Από την εξερεύνηση του Ουρανού και του Ποσειδώνα στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων

Φωτογραφία του πλανήτη ουρανού που λήφθηκε το 2006 από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble

Μπορεί άραγε μία διαπλανητική αποστολή προς τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα να μελετήσει συγχρόνως και βαρυτικά κύματα, τις φευγαλέες αυτές ρυτιδώσεις στην υφή του χωροχρόνου, οι οποίες εκλύονται στην διάρκεια ορισμένων από τα βιαιότερα φαινόμενα που μπορούμε να παρατηρήσουμε στο Σύμπαν; Σύμφωνα με μια πρόσφατη μελέτη, μπορεί.

Η μοναδική μέχρι σήμερα διαστημοσυσκευή που έχει επισκεφθεί τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα, τους δύο πιο απομακρυσμένους πλανήτες του Ηλιακού μας συστήματος, ήταν το Voyager 2. Γι’ αυτό και οι αστρονόμοι που μελετούν τα ουράνια σώματα που εμπεριέχει, θεωρούν την υλοποίηση μιας νέας αποστολής προς τους δύο πλανήτες κομβικής σημασίας στην προσπάθειά μας να διευρύνουμε ακόμη περισσότερο τις γνώσεις μας γι’ αυτούς.

Φωτογραφία που ελήφθη από το Voyager 2 το 1989: Ο πλανήτης Ποσειδώνας και ένας από τους δορυφόρους του, ο Τρίτωνας, σε φάση ημισελήνου.

Απ’ ό,τι φαίνεται, μάλιστα, σε δέκα περίπου χρόνια ανοίγει μία μοναδική ευκαιρία για την υλοποίηση μιας τέτοιας αποστολής, καθώς ο Δίας θα βρίσκεται στην κατάλληλη θέση, ώστε να δώσει στην διαστημοσυσκευή την απαραίτητη βαρυτική ώθηση που θα αυξήσει σημαντικά την ταχύτητά της, μειώνοντας έτσι την διάρκεια του ταξιδιού της προς τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα. Σύμφωνα με τους συγγραφείς της σχετικής μελέτης, εάν η εκτόξευση μίας «διπλής» διαστημοσυσκευής προγραμματιστεί για το 2029-2030, θα καταφέρει να φτάσει στον Δία σε λιγότερο από δύο χρόνια. Στην συνέχεια, θα μπορούσε να χωριστεί σε δύο επιμέρους διαστημοσυσκευές, η μία απ’ τις οποίες θα κατευθυνόταν προς τον Ουρανό (εισερχομένη σε τροχιά γύρω του το 2042) και η άλλη προς τον Ποσειδώνα (εισερχόμενη σε τροχιά δύο περίπου χρόνια αργότερα).

Παραμένοντας σε τροχιά γύρω τους για αρκετά χρόνια, οι δύο διαστημοσυσκευές θα μπορούσαν να διευρύνουν σημαντικά τις γνώσεις μας για τους δύο αυτούς πλανήτες, όπως άλλωστε συνέβη και με την αποστολή του Cassini στον Κρόνο. Πολύ περισσότερο, ωστόσο, οι ερευνητές της σχετικής μελέτης υποστηρίζουν ότι, εάν κατορθώσουμε να καταγράψουμε με μεγάλη ακρίβεια τις ανεπαίσθητες διακυμάνσεις στα ραδιοσήματα των δύο διαστημοσυσκευών καθ’ όλη την διάρκεια του ταξιδιού τους προς τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα, θα μας προσφέρουν παράλληλα και μία μοναδική ευκαιρία για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Η σχετική μελέτη έχει αναρτηθεί στο arxiv.org και θα δημοσιευθεί στο επιστημονικό περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters.

Τα βαρυτικά κύματα είναι μικροσκοπικές διαταραχές στην ίδια την υφή του χωροχρόνου, οι οποίες προκαλούνται κάθε φορά που αντικείμενα του Σύμπαντος με μεγάλες μάζες επιταχύνονται. Όπως περίπου τα επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία παράγουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, κάθε επιταχυνόμενο υλικό σώμα παράγει βαρυτικά κύματα. Ενώ όμως η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διασχίζει τον χωροχρόνο με την ταχύτητα του φωτός, η βαρυτική ακτινοβολία, τα βαρυτικά κύματα δηλαδή, αποτελούν διακυμάνσεις του ίδιου του χωροχρόνου, που κι αυτές διαχέονται με την ταχύτητα του φωτός, όπως περίπου διαχέονται οι κυματισμοί τους οποίους προκαλεί ένα βότσαλο που πέφτει σε μια λίμνη. Δεδομένου ότι η βαρύτητα είναι η ασθενέστερη από τις τέσσερεις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις της φύσης, τα βαρυτικά κύματα είναι τόσο ασθενή, ώστε η ανίχνευσή τους είναι εξαιρετικά δύσκολη. Γι’ αυτό και πρακτικά, μόνο τα σώματα του Σύμπαντος με τις μεγαλύτερες μάζες και επιταχύνσεις μπορούν να δημιουργήσουν βαρυτικά κύματα, ικανά να προκαλέσουν μετρήσιμες μεταβολές στην ύλη που μας περιβάλλει.

Τα βαρυτικά κύματα απομακρύνονται από την «πηγή» τους, μεταβάλλοντας με συγκεκριμένο και ρυθμικό τρόπο (επιμήκυνση σε μία διεύθυνση και ταυτόχρονη συρρίκνωση κατά την κάθετη διεύθυνση κ.ο.κ.) τις αποστάσεις μεταξύ όλων των ελεύθερων σωμάτων που βρίσκονται σε ένα επίπεδο κάθετο στη διεύθυνση διάδοσής τους. Με άλλα λόγια, καθώς ένα βαρυτικό κύμα διαχέεται στον χώρο, «ξεχειλώνει» και ταυτόχρονα συρρικνώνει τις διαστάσεις των αντικειμένων που είναι κάθετες μεταξύ τους και κάθετες προς την κατεύθυνση της διάδοσής του.

Η επιστημονική προσπάθεια που διεξάγεται στους επίγειους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων όπως ο LIGO, στηρίζεται σε μια ευφυέστατη πειραματική διάταξη, με την οποία μπορούν να καταμετρηθούν αυτές οι εναλλασσόμενες επιμηκύνσεις και συστολές που προκαλούνται κατά την διέλευσή τους στους κάθετους βραχίονες ενός γιγάντιου συμβολόμετρου, μήκους 4 km ο καθένας (στην πραγματικότητα τα συμβολόμετρα του LIGO είναι δύο). Προκειμένου να υπολογιστεί με την μέγιστη δυνατή ακρίβεια το μήκος των βραχιόνων, χρησιμοποιούνται πανομοιότυπες ακτίνες λέιζερ, οι οποίες ανακλώνται πολλές φορές από καθρέπτες που βρίσκονται εγκατεστημένοι στις άκρες του κάθε βραχίονα, ώστε πρακτικά να αυξάνεται η απόσταση που διασχίζουν από τα 4 km σε εκατοντάδες χιλιόμετρα. Στην συνέχεια, επιστρέφουν στο σημείο τομής των δύο βραχιόνων, όπου και αναλύονται. Μ’ αυτόν τον τρόπο μπορούν να καταμετρηθούν μεταβολές στο μήκος των βραχιόνων του κάθε ανιχνευτή μικρότερες της ακτίνας ενός ατομικού πυρήνα, ενώ η ανάλυση των σχετικών δεδομένων μπορεί να μας δώσει πληροφορίες για τα ουράνια σώματα και τα φυσικά φαινόμενα που δημιούργησαν τα βαρυτικά κύματα.

Με ποιον, όμως, τρόπο μία διαστημική αποστολή προς τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων; Καθ’ όλη την διάρκεια του ταξιδιού τους, οι δύο διαστημοσυσκευές θα επικοινωνούν διαρκώς με τα κέντρα ελέγχου στην Γη με την βοήθεια ραδιοσημάτων. Εάν, λοιπόν, βαρυτικά κύματα, προερχόμενα για παράδειγμα από την σύγκρουση δύο γιγάντιων μαύρων οπών, διέλθουν από το Ηλιακό σύστημα, θα αυξομειώνουν περιοδικά την απόσταση των διαστημοσυσκευών από την Γη κατά ένα απειροελάχιστο ποσοστό. Σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης, αυτή η μικροσκοπική μεταβολή στην απόστασή τους θα μπορούσε θεωρητικά να ανιχνευθεί ως μία μετατόπιση Doppler στη συχνότητα των ραδιοσημάτων τους, καθιστώντας τις δύο διαστημοσυσκευές τα  μεγαλύτερα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων στον κόσμο.

Υπενθυμίζουμε εδώ ότι το φαινόμενο Doppler είναι η παρατηρούμενη μεταβολή στο μήκος κύματος της ακτινοβολίας μιας πηγής, που προκαλείται από την σχετική της κίνηση. Για παράδειγμα, όταν ένα άστρο απομακρύνεται από εμάς κατά μήκος της ευθείας στην οποία το παρατηρούμε, το «μοτίβο» των φασματικών του γραμμών μετατοπίζεται προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Επειδή στο ορατό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος τα μεγαλύτερα μήκη κύματος αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώμα, λέμε τότε ότι το φως του άστρου έχει μετατοπιστεί προς το ερυθρό. Όταν, αντιθέτως, μας πλησιάζει, το φως του μετατοπίζεται προς το κυανό.

Ένα σημαντικό τεχνολογικό εμπόδιο για την υλοποίηση αυτής της ιδέας είναι ο υπολογισμός της συχνότητας των ραδιοσημάτων με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια, η οποία εκτιμάται ότι πρέπει να είναι τουλάχιστον 100 φορές μεγαλύτερη από ό,τι θα μπορούσαμε να επιτύχουμε στην διάρκεια της αποστολής του Cassini στον Κρόνο. Παρόλο που το εμπόδιο αυτό μοιάζει αρκετά σοβαρό, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι έχουν ήδη περάσει δεκαετίες από τότε που σχεδιαζόταν η αποστολή του Cassini, ενώ οι σχετικές τεχνολογίες βελτιώνονται συνεχώς. Εκτός αυτού, οι επιστήμονες ήδη σχεδιάζουν τον πρώτο διαστημικό κυνηγό βαρυτικών κυμάτων, ο οποίος θα απαιτήσει παρόμοια τεχνολογία, ούτως ή άλλως.

Εάν η ανάπτυξη της σχετικής τεχνολογίας καταστεί εφικτή, τότε το τεράστιο μήκος του «βραχίονα» αυτού του ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων (ίσο δηλαδή με την εκάστοτε απόσταση των διαστημοσυσκευών από την Γη) θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την μελέτη ακραίων φαινομένων στο Σύμπαν, διαφορετικών ωστόσο από εκείνα που μπορούμε να παρατηρήσουμε σήμερα. Με άλλα λόγια, ενώ μέχρι σήμερα οι επίγειοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μπορούν να ανιχνεύουν βαρυτικά κύματα προερχόμενα από την σύγκρουση και συγχώνευση αστρικών μαύρων οπών ή/και αστέρων νετρονίων, η προτεινόμενη αποστολή θα έχει θεωρητικά την δυνατότητα να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα που εκλύονται από αστρικές μαύρες τρύπες, οι οποίες στροβιλίζονται γύρω από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, ή ακόμη και από την σύγκρουση και συγχώνευση δύο γαλαξιακών μαύρων οπών.

Πηγή: 2101.11975.pdf (arxiv.org)

του Αλέξη Δεληβοριά, Διδάκτορα Φυσικής – https://www.eef.edu.gr/el/arthra/apo-tin-eksereynisi-tou-oyranou-kai-tou-poseidona-stin-anihneysi-barytikon-kymaton/



Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ

Ετικέτες: , ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: