Με τη χρήση δεδομένων από την πρώτη ανίχνευση, που έγινε ποτέ, κυμάτων βαρύτητας το 2016 μαζί με μια θεωρητική ανάλυση, οι φυσικοί έχουν δείξει ότι τα κύματα βαρύτητας μπορούν ταλαντεύονται μεταξύ δύο διαφορετικών μορφών που ονομάζονται «g» και «f» – τύπου. Οι φυσικοί εξηγούν ότι αυτό το φαινόμενο είναι ανάλογο με τον τρόπο που ταλαντεύονται τα νετρίνα μεταξύ τριών ξεχωριστών γεύσεων – νετρίνο ηλεκτρονίου, μιονίου, και ταυ. Τα ταλαντούμενα κύματα βαρύτητας όμως προκύπτουν με μία τροποποιημένη θεωρία της βαρύτητας, που ονομάζεται διμετρική βαρύτητα ή διβαρύτητα (bimetric ή «bigravity» ), αλλά τώρα μερικοί φυσικοί δείχνουν ότι οι ταλαντώσεις μπορεί να είναι ανιχνεύσιμες σε μελλοντικά πειράματα.
Η εικόνα δείχνει δύο συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες δημιουργώντας έτσι κύματα βαρύτητας. Σε μεγάλες αποστάσεις από τη συγχώνευση ο χωρόχρονος μπορεί να περιγραφεί από υπερθέσεις των δύο συνόλων πλέγματος, που απεικονίζει τις δύο μετρικές της βαρύτητας (bigravity)
Οι ερευνητές, Kevin Max ένας διδακτορικός στο Πανεπιστήμιο της Pisa μαζί με τον Moritz Platscher, υποψήφιος διδάκτορας στο Ινστιτούτο Max Planck και τον Juri Smirnov, μεταδιδακτορικός θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Φλωρεντίας, έχουν δημοσιεύσει μια εργασία σχετικά με την ανάλυση που έκαναν για τις ταλαντώσεις των βαρυτικών κυμάτων στο Physical Review Letters .
Όπως εξηγούν οι φυσικοί η εργασία αυτή μπορεί να βοηθήσει ώστε να απαντηθεί το ερώτημα τι είναι το άλλο 95% από το οποίο είναι κατασκευασμένο το σύμπαν, με τον υπαινιγμό ότι η απάντηση μπορεί να βρίσκεται σε τροποποιημένες θεωρίες της βαρύτητας και όχι σε νέα σωματίδια.
«Μόνο το 5% της ύλης είναι ένας τύπος που πιστεύουμε ότι κατανοούμε σωστά,» λέει ο Smirnov. «Για να αντιμετωπιστεί το ζήτημα από τι αποτελείται το σύμπαν μας (“σκοτεινή ύλη”και“σκοτεινή ενέργεια”), οι περισσότεροι φυσικοί συζητούν εναλλακτικά μοντέλα της φυσικής σωματιδίων με νέα σωματίδια. Ωστόσο, πειράματα όπως αυτά που γίνονται στο LHC δεν έχουν εντοπίσει κανένα εξωτικό σωματίδιο, ακόμα. Αυτό λοιπόν εγείρει το ερώτημα αν ίσως πρέπει να τροποποιηθεί η βαρυτική πλευρά της θεωρίας.
«Στην εργασία μας, αναζητάμε τι μηνύματα θα μπορούσαμε να περιμένουμε από μια τροποποίηση της θεωρίας της βαρύτητας, και αποδεικνύεται ότι η διβαρύτητα (bigravity) διαθέτει ένα μοναδικό τέτοιο σήμα και συνεπώς μπορεί να διακριθεί από τις άλλες θεωρίες. Η πρόσφατη ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από το Παρατηρητήριο LIGO έχει ανοίξει ένα νέο παράθυρο σε σκοτεινούς τομείς του σύμπαντος για εμάς. Είτε η Φύση έχει επιλέξει τη κλασσική γενική σχετικότητα του Einstein, ή την διβαρύτητα (bigravity), ή οποιαδήποτε άλλη θεωρία είναι ένα διαφορετικό ζήτημα στο τέλος. Μπορούμε να μελετήσουμε μόνο πιθανά σήματα για να ψάξουν οι πειραματιστές.”
Δύο βαρυτόνια, αντί του ενός
Επί του παρόντος, η καλύτερη θεωρία της βαρύτητας είναι η θεωρία του Αϊνστάιν της γενικής σχετικότητας, η οποία χρησιμοποιεί μία μόνο μετρική για να περιγράψει τον χωροχρόνο. Ως αποτέλεσμα, οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεσολαβούνται από ένα και μόνο υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται βαρυτόνιο, το οποίο είναι άμαζο και γι αυτό ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός.
Η κύρια διαφορά μεταξύ της γενικής σχετικότητας και της διμετρικής ή διβαρύτηταε (bigravity) είναι ότι η τελευταία χρησιμοποιεί δύο μετρικές, την g και f. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η g είναι μια φυσική μετρική και ζευγαρώνει (ενώνονται) με την ύλη, η f είναι μία στείρα μετρική και δεν συνδέεται με την ύλη. Στην διβαρύτητα οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεσολαβούνται από δύο γκραβιτόνια, ένα από τα οποία έχει μάζα και το άλλο είναι άμαζα. Τα δύο γκραβιτόνια αποτελούνται από διαφορετικούς συνδυασμούς (ή υπερθέσεις) της μετρικής g και f, και έτσι αυτά ενώνονται με την περιβάλλουσα ύλη με διαφορετικούς τρόπους. Η ύπαρξη των δύο μετρικών (και δύο γκραβιτονίων) στο πλαίσιο της διβαρύτητας οδηγεί τελικά στο φαινόμενο της ταλάντωσης.
Όπως οι φυσικοί εξηγούν, η ιδέα ότι μπορεί να υπάρχει ένα βαρυτόνιο με μάζα έχει ιστορία ίδια σχεδόν με τη γενική σχετικότητα.
«Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει ένα διαμεσολαβητή (η“γκραβιτόνιο”) των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων, το οποίο ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός, δηλαδή, το οποίο είναι άμαζο,» δήλωσε ο Max. «Πίσω στα τέλη της δεκαετίας του 1930, οι άνθρωποι ήδη προσπαθούν να βρουν μια θεωρία που να περιέχει ένα διαμεσολαβητή που να έχει μάζα, και έτσι να ταξιδεύει με ταχύτητα μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός. Αυτό αποδείχθηκε ότι ήταν ένα πολύ δύσκολο έργο και μόλις ολοκληρώθηκε πρόσφατα το 2010. Η διβαρύτητα είναι μια παραλλαγή αυτού του πλαισίου του 2010, η οποία δεν διαθέτει ένα, αλλά δύο δυναμικές μετρικές Μόνο μία μετρική συνδέεται με την ύλη, ενώ η άλλη δεν το κάνει. Και ένας γραμμικός συνδυασμός αυτών έχει μάζα (που κινείται πιο αργά από την ταχύτητα του φως), ενώ το άλλο είναι άμαζο (ταχύτητα του φωτός).»
Ταλαντώσεις
Οι φυσικοί δείχνουν ότι, στο πλαίσιο της διβαρύτητας, καθώς παράγονται τα βαρυτικά κύματα και διαδίδονται μέσα στο χώρο, ταλαντεύονται μεταξύ της g και f μετρικής (τύπου) -αν και μόνο το g-τύπου μπορεί να ανιχνευθεί. Αν και προηγούμενες έρευνες έχουν δείξει ότι μπορεί να υπάρχουν αυτές οι ταλαντώσεις, φάνηκε να οδηγεί σε μη φυσικά αποτελέσματα, όπως η παραβίαση της διατήρησης της ενέργειας. Η νέα μελέτη δείχνει ότι οι ταλαντώσεις μπορούν θεωρητικά να προκύψουν σε ένα ρεαλιστικό φυσικό σενάριο, όταν οι θεωρούμενες μάζες των βαρυτονίων είναι αρκετά μεγάλες για να ανιχνευθούν από τις τρέχουσες πειραματικές συσκευές στην αστροφυσική.
Για να κατανοήσουμε αυτές τις ταλαντώσεις, οι επιστήμονες εξηγούν ότι μοιάζουν με τις ταλαντώσεις των νετρίνων. Αν και τα νετρίνα έρχονται σε τρεις γεύσεις, τυπικά τα νετρίνα που παράγονται σε πυρηνικές αντιδράσεις είναι νετρίνα ή αντινετρίνα ηλεκτρονίων, επειδή οι άλλες μορφές είναι πολύ βαριές για να σχηματίσουν σταθερά ύλη. Κατά παρόμοιο τρόπο, στην διβαρύτητα μόνο η g μετρική συνδέεται με την ύλη, έτσι ώστε τα κύματα βαρύτητας που παράγονται από αστροφυσικά γεγονότα, όπως οι συγχωνεύσεις μαύρων οπών, είναι g-τύπου, επειδή τα f-τύπου κύματα βαρύτητας δεν συνδέονται με την ύλη.
Καθώς οι φυσικοί σημειώνουν, η ομοιότητα μεταξύ νετρίνων και κυμάτων βαρύτητας δεν είναι απόλυτη, γιατί η ταλάντωση των νετρίνων είναι ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο που περιγράφεται από την εξίσωση κύματος του Schrödinger, ενώ η ταλάντωση του βαρυτικού κύματος δεν είναι ένα κβαντικό φαινόμενο και αντ ‘αυτού περιγράφεται από μια κλασσική εξίσωση κύματος.
Ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα που προβλέπουν οι φυσικοί είναι ότι οι ταλαντώσεις του βαρυτικού κύματος οδηγούν σε μεγαλύτερες παραμορφώσεις σε σύγκριση με εκείνες που προβλέπονται από τη γενική σχετικότητα . Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν μια πορεία προς την πειραματικά ανίχνευση των ταλαντώσεων των βαρυτικών κυμάτων και την εξεύρεση πειραματικής υποστήριξης για την διβαρύτητα (bigravity).
