Ακολουθήστε την «ΑΥΓΗ»
Ο επιλεγμένος κατάλογος δεν υπάρχει πλέον.

Βαρυτικά κύματα: Πραγματικότητα ή θόρυβος;

Από το 2016 η ανθρωπότητα μπήκε στην εποχή της ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων. Ο εντοπισμός τους ήταν το αποτέλεσμα της εντατικής εργασίας θεωρητικών και πειραματικών φυσικών η οποία ξεκίνησε εκατό χρόνια πριν, με τη θεωρητική τους πρόβλεψη από τη Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν. Ωστόσο, πρόσφατα δημοσιεύτηκαν εργασίες από ομάδες επιστημόνων οι οποίες αμφισβητούν την ορθότητα της πρώτης ανίχνευσης που έγινε από την ομάδα του πειράματος LIGO, με αποτέλεσμα να ξεκινήσει μια διαδικασία διερεύνησης της ορθότητας των πρακτικών τόσο της αρχικής ανακάλυψης όσο και αυτών που την αμφισβητούν.

Τι είναι τα βαρυτικά κύματα και πώς εντοπίζονται;

Σήμερα γνωρίζουμε ότι η μορφή που αποκτά ο χώρος είναι αποτέλεσμα της πυκνότητας της μάζας και της ενέργειας που είναι συγκεντρωμένες σε κάθε σημείο του. Αυτό σημαίνει ότι είναι δυνατό σε περιπτώσεις που η συγκέντρωση αυτή μεταβάλλεται δραματικά με τον χρόνο να εμφανίζονται ταλαντώσεις στον ίδιο τον χώρο, οι οποίες να μπορούν να διαδοθούν ως κύματα σε όλο το Σύμπαν. Μια αναλογία που χρησιμοποιείται συχνά, αν και πολύ απλουστευτική, είναι αυτή των κυμάτων στην επιφάνεια μιας λίμνης.

Κατά κανόνα, τα βαρυτικά κύματα είναι πολύ ασθενή, με αποτέλεσμα αυτά που θεωρούνται πρακτικά ανιχνεύσιμα να οφείλονται σε πολύ δραματικά γεγονότα, όπως συγχωνεύσεις πολύ μαζικών αντικειμένων, δηλαδή μελανών οπών και αστέρων νετρονίων, οι οποίες προκαλούν ισχυρές παραμορφώσεις στον χώρο που τα περιβάλλει.

Ο εντοπισμός των βαρυτικών κυμάτων γίνεται με την τεχνική της συμβολομετρίας λέιζερ, η οποία στηρίζεται στο φαινόμενο της συμβολής των (φωτεινών) κυμάτων. Μπορούμε να αντιληφθούμε αυτό το φαινόμενο αν φέρουμε στον νου μας την κλασική εικόνα των κυμάτων, αυτή των εναλλασσόμενων μεγίστων και ελαχίστων (όρη και κοιλάδες). Κατά τη συμβολή δύο πανομοιότυπων κυμάτων στα σημεία όπου ένα μέγιστο συναντά ένα ελάχιστο, τα κύματα αυτά αλληλοαναιρούνται. Αντιθέτως, στα σημεία όπου τα μέγιστα του ενός συμπίπτουν με αυτά του άλλου έχουμε ενισχυτική συμβολή. Το αποτέλεσμα, στην περίπτωση των φωτεινών σημάτων, είναι η εναλλαγή φωτεινών και σκοτεινών περιοχών.

Σε αυτή την αρχή βασίζονται τα παρατηρητήρια των βαρυτικών κυμάτων LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Το παρατηρητήριο αποτελείται από δύο εγκαταστάσεις σχήματος L τις οποίες χωρίζει απόσταση περίπου 3.000 χιλιομέτρων. Σε κάθε εγκατάσταση, οι βραχίονες έχουν μήκος περίπου 4 χιλιομέτρων. Μια δέσμη λέιζερ συναντά την τομή των δύο βραχιόνων και διαχωρίζεται σε δύο δέσμες οι οποίες κινούνται παράλληλα στους βραχίονες. Μέσα στους βραχίονες κρέμονται από την οροφή κάτοπτρα (καθρέφτες), τα οποία στέλνουν την κάθε δέσμη λέιζερ πίσω στο σημείο τομής όπου οι δύο δέσμες συμβάλλουν. Με δεδομένο ότι οι δύο ακτίνες έχουν διανύσει ακριβώς την ίδια απόσταση, η διάταξη έχει ρυθμιστεί με τέτοιο τρόπο ώστε αυτές να αλληλοαναιρούνται κατά τη συμβολή τους, δηλαδή το μέγιστο του ενός κύματος να συναντά το ελάχιστο του άλλου. Η διέλευση ενός βαρυτικού κύματος από τη διάταξη αναμένεται να «παραμορφώσει» τον χώρο με τέτοιο τρόπο ώστε οι αποστάσεις που διανύουν οι φωτεινές ακτίνες στους δύο βραχίονες να μην είναι πλέον ίδιες. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα αυτές να μην αλληλοαναιρούνται πλήρως και ο ανιχνευτής να μετρήσει φως. Η ευαισθησία της διάταξης είναι τεράστια, καθώς η ελάχιστη μεταβολή στο μήκος που μπορεί να εντοπίσει είναι μόλις 10.000 φορές μικρότερη από τη διάμετρο του πρωτονίου.

Η επίδραση του θορύβου

Η απόσταση που διανύει το φως μέσα στους βραχίονες του LIGO μεταβάλλεται θεωρητικά από τη διέλευση ενός βαρυτικού κύματος, αλλά πρακτικά επηρεάζεται και από άλλους παράγοντες. Η μεγάλη ευαισθησία του LIGO το καθιστά ευάλωτο σε αυτές τις πηγές θορύβου.

Ως θόρυβο περιγράφουμε συνήθως το μέρος ενός σήματος που δεν μεταφέρει την πληροφορία που θέλουμε να μετρήσουμε. Όταν προσπαθούμε να ακούσουμε τη συνομιλία δύο ανθρώπων μέσα σε ένα δωμάτιο γεμάτο ανθρώπους, τότε ο ήχος των υπόλοιπων ανθρώπων είναι ο θόρυβος. Στην περίπτωση του LIGO, οι αιτίες θορύβου μπορεί να είναι ανθρωπογενείς (π.χ., η κίνηση οχημάτων σχετικά κοντά στη διάταξη) ή φυσικές (σεισμοί, η παλιρροϊκή δύναμη μεταξύ Γης και Σελήνης, οι διακυμάνσεις στη θερμοκρασία κατά μήκος της διαδρομής του φωτός κ.ά.)

Προκειμένου να βελτιωθεί η λειτουργία του LIGO και να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση του θορύβου, τα διάφορα μέρη του παρατηρητηρίου έχουν κατασκευαστεί με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια. Η διάταξη έχει θωρακιστεί με συστήματα απορρόφησης και διόρθωσης των κραδασμών που οφείλονται σε σεισμούς ή ανθρωπογενείς παράγοντες, ενώ στο εσωτερικό των βραχιόνων δημιουργούνται συνθήκες κενού. Παρ’ όλα αυτά, ο θόρυβος δεν εξαφανίζεται πλήρως.

Με την κατασκευή δύο τέτοιων εγκαταστάσεων σε απόσταση 3.000 χιλιομέτρων απαιτείται, στην περίπτωση της διέλευσης ενός βαρυτικού κύματος, να ανιχνεύεται το ίδιο σήμα με ελάχιστη διαφορά και στις δύο διατάξεις, αφού τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Ο θόρυβος που θα απομένει στις μετρήσεις των δύο διατάξεων μετά την αφαίρεση του πραγματικού σήματος θα πρέπει να μην παρουσιάζει συσχέτιση, ώστε να αποκλειστούν συστηματικά σφάλματα που μπορεί να επηρεάζουν τις μετρήσεις. Σε αυτή την τελευταία προϋπόθεση στηρίζεται η πρόσφατη αμφισβήτηση των αποτελεσμάτων του LIGO.

Η πρώτη ανίχνευση, η εδραίωση, το Νόμπελ και η αμφισβήτηση

Στις 11 Φεβρουαρίου του 2016 η ομάδα του LIGO ανακοίνωσε την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από τη συγχώνευση δύο μελανών οπών μερικά δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Ακολούθησε μια σειρά από περαιτέρω ανιχνεύσεις, με κάποια από αυτές μάλιστα να συνδυάζεται και με «συμβατικές» αστρονομικές παρατηρήσεις. Η σημασία των ανακαλύψεων αυτών και η προσδοκώμενη επίδρασή τους στη μελέτη του Σύμπαντος αναγνωρίστηκε από τη διεθνή κοινότητα σχεδόν αμέσως και, ως αποτέλεσμα, το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2017 απονεμήθηκε στους φυσικούς Ράινερ Βάις, Κιπ Θορν και Μπάρι Μπάρις για τη σημαντική τους συμβολή στην ανίχνευση των κυμάτων.

Ωστόσο, η αμφισβήτηση των αποτελεσμάτων δεν άργησε να φανεί. Μια ομάδα επιστημόνων από την Κοπεγχάγη επανεξέτασε τις μετρήσεις που παρουσιάστηκαν στην πρώτη δημοσίευση της ομάδα LIGO και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο θόρυβος που παρουσιάζουν οι μετρήσεις των δύο ανιχνευτούν είναι συσχετισμένος. Αυτή η διαπίστωση, εάν είναι πράγματι αληθής, μπορεί να σημαίνει ότι η πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων δεν είναι ορθή.

Βασική αρχή της επιστημονικής μεθόδου είναι τα αποτελέσματα μιας έρευνας να μπορούν να αναπαραχθούν από ανεξάρτητους ερευνητές. Αυτό έπραξε η ομάδα της Κοπεγχάγης και αυτό έμελλε να πράξουν ανεξάρτητες ομάδες και για τα δικά της αποτελέσματα.

Ο εντοπισμός των βαρυτικών κυμάτων γίνεται ως εξής: Ως αποτέλεσμα της θεωρητικής έρευνας, οι επιστήμονες έχουν παράξει έναν αριθμό κυματομορφών που θα μπορούσαν να παρατηρηθούν ως βαρυτικά κύματα. Το σχήμα αυτών των κυματομορφών εξαρτάται από τις παραμέτρους των σωμάτων που συμμετέχουν στα γεγονότα συγχώνευσης (μάζες μελανών οπών ή αστέρων νετρονίων, περίοδοι περιστροφής κ.λπ.). Εάν κάποια από αυτές τις μορφές εντοπιστεί μέσα στο σήμα που κατέγραψε ο ανιχνευτής, τότε οι επιστήμονες προχωρούν σε μια πιο λεπτομερή μελέτη, προσπαθώντας να βρουν ποιες παράμετροι παράγουν με όσο γίνεται μεγαλύτερη ακρίβεια το «ύποπτο» τμήμα του σήματος. Στη συνέχεια, με τη βοήθεια μαθηματικών τεχνικών, το σήμα αυτό «αφαιρείται» από το αρχικό και αυτό που θα πρέπει να απομένει, εάν όλα έχουν γίνει σωστά, είναι ο θόρυβος. Οι μετρήσεις των δύο απομακρυσμένων διατάξεων θα πρέπει να οδηγούν στις ίδιες παραμέτρους.

Η ομάδα της Κοπεγχάγης που επανέλαβε τη διαδικασία της πρώτης δημοσίευσης οδηγήθηκε στο συμπέρασμα ότι ο θόρυβος που απέμεινε στις μετρήσεις των δύο διατάξεων μετά την αφαίρεση του πραγματικού σήματος παρουσιάζει συσχέτιση. Αυτό μπορεί να σημαίνει είτε ότι το πραγματικό σήμα οφείλεται σε κάποιο άλλο φαινόμενο και όχι σε βαρυτικά κύματα ή ότι δεν αφαιρέθηκε το σωστό σήμα από τις μετρήσεις.

Ακολούθησε μια περίοδος διερεύνησης των αποτελεσμάτων από την επιστημονική κοινότητα. Ανεξάρτητοι ερευνητές επανέλαβαν τη διαδικασία, αυτή τη φορά, της ομάδας της Κοπεγχάγης και διαπίστωσαν ότι σφάλματα στη μέθοδό τους εισήγαγαν αυτή τη συσχέτιση, διασώζοντας, με αυτό το εύρημά τους, την ορθότητα της πρώτης ανίχνευσης. Ωστόσο, η ανεξάρτητη έρευνα εντόπισε και κάτι ακόμα: στην αρχική δημοσίευση το σχήμα που παρουσιάζει την ανίχνευση είναι παραπλανητικό. Αν και η διαδικασία που ακολουθούν και τα αποτελέσματα που παράγουν είναι ορθά, φαίνεται ότι οι συγγραφείς παρουσιάζουν ένα σχήμα το οποίο δεν στηρίζεται στα σωστά δεδομένα, δίνοντας την εντύπωση ότι πράγματι δεν έχει γίνει σωστά η «αφαίρεση» του πραγματικού σήματος από τις μετρήσεις. Αυτό οδηγεί με τη σειρά του στην ανάγνωση ότι ο θόρυβος που απομένει στις δύο μετρήσεις παρουσιάζει ενδεχομένως συσχέτιση.

Γιάννης Κοντογιάννης

Δείτε όλα τα σχόλια
Κύριο άρθρο

Μια καθαρή νίκη για την Ελλάδα των πολλών

Η μεγάλη ανταπόκριση του κόσμου στις περιοδείες και τις ομιλίες του Αλέξη Τσίπρα και των άλλων στελεχών του ΣΥΡΙΖΑ δείχνει την πραγματικότητα: ένα μεγάλο κομμάτι της κοινωνίας, και ιδιαίτερα οι πιο αδύναμοι,

Δειτε ολοκληρο το αρθρο