Βαρύτητα-Βαρυτικά Κύματα

Transcript

1 Βαρύτητα-Βαρυτικά Κύματα

2 Φύση της Βαρύτητας-Νευτώνεια φυσική Isaac Newton ( ) Ο Νεύτων περιέγραψε στον νόμο της παγκόσμιας έλξης την βαρύτητα σαν μία δύναμη που αναγκάζει τα αντικείμενα με μάζα να έλκονται Στην νευτώνια θεωρία της βαρύτητας η βαρυτική αληλεπίδραση των σωμάτων μεταδίδεται ακαριαία. Δεν υσχύει για πολύ μικρά αντικείμενα(όπως η κίνηση του ηλεκτρονίου γύρω από το άτομο), και πολύ μεγάλα αντικείμενα (όπως η κίνηση των αντικειμένων κοντά σε πολύ μεγάλες μάζες)

3 Φύση της Βαρύτητας-Γενική σχετικότητα Η κατανόηση του σύμπαντος σήμερα βασίζεται σε δύο θεωρίες: Κβαντομηχανική Περιγράφει του νόμους για τα στοιχειώδη σωματίδια Υπάρχει πάντοτε υπόβαθρο του χωροχρόνου Γενική θεωρία της σχετικότητας Πρόκειται για την νέα θεωρία της βαρύτητας Είναι ανεξάρτητη από υπόβαθρο.

4 Θεωρία της βαρύτητας του Einstein s Η γενική θεωρία της Σχετικότητας αντικατέστησε την Νευτώνεια εικόνα της βαρύτητας με την παραδοχή ότι ο χώρος και ο χρόνος δεν έχουν ανεξάρτητη υπόσταση αλλά βρίσκονται σε έντονη αλληλεπίδραση με τον φυσικό κόσμο. Αντικείμενα μεγάλης μάζας προκαλούν κοιλώματα στην δομή του χωροχρόνου και άλλα αντικείμενα που κινούνται σε αυτό τον καμπυλωμένο χωρόχρονο παίρνουν το πιο σύντομο μονοπάτι σαν ένα σύστημα από μπάλες μπιλιάρδου σε μια ελαστική επιφάνεια. Ο χωρόχρονος είναι ένα ελαστικό μέσο. Η πληροφορία μεταφέρεται από την βαρυτική ακτινοβολία με την ταχύτητα του φωτός

5 Θεωρία της βαρύτητας του Einstein s Μεγάλες μάζες όπως ο Ήλιος καμπυλώνουν τον χωρόχρονο δημιουργώντας λακκούβες στην δομή του. Κάθε άλλο αντικείμενο με μικρότερη μάζα, όπως π.χ η Γη, που κινείται στο χωρόχρονο κυλάει μέσα στην λακούβα καθώς κινείται προς την περιοχή του Ήλιου. Κατ αυτόν τον τρόπο μας δίνει την εντύπωση ότι έλκεται από την μεγάλη μάζα του Ήλιου. Αυτό το φαινόμενο της καμπύλωσης του χωροχρόνου είναι που γεννά τη βαρύτητα. Την καμπυλότητα του χώρου την προκαλεί η παρουσία της ύλης, δηλαδή της μάζας (ή αν προτιμάτε της ενέργειας). Έτσι τα σώματα κινούνται όχι λόγω κάποιας βαρυτικής δύναμης αλλά κινούνται στις τροχιές του καμπύλου χωροχρόνου, που λέγονται γεωδαισιακές. Η γεωδαισιακή είναι η καμπύλη με το μικρότερο μήκος, όπως η ευθεία στον επίπεδο Ευκλείδειο χώρο. Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι το φως από μακρινά αστέρια κάμπτεται καθώς περνά κοντά από τον Ήλιο

6 Ελείψεις της θεωρίας Η Κβαντική θεωρία και η γενική σχετικότητα δεν μπορούν να εξηγήσουν τα πάντα Τι συμβαίνει στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας? Τι ήταν το Big Bang? Ποια είναι η προέλευση των μαζών των σωματιδίων

7 Χρειαζόμαστε μια Κβαντική θεωρία Βαρύτητας Ενοποιημένη Κβαντική Θεωρία Πεδίου -Υποχρεώσεις Η αφετηρία για αυτό το σχέδιο ενοποίησης είναι να κβαντιστεί το βαρυτικό πεδίο και η δύναμη βαρύτητας να εκδηλώνεται από μια ανταλλαγή άμαζων μποζονίων βαθμίδας - ή γκραβιτονίων Τα γκραβιτόνια είναι κβάντα πεδίου, δηλ. διακριτές εκδηλώσεις των υποκείμενων βαρυτικών πεδίων. Να εισάγεται η Γενική Σχετικότητα. Εφαρμόζοντας την έννοια των καμπυλοτήτων του χωρόχρονου στα στοιχειώδη σωματίδια, τα σωμάτια με μάζα, πρέπει να θεωρηθούν ως μικρά πακέτα στρεβλωμένου χωρόχρονου. Εξαιτίας της μικροσκοπικότητάς τους, κανένα γκραβιτόνιο δεν έχει ανιχνευθεί ποτέ. Εάν υπάρχουν, τα gravitons αναμένεται να είναι περίπου φορές μικρότερα από την πιό μικροσκοπική οντότητα που μπορεί ενδεχομένως να ανιχνευθεί με τα πειραματικά μέσα, που διαθέτουμε σήμερα.

8 Ελπιδοφόρες Θεωρίες Υπάρχουν τρεις κύριες προσεγγίσεις στην Κβαντική βαρύτητα και όλες έχουν κάποια προβλήματα. Κβαντική βαρύτητα βρόγχων (LQG). Θεωρία Χορδών. Άλλες; Penrose Δίκτυα σπίν, Connes noncommutative geometry etc.

9 Κβαντική βαρύτητα βρόγχων (LQG). Είναι ένας τρόπος να κβαντιστεί ο χωροχρόνος κρατώντας ότι μας έμαθε η Γενική σχετικότητα. Στην LQG, η πραγματικότητα δομείται από βρόχους οι οποίοι αλληλεπιδρούν και συνδυάζονται για να σχηματίσουν αυτά που αποκαλούνται τρισδιάστατο κβαντισμένο χώρο δικτύων των σπιν. Είναι μια θεωρία ανεξάρτητη από υπόβαθρο βαρυτικού πεδίου Είναι δομημένη σε 4 διαστάσεις. Ενσωματώνει θετικό πρόσημο για την κοσμολογική σταθερά Προβλήματα Δεν περιλαμβάνει Ηλεκτρομαγνητική, Ασθενή, Ισχυρή. Δεν είναι ξεκάθαρο πώς σχετίζεται με την Γενική θεωρία της σχετικότητας.

10 Θεωρία χορδών Είναι μια Κβαντική θεωρία Σε αυτές τα στοιχειώδη σωμάτια δεν είναι σημειακά αλλά παίρνουν τη μορφή των χορδής που έχουν κάποια έκταση στο χώρο μικρότερη των διαστάσεων του πυρήνα, δηλαδή μικρότερη των cm. Στη θεωρία χορδής τα σωματίδια που παρατηρούμε μπορούν να θεωρηθούν διαφορετικοί τρόποι διέγερσης (ταλάντωσης) των στοιχειωδών χορδών. Περιλαμβάνει το καθιερωμένο πρότυπο και την βαρύτητα Προβλήματα Απαιτεί Υπόβαθρο για να αναπτυχθεί Υποθέτει νέο είδος συμμετρίας την Υπερσυμμετρια πού δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί. Είναι ασύμβατη με θετικό πρόσημο της κοσμολογικής σταθεράς. Αναπτύσσεται σε 11 διατάσεις (7 κρυμμένες, αναδιπλωμένες)

11 Βαρυτικά Κύματα

12 Η φύση των Βαρυτικών κυμάτων Όταν αλλάζει η κατανομή της μάζας με μη συμμετρικό τρόπο τότε δημιουργείται αναταραχές σαν πτυχώσεις στην δομή του χωροχρόνου η οποία μεταδίδεται με την μορφή κυμάτων που καλούνται βαρυτικά κύματα. Τα βαρυτικά κύματα είναι διαφορετικά από τα Ηλεκτρομαγνητικά κύματα Ηλεκτρομαγνητικά δημιουργούνται από την κίνηση ηλεκτρικών φορτίων και διαδίδονται στον χωροχρόνο. Βαρυτικά κύματα δημιουργούνται από την κίνηση της μάζας και είναι ταλάντωση του ίδιου του χοροχρόνου. Διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός.

13 Πηγές των Βαρυτικών κυμάτων

14 Πηγές των Βαρυτικών κυμάτων Η κίνηση διπλών αστρικών συστημάτων όπως, αστεριών νετρονίων, λευκών νάνων, μαύρων οπών στον Γαλαξία μας, και η κίνηση και τελικά η συγχώνευση μεγάλου μεγέθους μαύρων οπών σε μακρινούς γαλαξίες.

15 Πηγές των Βαρυτικών κυμάτων Ο θάνατος των αστεριών από μαύρες οπές Σώματα όπως τα αστέρια πού είναι σε τροχιά γύρω από μια μαύρη τρύπα θα συληφθούν και θα καταβροχθιστούν από την ισχυρή βαρύτητα της τρύπας. Αυτά τα σώματα καθώς κατέρχονται σε μια σπειροειδή διαδρομή θανάτου παράγουν βαρυτικά κύματα

16 Πηγές των Βαρυτικών κυμάτων Η μεγαλύτερη ροή ενέργειας στο σύμπιαν δημιουργείται όταν δύο μεγάλης μάζας Μαύρες τρύπες που βρίσκονται σε τροχιά συγκρούονται και συγχωνεύονται. Αυτές οι συγχωνεύσεις δημιουργούν πτυχές στον χωροχρόνο και εκεί μπορούμε να ελέγξουμε την πρόβλεψη ότι τα κύματα ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός συγκρίνοντας τους χρόνους άφιξης του κύματος και του φωτός που εκπέμπεται από την πηγή.

17 Πηγές των Βαρυτικών κυμάτων Ηχώ από το πρώιμο σύμπαν Όπως η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου είναι μια ηλεκτρομαγνητική υπογραφή λίγο μετά από το Big Bang, είναι δυνατόν να υπάρχει ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων που δημιουργήθηκε από την απότομη διόγκωση του σύμπαντος στην φάση του πληθωρισμού

18 Πώς είμαστε σίγουροι ότι υπάρχουν Η γενική θεωρία προβλέπει ότι όταν ένα διπλό σύστημα σε τροχιά, χάνουν ενέργεια εκπέμποντας βαρυτικά κύματα Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να πλησιάζουν σπειροειδώς το μεταξύ τους. Joseph Taylor and Russell Hulse (Nobel) παρατήρησαν τις πρώτη έμμεση απόδειξη με το περίφημο σύστημα διπλο PSR Αποτελείται από δύο αστέρια νετρονίων, που ο ένας είναι Πάλσαρ. Η περίοδος μειώθηκε κατά 14 sec από Απώλεια ενέργειας περιστροφής Μικρότερη περίοδο Συφωνία με (<0.4% απόκλιση) με Γενική σχετικότητα Hylse-Taylor binary System PSR Timing of pulsars ~ 8 hr 17 / sec

19 Γιατί μας ενδιαφέρουν Είναι φορείς αστρονομικών πληροφοριών Αυτοί οι αόρατοι κυματισμοί ταξιδεύουν προς τη Γη και μεταφέρουν μαζί τους πολύτιμες πληροφορίες για τη βίαιη προέλευσή τους και τη φύση της βαρύτητας, που συνεχίζει μέχρι σήμερα να κρύβει μυστήρια. Μελετώντας την συχνότητα την ένταση τους στο χρόνο συμπεραίνουμε την ιστορία της πηγής που τα δημιούργησε. Πληροφορίες σχετικά με την μάζα την ταχύτητα περιστροφής το σχήμα της τροχιάς την θέση της την απόστασή της

20 Υπάρχει δυνατότητα άμεσης παρατήρησης? Τα βαρυτικά κύματα παραμορφώνουν το χοροχρόνο Με άλλα λόγια αλλάζουν τις αποστάσεις ανάμεσα σε μακροσκοπικά αντικείμενα. Ένα βαρυτικό κύμα περνώντας από το ηλιακό σύστημα προκαλεί ένα τέντωμα στο χώρο που μεταβάλλεται χρονικά, γεγονός που περιοδικά προκαλεί αλλαγές στις αποστάσεις ανάμεσα στα σώματα του ηλιακού συστήματος στην κατεύθυνση που είναι κάθετη στην διάδοση του κύματος.

21 Είναι αυτό παρατηρήσιμο? Το πρόβλημα είναι ότι η σχετική αλλαγή στο μήκος είναι πολύ μικρή Π.χ Η αλλαγή στην απόσταση δύο μαζών που απέχουν αρκετά (Km) που οφείλεται σε ένα τυπικό ζεύγος λευκών νάνων πού απέχουν 50 pc (about 1500 billion km, or 160 light years) είναι μόνο της τάξεως του ~10-10 m.

22 Προγράμματα ανίχνευσης LISA ( Laser Interferometer Space Antenna ) ESA-NASA Θα ψάξει για βαρυτικά κύματα σε χαμηλές συχνότητες που δεν μπορούν να ανιχνευθούν από κανένα Γήινο Παρατηρητήριο λόγω ατμοσφαιρικών φαινομένων και κινήσεις του εδάφους Θα παρατηρήσει πηγές από κοντινά διπλά συστήματα πολύ πριν την συγχώνευση,υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στον τελικό μήνα πριν την συγχώνευση. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) Διευθύνεται από το Caltech σε συνεργασία με το MIT θα ψάξει σε υψηλές συχνότητες για μεταβατικά φαινόμενα όπως Supernova type II, και τα τελευταία λεπτά της καθόδου από διπλά αστέρια νετρονίων

23 Συμβολόμετρο Είναι ευαίσθητο όργανο με πολύ μεγάλη ακρίβεια που μπορεί να συγκριθεί μόνο με την διακριτική ικανότητα των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων. Σε αυτό το όργανο, μιά αρχική δέσμη φωτός με τη βοήθεια ημιδιαφανούς κατόπτρου χωρίζεται στα δύο, που μετά την ανάκλαση τους σε δύο κάτοπτρα επιστρέφουν πάλι στο διαχωριστή δέσμης, που τώρα έχει το ρόλο του συνθέτη, όπου οι δύο δέσμες συμβάλλουν και ανάλογα δίνουν κροσσούς συμβολής ομόκεντρους κύκλους ή ελαφρά καμπύλες γραμμές κλπ.

24 LIGO Locations MIT 3030 km (+/- 10 ms) CIT DOE Hanford Nuclear Reservation eastern Washington Near New Orleans, LA

25 Beam Tubes LIGO 4 km beam tube (1998)

26 LIGO Ο ανιχνευτής περιέχει καθρέπτες που αναρτώνται στο κενό πάνω σε λεπτά σύρματα στην γωνία και στα άκρα ενός συστήματος σωλήνων σε σχήμα L. Κάθε σκέλος του συστήματος είναι 2 km, που μπορεί να επεκταθεί έως και 4 km. Αν διέλθει ένα βαρυτικό κύμα αυτό θα προξενήσει πολύ μικρές μεταβολές στην απόσταση των καρθεπτών στις άκρες του σχήματος L, που οι επιστήμονες θα παρατηρήσουν μέσω των αλλαγών που αυτές θα προξενήσουν στο πλάτος του φωτός συμβολής. Η πρόκληση είναι πως οι προαναφερθείσες κινήσεις των καθρεπτών οφείλουν ακόμη και στα δυνατότερα βαρυτικά κύματα να είναι απίστευτες μικρές περίπου δέκα δισεκατομμυριοστά της διαμέτρου ενός ατόμου, Οι ανιχνευτές απαιτούν ακραία ευαισθησία στη μέτρηση τέτοιων κινήσεων, τόσο όσο να εξαλειφθούν άλλες πιθανές ενοχλητικές πηγές στους καθρέπτες. Δύο δε παρατηρητήρια τοποθετούνται εκατοντάδες km μακρυά το ένα από το άλλο, γιατί είναι αναγκαία για να καταλάβουν την κατεύθυνση από την οποία έρχονται τα συμβάντα που προξενούν τα βαρυτικά κύματα. Και επίσης να σιγουρευτούν πως τα σήματα έρχονται από το διάστημα και δεν προξενούνται από σεισμικές δονήσεις ή κάποια άλλα τοπικά φαινόμενα. Για να φτάσει στη μέγιστη ευαισθησία, το LIGO χρησιμοποιεί ένα λεπτό σύστημα που ελέγχεται με computer για να κρατεί τους καθρέπτες στα άκρα των δύο σκελών στις κατάλληλες θέσεις με υποατομική ακρίβεια ενώ η δέσμη του laser αναπηδάει εμπρός και πίσω μεταξύ αυτών.

27 Η αποστολή θα αποτελείται από τρία διαστημικά σκάφη, που θα πετούν σε αποστάσεις 5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων το ένα από το άλλο, σε σχηματισμό ισοπλεύρου τριγώνου. Μαζί, θα ενεργούν ως συμβολόμετρα Michelson για να μετρήσουν τη στρέβλωση του χώρου που προκαλείται με τη διάβαση των βαρυτικών κυμάτων. Οι ακτίνες λέιζερ σε κάθε διαστημικό σκάφος θα χρησιμοποιηθούν για να μετρήσουν μικροσκοπικές αλλαγές στις αποστάσεις ανάμεσα σε ελεύθερες να επιπλέουν μάζες μέσα σε κάθε διαστημικό σκάφος. Δηλαδή, οι ακτίνες λέιζερ θα ανακλώνται από δύο δοκιμαστικές μάζες σε κάθε δορυφόρο. Όταν θα μετρηθεί με εξαιρετική ακρίβεια η απόσταση μεταξύ των διαστημικών σκαφών, θα είναι δυνατό να καθοριστεί εάν ο χωρόχρονος έχει διαστρεβλωθεί από διερχόμενα βαρυτικά κύματα. LISA

28 LISA Ο σχηματισμός των τριών διαστημικών σκαφών θα στρέφεται προς τον ήλιο και θα βρεθεί σε ένα επίπεδο κλίσης 60 μοιρών με τη γήινη τροχιά. Τα 3 σκάφη θα είναι σε τροχιά γύρω από τον ήλιο, 20 μοίρες πίσω από τη Γη, και το σύστημα θα περιστρέφεται μία φορά το χρόνο. Αυτή η τροχιακή κίνηση θα βοηθήσει ώστε να ανιχνευθεί η κατεύθυνση κάθε πηγής βαρυτικής ακτινοβολίας. Θα λειτουργεί 50 Εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά από τη Γή. Το κέντρο του τριγώνου θα ακολουθεί την τροχιά της Γης γύρω περί τον Ήλιο περίπου 20 μοίρες πίσω παραμένοντας σε μια απόσταση 1 AU από τον Ήλιο. Η τροχιά διαλέχτηκε από την μια για να ελαχιστοποιήσει βαρυιτική επιρροή από την γη και από την άλη να προσφέρει εύκολη Επικοινωνία με τα Σκάφη.