεν εγγυάται ότι είναι παρατηρήσιμο».

Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, τεράστια αντικείμενα όπως αστέρια και πλανήτες παραμορφώνουν τον χωρόχρονο για να δημιουργήσουν το φαινόμενο που ονομάζουμε βαρύτητα. Όταν δύο τεράστια αντικείμενα, όπως ένα ζεύγος μαύρων τρυπών στροβιλίζονται μαζί, η σύγκρουση θα πρέπει να εκπέμπει βαρυτικά κύματα προς όλες τις κατευθύνσεις.

Από το 2015, οι επιστήμονες μπόρεσαν να ανιχνεύσουν αυτά τα απίστευτα αμυδρά κύματα, χρησιμοποιώντας τεράστια οπτικά όργανα σχήματος L που ονομάζονται συμβολόμετρα, όπως τα δύο του Παρατηρητηρίου Συμβολομετρικών Βαρυτικών Κυμάτων Laser (LIGO) στη Λουιζιάνα και την πολιτεία Ουάσιγκτον, και τον ανιχνευτή Virgo κοντά Πίζα, Ιταλία. Μαζί, οι ανιχνευτές έχουν παρατηρήσει δεκάδες φευγαλέα σήματα βαρυτικών κυμάτων, τα περισσότερα προερχόμενα από τη συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών.

Αλλά μερικές φορές, ένα τέτοιο σήμα θα έπρεπε να συνοδεύεται από μια αρκετά μεγάλη ηχώ που έρχεται ένα κλάσμα του δευτερολέπτου αργότερα, προβλέπουν ο Copi και ο Glenn Starkman, ένας θεωρητικός στο Case Western. Θεωρούν ένα συμπαγές αντικείμενο όπως ένας λευκός νάνος ή ένα αστέρι νετρονίων που βρίσκεται κοντά, αλλά όχι απευθείας στη γραμμή όρασης στις συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες. Χρησιμοποιώντας τη γενική σχετικότητα, υπολογίζουν ότι τα βαρυτικά κύματα που διασκορπίζονται από το αντικείμενο μπορούν να αναπαράγουν το σήμα που προέρχεται κατευθείαν από την πηγή, αναφέρουν αυτήν την εβδομάδα στο Physical Review Letters .

Η φυσική είναι λεπτή. Τα κύματα διασκορπίζονται όχι από το υλικό του αντικειμένου - από το οποίο περνούν αμέσως - αλλά από το βαρυτικό πεδίο του αντικειμένου. Οι θεωρητικοί είχαν υπολογίσει προηγουμένως ότι η σκέδαση από ένα απειροελάχιστα μικρό αντικείμενο που μοιάζει με σημείο, όπως μια μαύρη τρύπα, θα πρέπει να παράγει μόνο μια πολύ αδύναμη σκέδαση. Αυτό οφείλεται πιθανώς στην ειδική μαθηματική φύση του πεδίου μιας σημειακής πηγής, της οποίας η ισχύς ποικίλλει αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης από το σημείο.

Αντί για ένα σημείο, ο Copi και ο Starkman ανέλυσαν τη διασπορά από ένα πυκνό σφαιρικό αντικείμενο περισσότερο σαν μπάλα μπόουλινγκ. Περίμεναν ότι θα παράγει επίσης μια ηχώ πολύ μικρή για να ανιχνευθεί. «Το συγκλονιστικό πράγμα που βρήκαμε είναι ότι δεν είναι», λέει ο Copi. Το κλειδί για το αποτέλεσμα είναι ότι μέσα στη σφαίρα, το βαρυτικό πεδίο τροποποιείται από τη μορφή σημειακής πηγής, εξηγεί.

Άλλα είδη ηχώ μπορεί να είναι δυνατά. Μερικοί φυσικοί έχουν υπολογίσει ότι εάν η γενική σχετικότητα τροποποιηθεί με συγκεκριμένους τρόπους από την κβαντομηχανική, τότε το ουραίο άκρο του σήματος από τη συγχώνευση δύο μαύρων οπών θα πρέπει να παρουσιάζει μια παλμική αντήχηση. Αλλά αυτό το φαινόμενο απαιτεί νέα φυσική και παράγει μια ακολουθία ατελών ηχών. Η βαρυτική λάμψη παράγει μια ενιαία, πιστή ηχώ ολόκληρου του σήματος, σημειώνει η Madeline Wade, φυσικός βαρυτικών κυμάτων στο Kenyon College. "Δεν έχω ακούσει ποτέ για μια πρόβλεψη όπως αυτή, όπου [η ηχώ] είναι ένα είδος αντιγραφής και επικόλλησης του σήματος σε κάποια χρονική καθυστέρηση."

Υπάρχει ένας άλλος τυπικός τρόπος παραγωγής πολλαπλών σημάτων, λέει ο Neil Cornish, αστρονόμος βαρυτικών κυμάτων στο Πανεπιστήμιο της Μοντάνα. Εάν ένα πυκνό αντικείμενο κάθεται ακριβώς κατά μήκος της οπτικής γραμμής σε μια πηγή των βαρυτικών κυμάτων, τότε μπορεί να λειτουργήσει σαν φακός για να παράγει πολλαπλές «εικόνες» του γεγονότος. Αλλά, λέει, οι πιθανότητες να δεις ένα τέτοιο συμβάν με φακό θα πρέπει να είναι πολύ μικρότερες.

Υποθέτοντας ονομαστικούς πληθυσμούς άστρων νετρονίων, λευκών νάνων και άλλων συμπαγών αντικειμένων, μια ηχώ κατά το ένα τρίτο του μεγέθους του αρχικού σήματος θα πρέπει να συνοδεύει περίπου ένα σε κάθε 225 συμβάντα βαρυτικών κυμάτων, εκτιμούν οι Copi και Starkman. Έτσι, ένας ή δύο μεγάλοι απόηχοι θα μπορούσαν να κρύβονται στα 90 γεγονότα που έχουν ήδη εντοπίσει το LIGO και η Παρθένος, λέει ο Leslie Wade, μέλος του LIGO και φυσικός βαρυτικών κυμάτων στο Kenyon. Έτσι, οι Wades ετοιμάζονται να τράτα για αυτούς. "Η νίκη είναι μεγάλη, ενώ το κόστος αναζήτησης αυτών των πραγμάτων θα ήταν μικρό", λέει ο Leslie Wade, "Λοιπόν, ας το κάνουμε."

Ο Cornish, επίσης μέλος του LIGO, σημειώνει ότι οι συνεχώς βελτιούμενοι ανιχνευτές θα πρέπει να εντοπίσουν χιλιάδες γεγονότα την επόμενη δεκαετία. Ο εντοπισμός μόνο μίας ή δύο λάμψεων θα χρησίμευε ως ένα είδος «gradar» για να δώσει στους επιστήμονες μια χονδροειδή εκτίμηση για το πόσα συμπαγή αντικείμενα όπως αστέρια νετρονίων και λευκοί νάνοι υπάρχουν πολύ πέρα ​​από τον γαλαξία μας, λέει. «Είναι λίγο σαν να νιώθει ο τυφλός τον ελέφαντα», λέει ο Cornish. "Δεν μοιάζετε με ένα εξαιρετικά ευκρινές ανιχνευτή εδώ, αλλά θα ήταν ακόμα κάποιες πληροφορίες που διαφορετικά δεν θα είχαμε."