Αποτελέσματα παρατηρήσεων της τελευταίας 25ετίας, που δημοσιεύονται σήμερα στην επιθεώρηση Astronomy & Astrophysics, αναφέρονται σε ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξη υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων χαμηλών συχνοτήτων, που υπόσχονται πρωτόγνωρες ανακαλύψεις στη μελέτη του σχηματισμού και της εξέλιξης του Σύμπαντός μας και των γαλαξιών που το κατοικούν. Τα βαρυτικά αυτά κύματα αποδίδονται κυρίως σε ζεύγη υπερμεγεθών μαύρων τρυπών, με μάζες εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από αυτές του Ήλιου, που περιστρέφονται η μία γύρω από την άλλη, λόγω βαρυτικής έλξης.

Σχηματική απεικόνιση από πάλσαρ γύρω από τη Γη πάνω σε υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων, το οποίο δημιουργείται από διπλά συστήματα υπερμεγεθών μελανών οπών. Τα σήματα από τα πάλσαρ που μετρώνται με ένα παγκόσμιο δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων επηρεάζονται από τα βαρυτικά κύματα και επιτρέπουν τη μελέτη της προέλευσης του υποβάθρου. Credit: Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

Σειρά άρθρων που δημοσιεύθηκαν σήμερα από την Ευρωπαϊκή κοινοπραξία αστρονόμων - European Pulsar Timing Array (EPTA), από δέκα Ιδρύματα σε διάφορες χώρες, παρουσιάζει τα αποτελέσματα παρατηρήσεων που προέρχονται από έξι ραδιοτηλεσκόπια, από τα πιο ευαίσθητα του κόσμου. Τα δεδομένα αυτά συνάδουν με ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων που διέπει ολόκληρο το Σύμπαν, μιας βασικής πρόβλεψης της Σύγχρονης Φυσικής και Κοσμολογίας. Η ομάδα του Δρ. Γιάννη Αντωνιάδη, ερευνητή στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ), συμμετείχε στην ανάλυση δεδομένων της έρευνας αυτής.

Η ομάδα του Δρ. Γιάννη Αντωνιάδη

Η ανίχνευση του υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων αποτελεί σημαντικό ορόσημο για το άνοιγμα ενός νέου παραθύρου στο φάσμα των βαρυτικών κυμάτων, το οποίο θα επιτρέψει στους αστρονόμους να μελετήσουν τον σχηματισμό και την εξέλιξη των μεγαλύτερων δομών στο Σύμπαν. Θα προσφέρει επίσης τη δυνατότητα για νέους ελέγχους της φύσης της Βαρύτητας και της σκοτεινής ύλης, αποκαλύπτοντας ενδεχομένως τις φυσικές διεργασίες που διαμόρφωσαν το πρώιμο Σύμπαν.

Τo σήμα που ανιχνεύθηκε αποτελεί κυματισμούς στη δομή του χωροχρόνου που προβλέπονται από τη Γενική Θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Τα κύματα αυτά ταλαντώνονται με χρονικές κλίμακες ετών έως δεκαετιών, έχουν μήκος κύματος εκατομμυρίων χιλιομέτρων, το οποίο είναι πολύ χαμηλό για να ανιχνευθεί από επίγεια συμβολόμετρα όπως το LIGO και VIRGO, τα οποία επιβεβαίωσαν για πρώτη φορά την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων το 2015.

Ωστόσο, μια διαφορετική τεχνική που ονομάζεται «συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ», χρησιμοποιεί τα πάλσαρ (αστέρες νετρονίων), ως φυσικά ρολόγια ακριβείας για να ανιχνεύσει αυτά τα κύματα. Τα πάλσαρ έχουν εξαιρετικά σταθερή περιστροφή και εκπέμπουν περιοδικούς παλμούς ραδιοκυμάτων (όπως ένας φάρος), που φτάνουν στη Γη σε προβλέψιμους χρόνους. Όταν ένα βαρυτικό κύμα περνά απ’ τη Γη, προκαλεί μια μικρή παραμόρφωση του χωροχρόνου που μεταβάλλει τον χρόνο άφιξης των παλμών.

"Συγκρίνοντας τους παρατηρηθέντες χρόνους άφιξης με τους αναμενόμενους, μπορούμε να μετρήσουμε την επίδραση του βαρυτικού κύματος και να εξάγουμε πληροφορίες για την πηγή και το πλάτος του", λέει ο Γιάννης Αντωνιάδης. Επειδή η μεταβολή αυτή είναι εξαιρετικά μικρή και γίνεται σε χρονικές κλίμακες ετών έως δεκαετιών, απαιτούνται μακροχρόνιες παρατηρήσεις πολλών πάλσαρ ώστε να επιτευχθεί η ανίχνευση της επίδρασης των βαρυτικών κυμάτων.

Το σύνολο δεδομένων που αναλύθηκε από το EPTA περιέχει ευαίσθητα δεδομένα για 25 πάλσαρ που συλλέχθηκαν τις τελευταίες τρεις δεκαετίες με τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια της Ευρώπης. Πρόκειται για το ραδιοτηλεσκόπιο των 100 μέτρων Effelsberg στη Γερμανία, το τηλεσκόπιο Lovell του αστεροσκοπείου Jodrell Bank στο Ηνωμένο Βασίλειο, το ραδιοτηλεσκόπιο Nançay στη Γαλλία, το ραδιοτηλεσκόπιο 60 μέτρων στη Σαρδηνία της Ιταλία και το ραδιοτηλεσκόπιο Westerbork Radio Synthesis Telescope στην Ολλανδία. Για την ανάλυση των δεδομένων συνεργάστηκαν πάνω από 70 ερευνητές απ’ όλο τον Κόσμο. Από την Ελλάδα, εκτός της ομάδας του κ. Αντωνιάδη συμμετείχε στην ανάλυση και ο Δρ. Νικόλας Καβαλιέρο από το Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο.

Το EPTA αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης διεθνούς προσπάθειας, του International Pulsar Timing Array (IPTA), το οποίο συνδυάζει δεδομένα από παρόμοια πειράματα στη Βόρεια Αμερική (NANOGrav), την Αυστραλία (PPTA), την Ινδία (InPTA) και τη Νότια Αφρική (MeerKAT). Παρόμοιες ενδείξεις για την ύπαρξη του υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων ανακοινώθηκαν ταυτόχρονα από το NANOGrav, ενώ οι μετρήσεις συνάδουν και με τα αποτελέσματα που αναφέρθηκαν από το PPTA, και την κοινοπραξία Chinese Pulsar Timing Array.

"Αυτό είναι πολύ συναρπαστικό", εξηγεί ο Αντωνιάδης. "Η πιθανότητα το σήμα που είδαμε στα δεδομένα μας να έχει εμφανιστεί τυχαία είναι μία στις δέκα χιλιάδες. Ωστόσο, ο χρυσός κανόνας στην Επιστήμη για να ισχυριστεί κανείς την ανίχνευση ενός νέου φαινομένου είναι το αποτέλεσμα του πειράματος να έχει πιθανότητα να συμβεί τυχαία λιγότερο από μία φορά στο εκατομμύριο. Αν και το αποτέλεσμα του EPTA δεν πληροί ακόμη αυτό τον κανόνα, το γεγονός ότι οι συνάδελφοί μας σε όλο τον κόσμο βλέπουν το ίδιο σήμα μας κάνει πολύ πιο σίγουρους πως αυτό που βλέπουμε είναι πραγματικό"

Μέσα στους επόμενους μήνες, οι επιστήμονες του EPTA θα συνδυάσουν τα δεδομένα τους με αυτά των συναδέλφων τους στα πλαίσια του IPTA για να χαρακτηρίσουν καλύτερα το σήμα. "Όλοι είμαστε βέβαιοι ότι το συνδυαστικό σύνολο των δεδομένων θα οδηγήσει στην τελική απόδειξη της γνησιότητας του σήματος", προσθέτει ο κ. Αντωνιάδης.

Επιπλέον, το σχέδιο EPTA προετοιμάζεται ήδη για το επόμενο βήμα. Σύμφωνα με τον Αντωνιάδη, "Μια πτυχή αυτού είναι ο σχεδιασμός νέων οργάνων ανίχνευσης. Γι' αυτόν τον λόγο, το ΙΤΕ ηγείται μιας διεθνούς προσπάθειας που υποστηρίζεται από κονδύλια της Ευρωπαϊκής Ένωσης, για την κατασκευή ενός ραδιοτηλεσκοπίου επόμενης γενιάς στην Κρήτη. Το τηλεσκόπιο, το οποίο ονομάζουμε ARGOS, https://argos-telescope.eu/ σχεδιάζεται ειδικά για παρατηρήσεις χρονομέτρησης πάλσαρ. Μόλις κατασκευαστεί, θα γίνει το πιο ευαίσθητο όργανο για τέτοιου είδους μετρήσεις και θα μας επιτρέψει να εξερευνήσουμε καλύτερα το νέο αυτό παράθυρο στην αστρονομία βαρυτικών κυμάτων που μόλις άνοιξε, σκάβοντας βαθύτερα για σήματα από το Πρώιμο Σύμπαν".

Η ομάδα του κ. Αντωνιάδη υποστηρίζεται από το ΕΛΙΔΕΚ και το Ίδρυμα Σταύρος Νιάρχος, καθώς και από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή μέσω του προγράμματος «Ορίζοντας Ευρώπη 2021-2027».

Η ανακοίνωση της ευρωπαϊκής κοινοπραξίας Αστρονόμων (EPTA):

https://www.epta.eu.org/news/epta-dr2-press.html

1. The second data release from the European Pulsar Timing Array I. The dataset and timing analysis
2. The second data release from the European Pulsar Timing Array II. Customised pulsar noise models for spatially correlated gravitational waves
3. The second data release from the European Pulsar Timing Array III. Search for gravitational wave signals
4. The second data release from the European Pulsar Timing Array IV. Search for continuous gravitational wave signals
5. The second data release from the European Pulsar Timing Array V. Implications for massive black holes, dark matter and the early Universe
6. The Second Data Release from the European Pulsar Timing Array VI: Challenging the ultralight dark matter paradigm

Επικοινωνία:

Δρ. Γιάννης Αντωνιάδης
E-mail : john@ia.forth.gr
Τηλέφωνο : (+30) 2810 394266