Η πρώτη άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων το 2015 άλλαξε ριζικά την αστρονομία. Μέχρι σήμερα, η επιστήμη έχει κατανοήσει σε βάθος τα σήματα που ταξιδεύουν από μακρινές πηγές μέσα από έναν ήσυχο, σχεδόν άδειο χώρο, όπως αυτά που εκπέμπονται κατά τη συγχώνευση μαύρων τρυπών.
Σε αυτές τις περιπτώσεις, το κύμα θεωρείται μια μικρή διαταραχή σε ένα σταθερό υπόβαθρο και η μέτρηση της παραμόρφωσης από τον ανιχνευτή είναι σαφής.
Στην κοσμολογία, όμως, τα πράγματα είναι πιο περίπλοκα. Όταν εξετάζεται το σύμπαν στο σύνολό του, το ίδιο το υπόβαθρο είναι δυναμικό. Μικρές διακυμάνσεις στην πυκνότητα και την ταχύτητα δονούν απαλά τον χωροχρόνο παντού, θολώνοντας τα όρια ανάμεσα στο «υπόβαθρο» και το «κύμα».
Ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων – Το πρόβλημα των μαθηματικών συντεταγμένων
Μέχρι τώρα, οι θεωρητικές προβλέψεις για το τι μετράει ένας ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων όταν ολόκληρο το σύμπαν δονείται εξαρτιόνταν αποκλειστικά από την επιλογή των μαθηματικών συντεταγμένων. Ωστόσο, η μόνη ουσιαστική τιμή είναι αυτή που καταγράφει ένα πραγματικό όργανο, η οποία πρέπει να είναι ανεξάρτητη από το μαθηματικό σύστημα που χρησιμοποιείται.
Ο δρ Guillem Domènech και η ομάδα του στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής του Πανεπιστημίου Leibniz του Ανόβερου (LUH) ανέπτυξαν μια ακριβή προσέγγιση βασισμένη στον ίδιο τον ανιχνευτή. Αντί να αναλύουν τα συστατικά ενός αφηρημένου πεδίου, οι ερευνητές μοντελοποίησαν ένα ρεαλιστικό πείραμα που περιλαμβάνει δύο μάζες δοκιμής σε ελεύθερη πτώση (ή ατομικά ρολόγια) που συνδέονται μεταξύ τους με μια δέσμη φωτός.
Μια νέα, ανεξάρτητη μέθοδος μέτρησης
Ένα βαρυτικό κύμα που περνάει μπορεί να μεταβάλει ελαφρώς τον χρόνο ταξιδιού του φωτός, επηρεάζοντας έτσι το μετρούμενο σήμα χρόνου ή συχνότητας. Οι συγγραφείς της μελέτης, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, υπολόγισαν αυτήν την παρατηρήσιμη τιμή με τρόπο εντελώς ανεξάρτητο από συντεταγμένες, λαμβάνοντας υπόψη τις κοσμικές διακυμάνσεις μέχρι δεύτερης τάξης.
«Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μετρούν διαφορές στις συχνότητες και στους χρόνους άφιξης των δεσμών φωτός», εξηγεί ο Domènech.
«Υπολογίζουμε αυτές τις ποσότητες με ακρίβεια μέσα σε ένα διαστελλόμενο χωροχρόνο και διαχωρίζουμε ξεκάθαρα αυτό που είναι πραγματικά μετρήσιμο από τα αποτελέσματα που βασίζονται στη μαθηματική περιγραφή. Αυτό διασφαλίζει ότι οι θεωρητικές προβλέψεις για μελλοντικά πειράματα είναι αυστηρές και αξιόπιστες».
Η σημασία για τη μελλοντική έρευνα
Η συγκεκριμένη προσέγγιση γεφυρώνει το χάσμα ανάμεσα στη θεωρία και το πείραμα. Όταν το σύμπαν είναι «ήσυχο», η μέθοδος συμπίπτει με τις γνώριμες μετρήσεις των επίγειων συμβολόμετρων. Σε κοσμολογικό επίπεδο, όμως, παραμένει σταθερή και ξεκάθαρη.
Αυτό το νέο θεωρητικό πλαίσιο αναμένεται να καθοδηγήσει την αναζήτηση για τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα στο σύμπαν, έχοντας άμεση εφαρμογή σε τρέχουσες και μελλοντικές μετρήσεις, όπως αυτές που χρησιμοποιούν συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ (pulsar timing arrays) και το διαστημικό παρατηρητήριο LISA.
