Ερευνητές από ερευνητικά ιδρύματα της Ευρώπης, μαζί με συναδέλφους από την Ινδία και την Ιαπωνία, δημοσιεύουν σήμερα στην επιθεώρηση «Astronomy & Astrophysics» αποτελέσματα από ανάλυση ραδιοαστρονομικών δεδομένων 25ετών, που δείχνουν ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξη υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων χαμηλών συχνοτήτων. Τα βαρυτικά αυτά κύματα αποδίδονται κυρίως σε ζεύγη υπερμεγεθών μαύρων τρυπών, με μάζες εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από τη μάζα του Ήλιου, που περιστρέφονται η μία γύρω από την άλλη, λόγω βαρυτικής έλξης. Mετά την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων το 2016 που οδήγησε στο βραβείο Νόμπελ 2017, τα αποτελέσματα αυτά ανοίγουν ένα νέο παράθυρο παρατηρήσεων στο φάσμα βαρυτικών κυμάτων, και αποτελούν ορόσημο που υπόσχεται βαθύτερη κατανόηση του σχηματισμού και εξέλιξης των γαλαξιών και του πρώιμου Σύμπαντος.
Σε σειρά άρθρων που δημοσιεύθηκε σήμερα από την Ευρωπαϊκή κοινοπραξία European Pulsar Timing Array (EPTA), σε συνεργασία με την κοινοπραξία Indian Pulsar Timing Array, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα παρατηρήσεων που προέρχονται από τα έξι πιο ευαίσθητα ραδιοτηλεσκόπια της Ευρώπης, αλλά και παγκοσμίως. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης συνάδουν με την ύπαρξη υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων που διαχέει ολόκληρο το Σύμπαν, μιας βασικής πρόβλεψης της Σύγχρονης Φυσικής και Κοσμολογίας. Το μέλος του EPTA και ερευνητής στο Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιου (ΕΑΠ), ραδιοαστρονόμος Δρ. Ρ. Νικόλας Καβαλιέρο (R. Nicolas Caballero), έχει κεντρική συμβολή στην έρευνα με επεξεργασία και στατιστική ανάλυση δεδομένων, και είναι εκ των δημιουργών ενός εκ των δύο λογισμικών ανάλυσης δεδομένων (FORTYTWO) που χρησιμοποιήθηκαν. O ερευνητής είναι Μεταδιδάκτορας στην ομάδα της Επίκουρης Καθηγήτριας της Σχολής Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας του ΕΑΠ, ραδιοαστρονόμου Δρ. Νεκταρίας Γκιζάνη, επιστημονικής υπεύθυνης του Ελληνικού Ραδιοτηλεσκοπίου THERMOpYlae από το ΕΑΠ.
Η κοινοπραξία EPTA αποτελείται από επιστήμονες σε περισσότερα από δέκα ερευνητικά ιδρύματα, αστρονόμους και θεωρητικούς αστροφυσικούς, που χρησιμοποιούν ραδιοαστρονομικές παρατηρήσεις πάλσαρ (αστέρες νετρονίων) για να αναζητήσουν τα εξαιρετικά αμυδρά βαρυτικά κύματα. Από την Ελλάδα, εκτός της ομάδας του ΕΑΠ συμμετείχε στην ανάλυση και ο Δρ. Γιάννης Αντωνιάδης με την ομάδα του στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας.
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 απΆ τη Γη, προκαλεί μια μικρή παραμόρφωση του χωροχρόνου που μεταβάλλει τον χρόνο άφιξης των παλμών. Η ακριβής μέτρηση των χρόνων άφιξης των παλμών γίνεται με την τεχνική “χρονισμού πάλσαρ”. Ο Δρ. Καβαλιέρο εξηγεί: “Μια συστοιχία από πάλσαρ με τις πιο σταθερές περιστροφές, αποτελεί αυτό που αποκαλούμε Συστοιχία Χρονισμού Πάλσαρ. Αυτό ακριβώς είναι που αποτελεί τον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων. Έτσι, όχι μόνο μετράμε τις μεταβολές τους χρόνου άφιξης των παλμών, αλλά και την εξάρτηση τους από την κατεύθυνση του κάθε πάλσαρ, καθώς η Γενική Θεωρία Σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει την εξάρτηση αυτή με συγκεκριμένο τρόπο. Η μέτρηση αυτής της χωρικής εξάρτησης των μεταβολών των χρόνων άφιξης ήταν το τελευταίο, αλλά και πιο κρίσιμο κομμάτι του παζλ που μας έλειπε και που επιτέλους βλέπουμε μετά από δεκαετίες προσπαθειών”.
Καλλιτεχνική απεικόνιση πειράματος συστοιχίας χρονισμού πάλσαρ. Ο χωροχρόνος (πράσινο δίκτυο) παραμορφώνεται από το πέρασμα του βαρυτικού κύματος, επηρεάζοντας το χρόνο μετάδοσης του σήματος που εκπέμπεται από τα πάλσαρ προς τη Γη. Εξαιτίας των λεπτομερειών της ταλάντωσης του χωροχρόνου, η αλλαγές στο χρόνο άφιξης των σημάτων από τα πάλσαρ, εξαρτάται από τη σχετική τους θέση με τη Γη. (Image credits: David J. Champion – Max-Planck-Institut für Radioastronomie)
Το Γαλαξιακών διαστάσεων παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων του EPTA στην τελευταία αυτή μελέτη, αποτελείται από συστοιχία χρονισμού πάλσαρ αποτελούμενη από 25 προσεχτικά επιλεγμένα πάλσαρ. Τα βαρυτικά κύματα που μπορεί να δει η συστοιχία ταλαντώνονται στις συχνότητες nanoHertz, οι οποίες είναι πολύ χαμηλότερες των βαρυτικών κυμάτων που μελετούν τα επίγεια παρατηρητήρια με συμβολόμετρα λέιζερ. Αυτά τα εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας κύματα, αναμφίβολα θα ανοίξουν καινούριους ορίζοντες στην Αστροφυσική και την Κοσμολογία, καθώς κρύβουν μυστικά του Σύμπαντος όπως τον κοσμικό πληθυσμό υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, τις δυναμικές τους αλληλεπιδράσεις, και τις διαδικασίες που οδήγησαν στη μεγάλη Συμπαντική δομή που βλέπουμε σήμερα.
Το σύνολο δεδομένων που αναλύθηκε από το EPTA συλλέχθηκε τις τελευταίες τρεις δεκαετίες με τα μεγαλύτερα ραδιοτηλεσκόπια της Ευρώπης. Πρόκειται για: το ραδιοτηλεσκόπιο των 100 μέτρων Effelsberg στη Γερμανία, το ραδιοτηλεσκόπιο Lovell του αστεροσκοπείου Jodrell Bank στο Ηνωμένο Βασίλειο, το ραδιοτηλεσκόπιο Nançay στη Γαλλία, το ραδιοτηλεσκόπιο Sardinia στην Ιταλία και το όχι μόνο μετράμε τις μεταβολές τους χρόνου άφιξης των παλμών, αλλά και την εξάρτηση τους από την κατεύθυνση του κάθε πάλσαρ, καθώς η Γενική Θεωρία Σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει την εξάρτηση αυτή με συγκεκριμένο τρόπο. Η μέτρηση αυτής της χωρικής εξάρτησης των μεταβολών των χρόνων άφιξης ήταν το τελευταίο, αλλά και πιο κρίσιμο κομμάτι του παζλ που μας έλειπε και που επιτέλους βλέπουμε μετά από δεκαετίες προσπαθειών”.
Καλλιτεχνική απεικόνιση πειράματος συστοιχίας χρονισμού πάλσαρ. Ο χωροχρόνος (πράσινο δίκτυο) παραμορφώνεται από το πέρασμα του βαρυτικού κύματος, επηρεάζοντας το χρόνο μετάδοσης του σήματος που εκπέμπεται από τα πάλσαρ προς τη Γη. Εξαιτίας των λεπτομερειών της ταλάντωσης του χωροχρόνου, η αλλαγές στο χρόνο άφιξης των σημάτων από τα πάλσαρ, εξαρτάται από τη σχετική τους θέση με τη Γη. (Image credits: David J. Champion – Max-Planck-Institut für Radioastronomie)
Το Γαλαξιακών διαστάσεων παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων του EPTA στην τελευταία αυτή μελέτη, αποτελείται από συστοιχία χρονισμού πάλσαρ αποτελούμενη από 25 προσεχτικά επιλεγμένα πάλσαρ. Τα βαρυτικά κύματα που μπορεί να δει η συστοιχία ταλαντώνονται στις συχνότητες nanoHertz, οι οποίες είναι πολύ χαμηλότερες των βαρυτικών κυμάτων που μελετούν τα επίγεια παρατηρητήρια με συμβολόμετρα λέιζερ. Αυτά τα εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας κύματα, αναμφίβολα θα ανοίξουν καινούριους ορίζοντες στην Αστροφυσική και την Κοσμολογία, καθώς κρύβουν μυστικά του Σύμπαντος όπως τον κοσμικό πληθυσμό υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, τις δυναμικές τους αλληλεπιδράσεις, και τις διαδικασίες που οδήγησαν στη μεγάλη Συμπαντική δομή που βλέπουμε σήμερα.
Το σύνολο δεδομένων που αναλύθηκε από το EPTA συλλέχθηκε τις τελευταίες τρεις δεκαετίες με τα μεγαλύτερα ραδιοτηλεσκόπια της Ευρώπης. Πρόκειται για: το ραδιοτηλεσκόπιο των 100 μέτρων Effelsberg στη Γερμανία, το ραδιοτηλεσκόπιο Lovell του αστεροσκοπείου Jodrell Bank στο Ηνωμένο Βασίλειο, το ραδιοτηλεσκόπιο Nançay στη Γαλλία, το ραδιοτηλεσκόπιο Sardinia στην Ιταλία και το ραδιοτηλεσκόπιο Westerbork Radio Synthesis στις Κάτω Χώρες.
Ο Πρόεδρος της ΔΕ του ΕΑΠ, Καθηγητής κ. Ιωάννης Καλαβρουζιώτης δήλωσε: “Χαιρετίζουμε με ενθουσιασμό τη διεθνή επιστημονική πρωτοπόρα έρευνα στην οποία συμμετέχει και το Πανεπιστήμιό μας. Είμαστε αρωγοί και στο επιστημονικό και μοναδικό για την Ελλάδα έργο του Ελληνικού Ραδιοτηλεσκοπίου THERMOpYlae!”
Η Δρ Νεκταρία Γκιζάνη, μέλος του ΕPTA, τονίζει την ενίσχυση της μελλοντική συμβολής της Ελλάδας στον ερευνητικό αυτό τομέα αιχμής: “Ως ραδιοαστρονόμοι είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι που συμμετέχουμε σε αυτά τα σπουδαία επιστημονικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τις παρατηρήσεις των Ευρωπαϊκών ραδιοτηλεσκοπίων. Ανυπομονούμε να ολοκληρώσουμε το έργο του Ελληνικού ραδιοτηλεσκοπίου THERMOpYlae και να ενώσουμε τις δυνάμεις μας με το EPTA μέσω στοχευμένων παρατηρήσεων πάλσαρ και με το Ελληνικό όργανο”.
Η κοινοπραξία 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 (CPTA). Σύμφωνα με τη στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων του EPTA, η πιθανότητα το σήμα που ανιχνέυουν να έχει εμφανιστεί τυχαία στα δεδομένα, είναι μία στις δέκα χιλιάδες. Ο Δρ. Καβαλιέρο εξηγεί: “Ο χρυσός κανόνας στην Επιστήμη για ανίχνευση νέου φαινομένου, είναι η πιθανότητα αυτή να είναι μια στο ένα εκατομμύριο. Παρόλα αυτά, καθώς φαίνεται να ανιχνεύεται το ίδιο σήμα από ανεξάρτητα δεδομένα άλλων ραδιοτηλεσκοπίων με ανεξάρτητες αναλύσεις, δείχνει ότι πιθανότατα οδεύουμε προς την εκπλήρωση του χρυσού κανόνα στο εγγύς μέλλον”. Στα πλαίσια του IPTA, η προσπάθεια προς εκπλήρωση του στόχου αυτού έχει ξεκινήσει με τον συνδυασμό των δεδομένων των διαφόρων κοινοπραξιών, που θα αυξήσει τη συνολική ευαισθησίας των δεδομένων στο σήμα.
Η μεταδιδακτορική έρευνα του Δρ. Νικόλα Καβαλιέρο χρηματοδοτείται από τον Ειδικό Λογαριασμού Κονδυλίων Έρευνας (ΕΛΚΕ) του ΕΑΠ. Το έργο του Ελληνικού Ραδιοτηλεσκοπίου THERMOpYlae χρηματοδοτείται από το Υπουργείο Παιδείας και Θρησκευμάτων της Ελληνικής Δημοκρατίας.
Σύνδεσμος στο δελτίο τύπου του EPTA: https://www.epta.eu.org/dissemination/press-releases/epta-dr2-press.html. Σύνδεσμος στη δημοσίευση (arXiv): https://arxiv.org/abs/2306.16214.
