Εξετάζοντας τη θεωρία του Αϊνστάιν από την σκοπιά μιας μαύρης τρύπας

Από το Κέντρο για την Αστροφυσική Harvard-Smithsonian, Ιούνιος 2004

Επιστήμονες προετοιμάζονται για την τελευταία δοκιμή του νόμου της βαρύτητας του Αϊνστάιν, γνωστής και ως θεωρία της γενικής σχετικότητας, μέσω μιας συστηματικής και σε βάθος μελέτης των εκατοντάδων μαύρων οπών.

Οι παρατηρήσεις είτε θα ενισχύσουν την κληρονομιά του Einstein, είτε θα αποκαλύψουν ρωγμές στη γενική σχετικότητα που τελικά θα στρώσουν το δρόμο σε μια πληρέστερη θεωρία.

Ο Jon Miller του κέντρου για την αστροφυσική στο Χάρβαρντ συζήτησε τη δυνατότητα για μια πειραματική δοκιμασία της θεωρίας του Einstein σε μια συνεδρίαση που πραγματοποιήθηκε αυτή η εβδομάδα στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ με θέμα "Πέρα από τον Einstein: Από τη Μεγάλη Έκρηξη στις μαύρες τρύπες".

Ο στόχος είναι να μελετηθεί η επίδραση της βαρύτητας στο χρόνο, στην ύλη και στην ενέργειας εκεί όπου η βαρύτητα είναι εντονότερη: στα θεωρητικά σύνορα μιας μαύρης τρύπας, τον γνωστό ορίζοντα γεγονότων. Οι επιστήμονες ξέρουν και πού να παρατηρήσουν, και τώρα χτίζουν τα εργαλεία που απαιτούνται για να το κάνουν

"Για ακραία βαρύτητα, δεν μπορείτε να πάτε σε μια μαύρη τρύπα", λέει ο Miiler Miller. "Οι σημερινές παρατηρήσεις μας γίνονται στη γειτονιά μιας μαύρης τρύπας, όπου βλέπουμε αναλαμπές της παράξενης φυσικής που προβλέφθηκε από τον Einstein. Σε λίγα χρόνια, με ένα τηλεσκόπιο ακτίνων-X της επόμενης γενιάς, θα είμαστε σε θέση να φτάσουμε ακόμα πιο κοντά στη μαύρη τρύπα, στον ορίζοντα γεγονότων, για να δώσουμε στη θεωρία του Einstein μια σωστή πειραματική δοκιμασία".

Η αποστολή που θα μπορούσε να το κάνει, συνεχίζει ο Miller, είναι το Constellation X-ray Observatory. Αυτό το παρατηρητήριο θα περιλαμβάνει τέσσερις δορυφόρους που θα πετούν αλλά και θα παρατηρούν ταυτόχρονα σε μια τεράστια περιοχή συλλογής φωτός, 100 φορές μεγαλύτερη από οποιαδήποτε άλλη αποστολή ακτίνων-X πριν από αυτήν.

Πολλές από τις προβλέψεις του Einstein έχουν επιβεβαιωθεί: οι παρατηρήσεις αποκαλύπτουν ότι η βαρύτητα μπορεί να λυγίζει το φως, να καθυστερεί το χρόνο και να στρεβλώνει το χωρόχρονο. Οι επιστήμονες ελπίζουν να πάνε ένα βήμα μπροστά και να βρουν εάν η βαρύτητα προκαλεί τέτοια αποτελέσματα με την ακρίβεια που προβλέπει η θεωρία.

Για να απαντήσει σε αυτήν την ερώτηση,  απαιτείται μια πολύ πιο λεπτομερής γνώση για τις μαύρες τρύπες. Τα πιο αξιόπιστα αστρονομικά παρατηρητήρια των ακτίνων-X -- το παρατηρητήριο Chandra της NASA,  το Rossi Timing Explorer και το ευρωπαϊκό XMM-Newton - έχουν υπαινιχτεί ότι τελικά ο Einstein έχει δίκιο, αλλά τίποτα δεν είναι ακόμα τελικό.

Για να καταλάβουμε τη βαρύτητα με μεγάλη ακρίβεια είναι δύσκολο σήμερα, εξηγεί ο Miller. Η γενική σχετικότητα και η κβαντομηχανική ήταν η φυσική πίσω από, σχεδόν, κάθε επιστημονική πρόοδο του εικοστού αιώνα, από την πυρηνική ενέργεια έως τους υπολογιστές.

Η γενική σχετικότητα εξελίχθηκε πάνω στις ρωγμές του  νόμου της βαρύτητας του Νεύτωνα, ηλικίας 225 χρόνων. Θα μπορούσε η επόμενη μεγάλη επιστημονική επανάσταση να πατήσει στις ρωγμές της γενικής σχετικότητας; Οι επιστήμονες λένε ότι κάτι δεν είναι αρκετά σωστό -- είτε η γενική σχετικότητα, είτε η κβαντική θεωρία, είτε και οι δύο θεωρίες -- επειδή καμία θεωρία δεν μπορεί να περιγράψει όλες τις δυνάμεις στον κόσμο.

Οι επιστήμονες στα νέα πειράματα θα ψάξουν για μικρές αποκλίσεις μεταξύ της παρατήρησης και της θεωρίας, σε μετρήσεις μαύρων οπών. Αυτό δεν είναι κάτι καινούργιο: περίπου 100 χρόνια πριν, οι αστρονόμοι διαπίστωσαν ότι η υπολογισμένη τροχιά του Ερμή γύρω από τον ήλιο διέφερε από αυτό που προβλέφθηκε από το νόμο της βαρύτητας του Isaac Newton, κατά 110 km ετησίως.

Ο νόμος της βαρύτητας του Αλβέρτου Αϊνστάιν ή γενική σχετικότητα, έκανε εκτίμηση για αυτή την απόκλιση, η οποία προκαλείται από μια λεπτή στρέβλωση του χωρόχρονου λόγω της βαρύτητας του Ήλιου και που επιταχύνει τη τροχιά του Ερμή. Σαφώς, απαιτήθηκαν ακριβείς μετρήσεις για να αποκαλύψουν αυτή την απόκλιση.

Στο 21ο αιώνα

Ο Miller είπε ότι το Παρατηρητήριο Constellation-X θα είναι τόσο αποδοτικό στην ανίχνευση της διαστρεβλωμένης ακτινοβολίας από τα συστήματα των μαύρων οπών, που οι επιστήμονες θα είναι σε θέση από τις καμπύλες του φωτός, να δοκιμαστούν οι προβλέψεις για την κάμψη του φωτός από τη βαρύτητα γύρω από τις μαύρες τρύπες.

Κι αυτό επειδή το Constellation-X θα ανιχνεύσει περισσότερο φως σε λιγότερο χρόνο, επιτρέποντας στους επιστήμονες να δημιουργήσουν "ταινίες" σε μια ενιαία παρατήρηση της κίνησης της ύλης καθώς θα πλησιάζει έναν ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Το Constellation-X, επίσης, θα αποκαλύψει κατά εντυπωσιακό τρόπο πώς οι μαύρες τρύπες, που δεν έχουν καμία επιφάνεια, μπορούν να περιστρέφονται σαν ένας ανεμοστρόβιλος στο διάστημα, σέρνοντας το σκελετό - τη δομή - του διαστήματος (το χωρόχρονο) μαζί του.