Ένα γιγάντιο κύμα με αστέρια που κυματίζει από το κέντρο του Γαλαξία μας προς τα έξω ανακάλυψε το διαστημικό τηλεσκόπιο Γαία (Gaia) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA).
Σύμφωνα με την δημoσίευση ‘The great wave‘, το αστρικό κύμα στον Γαλαξία μας έχει πλάτος 150 – 200 pc (παρσέκ), και μήκος κύματος (λ) μεγαλύτερο από 4 kpc. Αν η «ακτίνα» του γαλαξιακού δίσκου με τα άστρα είναι γύρω στα 15 kpc, τότε (με το μάτι από την εικόνα) προκύπτει ότι το μήκος κύματος θα είναι γύρω στα λ=7-8 kpc.
Γνωρίζουμε ότι τα αστέρια του Γαλαξία περιστρέφονται γύρω από το κέντρο του και το τηλεσκόπιο Γαία έχει μετρήσει τις ταχύτητες και τις κινήσεις τους. Το ίδιο τηλεσκόπιο ανακάλυψε ότι ο δίσκος του Γαλαξία ταλαντεύεται με την πάροδο του χρόνου παρόμοια με την κίνηση μίας σβούρας. Συνολικά, το διαστημικό τηλεσκόπιο Γαία, που «σίγησε» τον περασμένο Μάρτιο, μας έχει προσφέρει τον μεγαλύτερο και ακριβέστερο πολυδιάστατο χάρτη του Γαλαξία μας. Τώρα η μελέτη των δεδομένων του δίνει στους ερευνητές μία επιπλέον νέα πληροφορία: Ένα μεγάλο κύμα μετακινεί τα άστρα του Γαλαξία μας σε αποστάσεις δεκάδων χιλιάδων ετών φωτός από τον Ήλιο. Η ανακοίνωση του ESA παρομοιάζει αυτό το γαλαξιακό κύμα αστεριών με τους κυματισμούς προς τα έξω που προκαλεί μία πέτρα όταν πέφτει σε μία λίμνη.
Μέσα από τους χάρτες του Γαλαξία μας, που έχουν δημιουργήσει οι επιστήμονες με τη βοήθεια των δεδομένων του Γαία, διακρίνεται ότι το κύμα εκτείνεται σε τεράστιο μέρος του γαλαξιακού δίσκου επηρεάζοντας αστέρια σε απόσταση τουλάχιστον 30 έως 65 χιλιάδων ετών φωτός από το κέντρο του Γαλαξία.
Οι ερευνητές κατάφεραν να εντοπίσουν αυτήν την κίνηση μελετώντας τις λεπτομερείς θέσεις και κινήσεις νεαρών γιγάντιων αστεριών και Κηφείδων, μίας ομάδας μεταβλητών αστεριών που αποτελούν σημαντικούς δείκτες για την κλίμακα γαλαξιακών και εξωγαλαξιακών αποστάσεων. Καθώς αυτά τα αστέρια κινούνται με το κύμα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το αέριο στον δίσκο μπορεί, επίσης, να συμμετέχει σε αυτήν την κυματοειδή ροή.
Ο παραμορφωμένος δίσκος του Γαλαξία μας ταλαντεύεται σαν σβούρα
Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν την προέλευση αυτών των γαλαξιακών δονήσεων. Μία παλαιότερη σύγκρουση με έναν νάνο γαλαξία θα μπορούσε να είναι πιθανή εξήγηση, που ωστόσο πρέπει να διερευνηθεί. Το μεγάλο κύμα θα μπορούσε, επίσης, να σχετίζεται με μία κυματοειδή κίνηση μικρότερης κλίμακας που παρατηρείται σε απόσταση 500 ετών φωτός από τον Ήλιο, αλλά σε διαφορετική περιοχή του γαλαξιακού δίσκου, το λεγόμενο Κύμα Ράντκλιφ.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Astronomy and Astrophysics».
«Οφείλουμε την ύπαρξή μας στα βαρυτικά κύματα; (Do we Owe our Existence to Gravitational Waves?)», είναι ο τίτλος της εργασίας των φυσικών John Ellis, Brian D. Fields και Rebecca Surman που δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα στον ιστότοπο arxiv.org.
Πως συνδέονται τα βαρυτικά κύματα με την ανθρώπινη ύπαρξη;
Σύμφωνα με τους Ellis et al, τα βαρυτικά κύματα καθορίζουν την εξέλιξη δυαδικών συστημάτων από άστρα νετρονίων που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο. Λόγω της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων, το ζεύγος σταδιακά χάνει ενέργεια και η απόσταση μεταξύ τους μειώνεται μέχρις ότου φτάσουμε στην τελική σύγκρουση-συγχώνευση, ένα γεγονός που στην αστροφυσική αναφέρεται ως κιλονόβα (kilonova). Και κατά την διάρκεια της σύγκρουσης άστρων νετρονίων (κιλονόβα) προκαλείται πυρηνοσύνθεση διαμέσου της οποίας παράγονται στοιχεία χωρίς τα οποία … η ύπαρξη του ανθρώπινου οργανισμού θα ήταν αδύνατη!
Σύγκριση της μετρημένης αφθονίας στοιχείων στον φλοιό της Γης (διακεκομμένη γραμμή) με αυτή που προκύπτει κατά την αστροφυσική διαδικασία πυρηνοσύνθεσης r-process. Περιλαμβάνονται τα στοιχεία βρώμιο, ιώδιο, θόριο και ουράνιο, τα οποία σχετίζονται με τη ζωή στη Γη.
Οι βαρύτεροι πυρήνες μπορούν να δημιουργηθούν στο εσωτερικό άστρων, που βρίσκονται στα τελευταία στάδια της ζωής τους, με δυο αστροφυσικές διαδικασίες πυρηνοσύνθεσης: την αργή διαδικασία (s-process) που περιλαμβάνει σύλληψη νετρονίων από βαρείς πυρήνες σε περιοχές με μικρή πυκνότητα νετρονίων καθώς επίσης και την γρήγορη διαδικασία (r-process), η οποία πραγματοποιείται όταν έχουμε μεγάλες πυκνότητες νετρονίων.
Η r-διαδικασία πραγματοποιείται κατά την διάρκεια της έκρηξης των σουπερνόβα, αλλά και όταν συγκρούονται άστρα νετρονίων (κιλονόβα). Είναι υπεύθυνη για την παραγωγή της μεγαλύτερης ποσότητας στοιχείων πολύ βαρύτερων από τον σίδηρο (πυρήνες με μαζικούς αριθμούς Α> 80), συμπεριλαμβανομένων του χρυσού, του θορίου και του πλουτωνίου.
Το ανθρώπινο σώμα αποτελείται κυρίως από τα στοιχεία υδρογόνο, άνθρακα, οξυγόνο, άζωτο και μικρότερες ποσότητες άλλων στοιχείων. Ο συνολικός αριθμός των στοιχείων που κρίνονται απαραίτητα για τη ζωή υπερβαίνει τα 20. Τα περισσότερα από αυτά έχουν ατομικούς αριθμούς Z < 35 και παράγονται κατά την διάρκεια των εκρήξεων σουπερνόβα. Ωστόσο, ξεχωρίζουν δύο βαρύτερα βασικά στοιχεία για την ανθρώπινη βιολογία που παράγονται κυρίως από την αστροφυσική διαδικασία r:
το ιώδιο με Z = 53, που είναι συστατικό των ορμονών του θυρεοειδούς, ο οποίος με τη σειρά του επηρεάζει σημαντικές λειτουργίες του ανθρώπινου οργανισμού, όπως ο μεταβολισμός, η καρδιακή δραστηριότητα, η ανάπλαση των οστών κ.α.
και το βρώμιο με Z = 35, που διαδραματίζει ρόλο στο κεντρικό νευρικό σύστημα, την ανάπτυξη και την αρχιτεκτονική των ιστών κλπ.
Υπάρχουν και κάποια άλλα βαριά στοιχεία που παράγονται διαμέσου της διαδικασίας r τα οποία
είτε είναι άμεσα χρήσιμα για τον ανθρώπινο οργανισμό, όπως το μολυβδαίνιο (Z=43) που εμπλέκεται στο μεταβολισμό των αμινοξέων,
είτε έμμεσα παίζουν ρόλο στην εξέλιξη της ζωής στη Γη (και πιθανόν σε εξωπλανήτες που μοιάζουν με τη Γη), όπως το ουράνιο και το θόριο που βρίσκονται στο εσωτερικό της Γης και οι διασπάσεις των ραδιοϊσοτόπων τους 235,238U και 232Th, δημιουργούν πάνω από το 50% της γεωθερμικής ενέργειας.
Τα βαριά στοιχεία που υπάρχουν στον φλοιό της Γης έχουν παραχθεί από έναν συνδυασμό των αστροφυσικών διαδικασιών r και s. Το 96% της αφθονίας του 127I στον φλοιό της Γης – στοιχείο απαραίτητο στον ανθρώπινο οργανισμό-, παράγεται διαμέσου της διαδικασίας r. Η διαδικασία r υπολογίζεται επίσης ότι παρείχε το μεγαλύτερο μέρος της αφθονίας βρωμίου και γαδολινίου στον φλοιό της Γης, το σύνολο του θορίου και ουρανίου και ένα κλάσμα του μολυβδαινίου και του καδμίου.
Υποστηρίζεται λοιπόν, θεωρητικά και παρατηρησιακά, ότι η γρήγορη (r) πυρηνοσύνθεση βαρέων στοιχείων απαραίτητων για την ανθρώπινη ύπαρξη – όπως το ιώδιο και το βρώμιο-, πραγματοποιείται κατά την διάρκεια των συγκρούσεων άστρων νετρονίων ή κιλονόβα. Κι αφού τα κιλονόβα προκαλούνται από βαρυτικά κύματα, ο Ellis και οι συνεργάτες του, αναρωτιούνται με φιλοσοφική διάθεση αν τελικά ‘οφείλουμε την ύπαρξή μας στα βαρυτικά κύματα;’. Προτείνουν μάλιστα κι έναν τρόπο επιβεβαίωσης της άποψής τους: να αναζητηθούν ισότοπα (όπως το ιώδιο-129) στην επιφάνεια της Σελήνης, που πιθανόν να προέκυψαν από κάποια πρόσφατη κοντινή έκρηξη κιλονόβα.
Διαμέσου μιάς νέας τεχνικής ανάλυσης, οι μετρήσεις ακριβείας της απόστασης Γης-Σελήνης θα βελτιώσουν τις εκτιμήσεις σχετικά με το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων στο σύμπαν.
Αν ένα βαρυτικά δεσμευμένο δυαδικό σύστημα σφυροκοπείται συνεχώς με βαρυτικά κύματα από παντού, η τροχιά τους θα αλλάζει σταδιακά με την πάροδο του χρόνου.
Ο καταιγισμός όλων των βαρυτικών κυμάτων που βομβαρδίζουν συνεχώς την Γη στο εύρος συχνοτήτων της τάξης των νανο-Hertz (nHz – μία ταλάντωση ανά λίγες εβδομάδες περίπου) – μπορεί να ανιχνευθεί μετρώντας τις αναπαίσθητες επιδράσεις τους στο σύστημα Γης-Σελήνης. Υλοποιώντας αυτή την παλιά ιδέα οι φυσικοί έδειξαν ότι τα πιο πρόσφατα δεδομένα από λέιζερ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να τεθεί ένα αρκετά μικρότερο ανώτατο όριο στην πιθανή ένταση αυτών των κυμάτων, σε σύγκριση με προηγούμενες εκτιμήσεις. Η τεχνική αυτή υπόσχεται έναν νέο τρόπο ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων χρησιμοποιώντας φυσικά τροχιακά συστήματα ως ευαίσθητους ανιχνευτές.
Τα βαρυτικά κύματα μεταφέρουν πληροφορίες για μερικά από τα πιο βίαια γεγονότα στο σύμπαν, από τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών έως και την Μεγάλη Έκρηξη, αλλά οι σημερινοί ανιχνευτές έχουν ένα τυφλό σημείο μεταξύ δύο διαφορετικών ζωνών συχνοτήτων. Η συνεργασία LIGO-Virgo-KAGRA—βασισμένη σε συμβολόμετρα λέιζερ που βρίσκονται στις ΗΠΑ, την Ευρώπη και την Ιαπωνία—μπορεί να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα με συχνότητες στην περιοχή από 1 έως 1000 Hz. Μια άλλη μέθοδος ανίχνευσης χρησιμοποιεί περιοδικά σήματα από πάλσαρ για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων της τάξης μεγέθους των νανο-Hertz (1nHz=10-9 Hz), που αντιστοιχεί σε μία ταλάντωση ανά λίγα χρόνια. Επομένως υπάρχει ένα μεγάλο κενό για τα βαρυτικά κύματα στην περιοχή συχνοτήτων μικρο-Hertz (1μHz=10-6 Ηz), τα οποία θα μπορούσαν να προκύψουν, π.χ. από υπερμεγέθη δυαδικά ζεύγη μαύρων τρυπών στα τελευταία στάδια της περιφοράς τους πριν από την συγχώνευση.
«Σκοπεύουμε να καλύψουμε αυτό το κενό», υποστηρίζει ο Alexander Jenkins. «Η βασική ιδέα είναι να μετρήσουμε πώς [τα κύματα] επηρεάζουν τις τροχιές των δυαδικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένου και του συστήματος Γης-Σελήνης». Σύμφωνα με τον Jenkins πολλοί ερευνητές έχουν βοηθήσει στην ανάπτυξη αυτής της ιδέας από τη δεκαετία του 1970. Στην απλούστερη περίπτωση, ένα συνεχές βαρυτικό κύμα ίδιας συχνότητας με την τροχιακή κίνηση θα μπορούσε να ωθεί τα αντικείμενα λίγο πιο κοντά μεταξύ τους σε κάθε κύκλο. Εξαιτίας αυτού του φαινομένου συντονισμού, η τροχιά θα άλλαζε με την πάροδο του χρόνου με έναν τρόπο που εξαρτάται τις ιδιότητες του κύματος.
Η διαδοχική σειρά των παραπάνω φωτογραφιών τραβήχτηκε από δορυφόρο που βρίσκεται σε απόσταση ενός εκατομμυρίου μιλίων από τη Γη. Οι ακριβείς μετρήσεις της απόστασης Γης-Σελήνης επιτρέπουν τους φυσικούς να εκτιμήσουν το πλάτος του σταθερού «βουητού» του υποβάθρου των βαρυτικών κυμάτων (προκείται για το λεγόμενο στοχαστικό υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων, ένα συνεχές σήμα που οφείλεται στην ασύμφωνη υπέρθεση βαρυτικών κυμάτων από πολλές και αμυδρές πηγές).
Το 2013, ο Lam Hui και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι τα βαρυτικά κύματα στην περιοχή συχνοτήτων μHz θα μπορούσαν να έχουν δυνητικά μετρήσιμη επίδραση στα δυαδικά συστήματα. Απέδειξαν θεωρητικά ότι ένα συνεχές υπόβαθρο από μεγάλο αριθμό τέτοιων κυμάτων που προέρχονται από όλες τις κατευθύνσεις θα πρέπει να μεταβάλλει, σταδιακά με την πάροδο του χρόνου, την περίοδο και άλλες τροχιακές παραμέτρους. Και ο ρυθμός μεταβολής τους θα εξαρτάται από την ένταση των κυμάτων.
Χρησιμοποιώντας δεδομένα από ένα δυαδικό σύστημα άστρων τύπου πάλσαρ που εκπέμπει περιοδικά σήματα, ο Hui και οι συνεργάτες του υπολόγισαν ένα ανώτερο όριο στην πιθανή ισχύ των βαρυτικών κυμάτων στην περιοχή συχνοτήτων της τάξης μHz. Τώρα, οι Jenkins και Blas βελτίωσαν αυτή την εργασία, δείχνοντας ότι η ακρίβεια των τωρινών δεδομένων στο σύστημα Γης-Σελήνης επιτρέπει στους ερευνητές να εξαγάγουν ένα ανώτερο όριο που είναι πολύ μικρότερο από αυτό που προκύπτει από την εργασία των Hui et al.
Οι Jenkins και Blas βασίζονται σε παλαιότερες εργασίες για να αναπτύξουν έναν μαθηματικό φορμαλισμό, καθώς και αριθμητικές μεθόδους, για να παρακολουθήσουν την τυχαία εξέλιξη της τροχιακής κίνησης οποιουδήποτε δυαδικού συστήματος που υπόκειται σε ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων. Αυτές οι μαθηματικές τεχνικές τους επέτρεψαν να κάνουν μια πιο ακριβή σύνδεση μεταξύ των τροχιακών μεταβολών και της φύσης των βαρυτικών κυμάτων που τις προκαλούν. «Ο φορμαλισμός μας δίνει έναν πολύ πιο ολοκληρωμένο και αυστηρό τρόπο υπολογισμού όλων των επιπτώσεων που θα είχε ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων σε ένα δεδομένο δυαδικό σύστημα», λέει ο Jenkins.
Οι ερευνητές χρησιμοποιούν αυτές τις μεθόδους για να προτείνουν ένα τρόπο για την μείωση του ορίου όσον αφορά την ένταση του υποβάθρου των βαρυτικών κυμάτων στο τρέχον «τυφλό σημείο». Υποστηρίζουν ότι αυτό μπορεί να γίνει μέσα από την σύγκριση των μετρήσεων με λέιζερ της απόστασης Γης-Σελήνης με τις προβλέψεις της θεωρίας. Τα αποτελέσματα, σύμφωνα με τις εκτιμήσεις τους, θα πρέπει να βελτιώσουν τις γνώσεις των ερευνητών για το πιθανό πλάτος αυτών των κυμάτων περισσότερο από 100 φορές.
Σύμφωνα με τον Vitor Cardoso η ιδέα είναι απλή, αλλά απαιτεί δύσκολους υπολογισμούς για να εφαρμοστεί και να λειτουργήσει. Επιπλέον, αυτή η εναλλακτική προσέγγιση ανίχνευσης θα μπορούσε να αποκαλύψει απροσδόκητες πηγές βαρυτικών κυμάτων. Μπορεί να ανακαλύψουμε ότι το σύμπαν είναι γεμάτο από μυστηριώδη βαρυτικά κύματα.
Όσον αφορά τα επόμενα βήματα, ο Jenkins πιστεύει ότι χρειάζεται περισσότερη θεωρητική δουλειά. Για παράδειγμα, υποστηρίζει πως δεν πρέπει να περιοριστούμε στα μεμονωμένα δυαδικά συστήματα, αλλά πρέπει επίσης να δούμε πώς ανταποκρίνονται ολόκληροι γαλαξίες στα βαρυτικά κύματα.
Η συνεργασία NANOGrav πρόσφατα κατέγραψε τα πρώτα σημάδια βαρυτικών κυμάτων πολύ χαμηλής συχνότητας (nanohertz). Οι ερευνητές ανέλυσαν τα δεδομένα και, ειδικότερα, εξέτασαν το ενδεχόμενο αν αυτό μπορεί να δείξει μία νέα φυσική πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο.
Απεικόνιση της Γης που είναι ενσωματωμένη στον χωροχρόνο και η οποία παραμορφώνεται από τα κύματα βαρύτητας του υπόβαθρου, καθώς και οι επιπτώσεις τους στα ραδιοσήματα που προέρχονται από τα παρατηρούμενα πάλσαρ
Ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό SciPost Physics ( “Ψίθυροι από τη σκοτεινή πλευρά: Αντιμετώπιση της νέας φυσικής με τα δεδομένα NANOGrav” ), αναφέρει ότι το σήμα βαρυτικών κυμάτων πολύ χαμηλής συχνότητας που ανιχνεύτηκε, είναι συνεπές τόσο με τη μετάβαση φάσης στο πρώιμο σύμπαν όσο και με την παρουσία ενός πεδίου από εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια τύπου αξιονίων (ALP). Τα τελευταία θεωρούνται ότι είναι πολλά υποσχόμενα υποψήφια σωματίδια για την σκοτεινή ύλη.
Τα βαρυτικά κύματα ανοίγουν ένα παράθυρο στο πρώιμο σύμπαν. Ενώ το πανταχού παρόν κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων δεν δίνει ενδείξεις για τα πρώτα 280.000 χρόνια του σύμπαντος, παρέχουν κάποιες ματιές για το τι συνέβη κατά τη διάρκεια του Big Bang. «Είναι ακριβώς αυτό το πολύ πρώιμο σύμπαν που είναι τόσο συναρπαστικό για τους φυσικούς σωματιδίων», εξηγεί ο Pedro Schwaller, καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Mainz (JGU). «Τότε ήταν η στιγμή που υπήρχαν τα στοιχειώδη σωματίδια όπως τα κουάρκ και τα γλουόνια, και στη συνέχεια συνδυάζονται μαζί για να σχηματίσουν τα δομικά στοιχεία των ατομικών πυρήνων.»
Το ιδιαίτερο γεγονός με τα βαρυτικά κύματα που η NANOGrav Collaboration εντόπισε για πρώτη φορά είναι ότι έχουν πολύ χαμηλή συχνότητα 10 ^ -8 Hertz, που ισοδυναμεί με περίπου μία ταλάντωση ετησίως. Αυτό οφείλεται στο αντίστοιχο μεγάλο μήκος κύματος, που για να τα ανιχνεύσουμε ο κάθε ανιχνευτής θα πρέπει επίσης να είναι εξίσου μεγάλος. Επειδή ένας τέτοιος ανιχνευτής δεν είναι δυνατόν να γίνει εδώ στη Γη, οι αστρονόμοι στο NANOGrav χρησιμοποιούν απομακρυσμένους πάλσαρ και τα φωτεινά τους σήματα ως τεράστιους ανιχνευτές.
Ο Wolfram Ratzinger περιγράφει το κίνητρο πίσω από τη δουλειά τους: «Παρόλο που μέχρι στιγμής τα δεδομένα μας παρέχουν μόνο μια πρώτη υπόδειξη για την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας, είναι πολύ συναρπαστικό για εμάς να συνεργαστούμε μαζί τους. Αυτό συμβαίνει επειδή τέτοια κύματα θα μπορούσαν να παραχθούν από διάφορες διαδικασίες που συνέβησαν στο πρώιμο σύμπαν. Μπορούμε τώρα να χρησιμοποιήσουμε τα δεδομένα και θα πρέπει ήδη να αποφασίσουμε, ποια από αυτά θα ληφθούν υπόψη και ποια δεν ταιριάζουν καθόλου. “
Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες με έδρα το Μάιντς αποφάσισαν να ρίξουν μια προσεκτική ματιά σε δύο σενάρια που θα μπορούσαν να έχουν προκαλέσει τα παρατηρούμενα κύματα βαρύτητας χαμηλής συχνότητας: Μεταβάσεις φάσης στο πρώιμο σύμπαν και ένα πεδίο σκοτεινής ύλης από εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια τύπου αξιονίων (ALPs). Μεταβάσεις φάσης, όπως αυτές συμβαίνουν λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας στην αρχέγονη σούπα μετά το Big Bang και έχουν ως αποτέλεσμα τεράστιες αναταράξεις – ωστόσο, όπως η σκοτεινή ύλη δεν καλύπτονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα, οι Pedro Schwaller και Wolfram Ratzinger ερμηνεύουν τα αποτελέσματα της ανάλυσής τους με σχετική προσοχή: «Ίσως λίγο πιο πιθανό είναι το σενάριο μετάβασης της πρώιμης φάσης του σύμπαντος». Από την άλλη πλευρά, οι δύο φυσικοί πιστεύουν ότι το γεγονός ότι είναι σε θέση να επεξεργαστούν ορισμένες δυνατότητες με βάση μόνο περιορισμένα δεδομένα, αποδεικνύει το δυναμικό της προσέγγισής τους. “Η δουλειά μας είναι μια πρώτη, αλλά σημαντική εξέλιξη – μας δίνει μεγάλη εμπιστοσύνη ότι με πιο ακριβή δεδομένα μπορούμε να βγάλουμε αξιόπιστα συμπεράσματα σχετικά με το μήνυμα που τα βαρυτικά κύματα μας στέλνουν από το πρώιμο σύμπαν.”
«Επιπλέον,» καταλήγει ο Pedro Schwaller, «μπορούμε ήδη να αρχίσουμε να εντοπίζουμε ορισμένα χαρακτηριστικά των σεναρίων αυτών και να θέσουμε περιορισμούς, στην περίπτωσή μας την ισχύ της μετάβασης φάσης και τη μάζα των αξιονίων.»
Ο αριθμός π στον ουρανό: Χρησιμοποιώντας τα βαρυτικά κύματα για τον υπολογισμό του π, οι φυσικοί ελέγχουν τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν
Πριν από τουλάχιστον 3.700 χρόνια, οι Βαβυλώνιοι μαθηματικοί προσέγγισαν τον λόγο της περιφέρειας ενός κύκλου προς τη διάμετρό του. Και κατέγραψαν σε μια ταπεινή πήλινη πλάκα, τον πρώτο υπολογισμό της τιμής του π, σύμφωνα με τον οποίο π= 25/8 ή 3,125.
Σήμερα, ο Carl-Johan Haster, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, κατάφερε κάτι παρόμοιο: σε δημοσίευσή του με τίτλο «Pi from the sky. A null test of general relativity from a population of gravitational wave observations», υπολόγισε τον αριθμό π περίπου 3,115 (π=3.115+0.048−0.088).
Μέχρι σήμερα οι μαθηματικοί έχουν υπολογίσει 50 τρισεκατομμύρια από τα άπειρα δεκαδικά ψηφία του αριθμού π με τη βοήθεια ισχυρών υπολογιστών (τα πρώτα ψηφία είναι: 3,141592653…). Η προσέγγιση του Haster μπορεί να είναι μερικές χιλιετίες πίσω όσον αφορά την ακρίβεια, αλλά αυτό δεν επηρεάζει καθόλου τον πραγματικό του στόχο: να ελέγξει την γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία συνδέει τη βαρύτητα με τον χώρο και τον χρόνο.
Ο Haster, που συμμετέχει στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων με τον ανιχνευτή LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), χρησιμοποιεί το γεγονός ότι το π εμφανίζεται σε με διάφορους όρους μιας εξίσωσης που περιγράφει τη διάδοση των κυμάτων. Ο Haster συνειδητοποίησε ότι μπορούσε να αντιμετωπίσει τον αριθμό π ως μεταβλητή αντί για σταθερά. Μεταβάλλοντας τον αριθμό π έλεγχε αν οι μετρήσεις ήταν συνεπείς [με την γενική σχετικότητα].
Η θεωρία του Αϊνστάιν ταίριαζε με τις μετρήσεις αν και μόνο αν ο Haster χρησιμοποιούσε τιμές π κοντά στην τιμή που προσδιορίζεται με πολύ μεγάλη ακρίβεια με άλλες μαθηματικές μεθόδους. Δοκιμάζοντας τιμές του π από –20 έως 20, ο Haster έλεγξε περισσότερα από 20 γεγονότα βαρυτικών κυμάτων και διαπίστωσε ότι η κεντρική τιμή για τον αριθμό π, για την οποία συμφωνεί η θεωρία με το πείραμα ήταν 3,115. Έτσι, η θεωρία του Αϊνστάιν αντέχει και σ’ αυτό το περίεργο και διασκεδαστικό τεστ.
Ποιος είναι ο λόγος που το π εμφανίζεται στις εξισώσεις των βαρυτικών κυμάτων; Τα βαρυτικά κύματα αλληλεπιδρούν με τον εαυτό τους. Όταν διαδίδεται ένα βαρυτικό κύμα, «αντιλαμβάνεται» την καμπυλότητα του χωροχρόνου, συμπεριλαμβανομένης και της ενέργειας που δημιουργήθηκε από τα βαρυτικά κύματα που παράχθηκαν στο παρελθόν. Η πρώτη πέτρα που ρίχνετε σε μια ήρεμη λίμνη δημιουργεί τους γνωστούς κυματισμούς σε όλη την επιφάνεια. Αν ρίξετε άλλη μια πέτρα αμέσως μετά, η επιφάνεια δεν είναι πλέον ήρεμη – οι εναπομείναντες κυματισμοί από την προηγούμενη πέτρα θα επηρεάσουν τους νέους κυματισμούς. Τα βαρυτικά κύματα λειτουργούν παρόμοια, αλλά το μέσο διάδοσης είναι ο χωρόχρονος και όχι το νερό. Και η εξίσωση που περιγράφει αυτό το φαινόμενο αυτο-αλληλεπίδρασης περιέχει τον αριθμό π.
Βέβαια, αυτή η μέθοδος προσδιορισμού του αριθμού π μέσα από τις εξισώσεις των βαρυτικών κυμάτων, προσεγγίζουν τον αριθμό π μεταξύ των τιμών 3,027 έως 3,163. Για να βελτιωθεί η προσέγγιση του π με την μέθοδο Haster πρέπει να υπάρξουν περισσότερα δεδομένα από ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων, προερχομένων όμως από συγχωνεύσεις μικρότερων αντικειμένων, όπως άστρα νετρονίων. Προς το παρόν, υπάρχουν μόνο δύο καταγεγραμμένες συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων στα διαθέσιμα δεδομένα. Και έως ότου το LIGO – που έκλεισε λόγω του COVID-19 – επαναλάβει τη λειτουργία του, αυτή η προσέγγιση του αριθμού π δεν πρόκειται να βελτιωθεί.
Μετά από 19 χρόνια ερευνών, η επιστημονική κοινότητα ανακοίνωσε χτες την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων. Τι ακριβώς είναι όμως αυτά; Η ιστοσελίδα phdcomics δημιούργησε ένα θαυμάσιο κόμικ με την εκλαϊκευμένη επεξήγηση που χρειαζόμασταν εμείς οι μη ειδικοί. Αυτή είναι η απόδοσή του στα Ελληνικά
