Τρίτη, 16 Φεβρουαρίου 2016

Πως το LIGO ανίχνευσε μια σκουληκότρυπα

Πως θα μπορούσαμε να ανακαλύψουμε μια σκουληκότρυπα;
Το περιέγραφε ο Kip Thorne στο αρχικό σενάριο της ταινίας Interstellar.
Σε γενικές γραμμές, σύμφωνα με το βιβλίο του «The science of interstellar» , η ιστορία είχε ως εξής:

Ο καθηγητής Brand (στην ταινία ο Michael Caine) στα νιάτα του ήταν αναπληρωτής διευθυντής του LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) της διάταξης των συμβολομέτρων που είχαν ως στόχο την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Μια μέρα του 2019, το LIGO χτυπήθηκε από μια ριπή βαρυτικών κυμάτων πολύ ισχυρότερη από οποιαδήποτε άλλη φορά:


wormhole1
Τα τελευταία 120 milliseconds της βαρυτικής κυματομορφής που ανίχνευσε το LIGO. [Drawing by Kip based on simulations by Yanbei Chen and by Foucart et al. (2011)]

Το πλάτος των κυμάτων αυξομειώθηκε πολλές φορές και στη συνέχεια διακόπηκαν απότομα.
Το φαινόμενο διήρκησε μόνο λίγα δευτερόλεπτα.
Συγκρίνοντας το σχήμα της κυματομορφής με τις προσομοιώσεις που πραγματοποίησαν υπερ-υπολογιστές, ο καθηγητής Βrand και η ομάδα του συμπέραναν ότι τα βαρυτικά κύματα προκλήθηκαν από έναν αστέρα νετρονίων σε τροχιά γύρω από μια μαύρη τρύπα.
Ο αστέρας νετρονίων που ζύγιζε 1,5 ηλιακές μάζες συγχωνεύθηκε τελικά με τη μαύρη τρύπα που ζύγισε 4,5 ηλιακές μάζες….
Κοιτάζοντας πίσω στα δεδομένα των προηγούμενων δυο ετών του LIGO, ο καθηγητής Brand και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν πολύ ασθενή κύματα που εκπέμπονταν από το άστρο νετρονίων…

Αναλύοντας αυτά τα κύματα ανακάλυψαν την κατεύθυνση της πηγής τους. Ήταν απίστευτο! Τα κύματα προέρχονταν από κάτι που βρίσκονταν σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο. Καθώς η Γη και ο Κρόνος κινούνταν στις τροχιές τους, η πηγή ήταν πάντα κοντά στον Κρόνο!
Ένα άστρο νετρονίων σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο; Αδύνατον!
Και μια μαύρη τρύπα συνοδός του άστρου νετρονίων, κι οι δυο τους σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο; Αυτό κι αν είναι αδύνατον! Ο Κρόνος θα έπρεπε να είχε καταστραφεί, και μαζί μ’ αυτόν και το πλανητικό μας σύστημα.
Αλλά τα βαρυτικά κύματα υπήρχαν. Και χωρίς καμία αμφιβολία προέρχονταν από την γειτονιά του Κρόνου.
Η μοναδική εξήγηση που μπορούσε να δώσει ο καθηγητής Brand ήταν ότι τα κύματα προέρχονταν από μια σκουληκότρυπα που περιστρέφονταν γύρω από τον Κρόνο. Η δε πηγή τους, η μαύρη τρύπα και το άστρο νετρονίων, θάπρεπε να βρίσκονται από την άλλη μεριά της σκουληκότρυπας.
Τα κύματα που εκπέμφθηκαν από το δυαδικό σύστημα μαύρη τρύπα – άστρο νετρονίων, ταξίδεψαν διαμέσου της σκουληκότρυπας και στη συνέχεια διαδόθηκαν στο ηλιακό μας σύστημα φθάνοντας στον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων LIGO στη Γη.


gravitational waves travel through the wormhole to Earth
Tα βαρυτικά κύματα ταξίδεψαν διαμέσου της σκουληκότρυπας προς τη Γη

Μια σύντομη παραλλαγή αυτής της ιστορίας ήταν μέρος του αρχικού σεναρίου στην ταινία Interstellar, αλλά τελικά δεν συμπεριλήφθηκε, αφήνοντας έξω από το Χόλυγουντ, LIGO και βαρυτικά κύματα. Για τον Kip Thorne η απόφασή αυτή ήταν οδυνηρή, δεδομένου ότι ήταν από τους οραματιστές του πειράματος LIGO, ξοδεύοντας δυο δεκαετίες σκληρής δουλειάς από τη ζωή του για το κάνει πραγματικότητα. Και όπως έγραφε – πριν από 1,5 χρόνο – στο βιβλίο του, «The science of interstellar»:
«το LIGO βρίσκεται σήμερα στο στάδιο της ωριμότητας, έτοιμο για την πρώτη ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων που αναμένεται μέσα σ’ αυτή τη δεκαετία». Και την περασμένη εβδομάδα δικαιώθηκε πλήρως (βλέπε: Ανακοινώθηκε επίσημα η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων).

O Kip Thorne ήταν παρών στην ανακοίνωση ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων του LIGO
O Kip Thorne ήταν παρών στην ανακοίνωση ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων του LIGO

Υπενθυμίζεται ότι σε ένα παλαιότερο βιβλίο του Kip Thorne, κυκλοφόρησε στις αρχές της δεκαετίας του 1990 [«Mαύρες τρύπες και στρεβλώσεις του χρόνου», εκδόσεις κάτοπτρο], εκτιμούσε με αισιοδοξία ότι η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων θα γινόταν το 2007:
«Σε τι κατάσταση θα βρίσκεται η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων στη δεκαετία του 2000; Ένα αρκετά πιθανό σενάριο είναι το εξής: Έως το έτος 2007, οκτώ συμβολόμετρα, μήκους αρκετών χιλιομέτρων το καθένα, βρίσκονται σε πλήρη λειτουργία, αναζητώντας στον ουρανό εξάρσεις βαρυτικών κυμάτων. Δυο συμβολόμετρα βρίσκονται σε λειτουργία στην εν κενώ εγκατάσταση της Πίζας, στην Ιταλία, δυο στο Λιβινγκστον της Λουιζιάνα, στο νοτιοανατολικό τμήμα των ΗΠΑ, δυο στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον, στο βορειοδυτικό τμήμα των ΗΠΑ, και δυο στην Ιαπωνία. Σε κάθε περιοχή το ένα από τα δυο συμβολόμετρα καταγράφει συχνότητες μεταξύ 10  και 1.000 Hz. Το άλλο, που κατασκευάστηκε και εγκαταστάθηκε πρόσφατα, είναι ένα προηγμένο, εξειδικευμένο συμβολόμετρο, στόχος του οποίου είναι η ανίχνευση ταλαντώσεων μεταξύ 1000 και 3000 Hz.

ligo44

Τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων που βρίσκονται σε λειτουργία σήμερα (με κίτρινο)

Ένας συρμός βαρυτικών κυμάτων προερχόμενος από μια μακρινή κοσμική πηγή σαρώνει το ηλιακό μας σύστημα. Κάθε όρος του κύματος διεγείρει πρώτα τους ανιχνευτές της Ιαπωνίας, στη συνέχεια σαρώνει τη Γη και διεγείρει τους ανιχνευτές της Ουάσιγκτον, κατόπιν της Λουιζιάνα και τέλος της Ιταλίας. Μέσα σε διάστημα ενός περίπου λεπτού, το όρος διαδέχεται μια κοιλάδα, στη συνέχεια ακολουθεί πάλι ένα όρος, και ούτω καθεξής.
Οι αναρτημένες μάζες του κάθε ανιχνευτή ταλαντώνονται πολύ ελαφρά, διαταράσσοντας έτσι τις δέσμες των λέιζερ και, κατά συνέπεια, την ποσότητα του φωτός που εισέρχεται στη φωτοδίοδο του ανιχνευτή. Τα σήματα εξόδου των οκτώ φωτοδιόδων μεταδίδονται δορυφορικά σε έναν κεντρικό υπολογιστή, ο οποίος ειδοποιεί μια ομάδα επιστημόνων ότι άλλη μια έξαρση βαρυτικών κυμάτων – η τρίτη μέσα στην εβδομάδα – έχει φτάσει στη Γη.
Ο υπολογιστής συνδυάζει τα σήματα των οκτώ ανιχνευτών για να υπολογίσει τέσσερα στοιχεία: την πιθανότερη θέση στον ουρανό της πηγής των βαρυτικών κυμάτων, ένα πλαίσιο αβεβαιότητας γύρω από αυτή την πιθανότερη θέση, και δυο κυματομομορφές – δυο κυματοειδείς καμπύλες, ανάλογες με την κυματοειδή καμπύλη που θα παίρνατε αν εξετάζατε ηχητικά κύματα σε έναν παλμογράφο. Το παρελθόν της πηγής βρίσκεται κωδικοποιημένο μέσα σε αυτές τις κυματομορφές… Οι συγκεκριμένες αυτές κυματομορφές προέρχονται αναμφισβήτητα από δυο συνενούμενες μαύρες τρύπες … η καθεμιά από τις οποίες υπολογίστηκε ότι είχε μάζα 25 ηλιακές μάζες …»
Ο Kip Thorne έπεσε έξω , όσον αφορά τον χρόνο ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων κατά  9 χρόνια. Στο σενάριο του Interstellar τοποθέτησε την ανίχνευση της σκουληκότρυπας στο έτος 2019. Δηλαδή μέχρι το 2030 οι βαρυτικοί ανιχνευτές θα έχουν ανακαλύψει σκουληκότρυπα για πρώτη φορά;