Γιατί βρισκόμαστε «στο τέλος της αρχής μιας επιστημονικής επανάστασης»

Ήταν Δευτέρα 14 Σεπτεμβρίου 2015, όταν τα δύο τεράστια συμβολόμετρα του Παρατηρητηρίου LIGO στη Λουιζιάνα και την Ουάσινγκτον παρατήρησαν κάτι συγκλονιστικό: ένα βαρυτικό κύμα, που πέρασε μέσα από τη Γη, κάνοντάς την ολόκληρη να ταλαντωθεί ανεπαίσθητα, αλλά αναμφισβήτητα.

Πάνω από έναν αιώνα από τη θεωρητική διατύπωση του φαινομένου των βαρυτικών κυμάτων από τον Αϊνστάιν και μόλις εννιά χρόνια μετά την απόδειξή του, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) ανακοίνωσε ότι δρομολογείται η πρωτοποριακή αποστολή LISA, σε συνεργασία με τη NASA, η πρώτη επιστημονική προσπάθεια ανίχνευσης και μελέτης βαρυτικών κυμάτων από το Διάστημα. Στο πρόγραμμα και στην επίλυση των σημαντικών προκλήσεων που το LISA περιλαμβάνει, συμμετέχει και το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών.

Το LISA θα αποτελείται από τρία διαστημικά σκάφη που θα απέχουν μεταξύ τους 2,5 εκατομμύρια χιλιόμετρα και θα ακολουθούν τη Γη στην τροχιά της γύρω από τον Ήλιο, σχηματίζοντας ένα σταθερό, ισόπλευρο τρίγωνο. Τα τρία σκάφη θα ανταλλάσσουν ακτίνες λέιζερ δημιουργώντας ένα τεράστιο συμβολόμετρο ικανό να ανιχνεύει βαρυτικά κύματα από πλήθος πηγών.

Οι εργασίες κατασκευής θα αρχίσουν τον Ιανουάριο του 2025 και απαιτούν σημαντικές τεχνολογικές καινοτομίες σε όλα τα επίπεδα, ενώ η εκτόξευση προγραμματίζεται για το 2037. Στην κοινοπραξία συμμετέχουν από την Ελλάδα το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών, καθώς και το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, το Εθνικό Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, το Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας, το Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, το Πανεπιστήμιο Πατρών και το Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης.

«Όλο το πρόγραμμα έχει μια σειρά από τεχνικές δυσκολίες, από το να στείλεις αυτά τα σκάφη στο Διάστημα, να μείνουν σε σταθερή απόσταση μεταξύ τους με ακρίβεια εκατομμυριοστού του εκατομμυριοστού του μέτρου και να περιφέρονται με ακρίβεια γύρω από τον Ήλιο μέχρι το πώς θα παίρνουμε στη Γη με ακτίνες λέιζερ χιλιάδες terabytes πληροφορίας», εξηγεί στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο κύριος ερευνητής του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, διδάκτορας Πυρηνικής Φυσικής του ΕΚΠΑ, Μάνος Σαριδάκης.

Σε όλο αυτό το απαιτητικό εγχείρημα το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών θα συμμετέχει στον τομέα της θεωρίας, προκειμένου να διερευνηθεί πώς θα λειτουργούν τα διαστημικά σκάφη στο Διάστημα, στην επεξεργασία των δεδομένων που θα στέλνονται, με αξιοποίηση της τεχνητής νοημοσύνης, καθώς και στη βαθμονόμηση των διαστημικών συσκευών.

Το πρόγραμμα LISA βρίσκεται ήδη στο στάδιο των δοκιμών, όπου και εκεί οι ερευνητές αντιμετωπίζουν προκλήσεις, με κυριότερη και πάλι τη μεταφορά και επεξεργασία του τεράστιου όγκου των δεδομένων.

Πρόκειται για τον τομέα της οπτικής επικοινωνίας (optical communication), δηλαδή της μεταφοράς δεδομένων με λέιζερ, προκειμένου να μεταδίδονται πολλά terabytes πληροφορίας την ώρα. Στον τομέα αυτό το Αστεροσκοπείο του Χελμού έχει επιλεγεί να είναι ένα από τα τρία τηλεσκόπια στην Ευρώπη (τα άλλα δύο στα Κανάρια Νησιά και στην Πολωνία) που θα κάνει τις πρώτες δοκιμές downlink (δηλαδή μεταφοράς πληροφορίας από το Διάστημα στη Γη).

Τα βαρυτικά κύματα και το «Σύμπαν»

Τι είναι όμως τα βαρυτικά κύματα; Πρόκειται για ταλαντώσεις (κύματα) του ίδιου του χώρου και του χρόνου. Όπως εξηγεί ο κ. Σαριδάκης, «εάν κάνω μια ασύμμετρη κίνηση, παράγω βαρυτικά κύματα, αλλά αυτά είναι ασύλληπτα μικρά. Για να τα δούμε πρέπει να έχουμε τεράστια σώματα και αυτά είναι οι μαύρες τρύπες και δευτερευόντως οι αστέρες νετρονίων. Όταν λοιπόν έχουμε δύο μαύρες τρύπες, που περιφέρεται η μία γύρω από την άλλη, στα τελευταία στάδια της συγχώνευσής τους παράγεται ένα βαρυτικό κύμα, που ταξιδεύει σε όλο το σύμπαν και φτάνει στη Γη».

Ο κ. Σαριδάκης χαρακτηρίζει την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, αλλά και τα πειράματα εντοπισμού τους «επαναστατικά». «Μέχρι τώρα ό,τι παρατήρηση κάναμε, στο οπτικό, δηλαδή βλέποντας με τα μάτια μας, με τις ακτίνες Χ ή τις υπέρυθρες, βασιζόταν στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι πολύ ισχυρότερα από τα βαρυτικά, γι’ αυτό και τα καταλαβαίνουμε στην καθημερινή μας ζωή. Πλέον, όμως, θα λαμβάνουμε από το σύμπαν και βαρυτική πληροφορία, βαρυτική ακτινοβολία. Θα βλέπουμε δηλαδή τα ίδια πράγματα από μια τελείως διαφορετική οπτική γωνία», αναφέρει.

Ακόμα πιο σπουδαίο είναι το γεγονός ότι «με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, δηλαδή με το φως, αν πάμε πίσω στο χρόνο, υπάρχει ένα πέπλο που δεν μπορούμε “δούμε” πριν από αυτό, περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Γιατί πιο πίσω το σύμπαν δεν ήταν διαφανές, δεν μπορούσαν να κυκλοφορήσουν ελεύθερα τα φωτόνια. Τα βαρυτικά κύματα, όμως, δεν έχουν αυτό τον περιορισμό, άρα μπορούμε θεωρητικά να δούμε βαρυτικά κύματα ακριβώς από τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτά λέγονται αρχέγονα βαρυτικά κύματα (primordial) και ευελπιστούμε με το LISA να τα πιάσουμε και να “αγγίξουμε” πραγματικά τη Μεγάλη Έκρηξη».

Τα βαρυτικά κύματα ανιχνεύονται ήδη με τα επίγεια τηλεσκόπια, ωστόσο το πρόγραμμα LISA που είναι το εγχείρημα της ESA και της NASA, μαζί με το πρόγραμμα Taiji που ετοιμάζει η Κίνα για εκτόξευση το 2034, θα είναι τα δύο πρώτα προγράμματα που θα επιχειρήσουν την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από το Διάστημα.

Τα βαρυτικά κύματα είναι ένα από τα θέματα, με τα οποία καταπιάνεται ο Μάνος Σαριδάκης στο βιβλίο του «Το Σύμπαν», που κυκλοφόρησε πρόσφατα, στο πλαίσιο της σειράς «Μικρές Εισαγωγές» των εκδόσεων Παπαδόπουλος.

Στις 120 σελίδες του βιβλίου, ο συγγραφέας επιχειρεί μια σύνοψη όλων των σημαντικών γνώσεων γύρω από το σύμπαν, απαντώντας σε ερωτήσεις που απασχολούν την παγκόσμια επιστήμη και την ανθρωπότητα σήμερα. Τι έγινε πριν τη Μεγάλη Έκρηξη; Πόσο μεγάλο και πόσο «παλιό» είναι το σύμπαν; Διαστέλλεται, και τι υπάρχει πέρα από αυτό; Πώς γεννιέται ένα αστέρι και τι είναι οι μαύρες τρύπες, η σκοτεινή ενέργεια και τα πάλσαρ;

«Η αστροφυσική και η κοσμολογία θα είναι οι επιστήμες του 21ου αιώνα», εξηγεί ο κ. Σαριδάκης στο ΑΠΕ-ΜΠΕ. «Αυτό που προσπάθησα να κάνω στο βιβλίο είναι ένα update των γνώσεων που κυκλοφορούσαν στους τομείς αυτούς, με βάση τις σύγχρονες εξελίξεις που είναι πραγματικά επαναστατικές. Ξέρουμε σήμερα πράγματα που δεν τα ξέραμε δέκα χρόνια πριν, πολύ περισσότερο 20 χρόνια πριν. Ήθελα να τα γράψω με έναν εύληπτο τρόπο για το ευρύ κοινό, γιατί πρέπει να γυρνάει πίσω η γνώση στον κόσμο», λέει και υπενθυμίζει ότι η εξέλιξη της αστροφυσικής και της κοσμολογίας «θα έχουν αντίκτυπο στην εξέλιξη της τεχνολογίας και άρα στην καθημερινότητα των πολιτών».

Και όπως γράφει στο τελευταίο κεφάλαιο του βιβλίου του, όλα τα νέα δεδομένα συνηγορούν ότι μια ριζική εμβάθυνση των γνώσεών μας είναι προ των πυλών. «Δεν ξέρουμε τι θα προκύψει τελικά, αν θα είναι νέα σωματίδια, νέες αλληλεπιδράσεις, επιπλέον χωρικές διαστάσεις, αν θα πάμε προς μια νέα βαθύτερη και συνθετότερη θεωρία για τη βαρύτητα ή κάτι άλλο. Σε κάθε περίπτωση, φαίνεται ότι κάτι ψήνεται, κάτι ακουμπάμε». Ο συγγραφέας εκτιμά ότι «από αυτά προκύπτει ότι δεν είμαστε στο τέλος. Δεν είμαστε ούτε στην αρχή του τέλους. Αλλά σίγουρα βρισκόμαστε στο τέλος της αρχής της διαδικασίας μιας επιστημονικής επανάστασης».

Σημειώνεται ότι ο Μάνος Σαριδάκης έχει εργαστεί στο παρελθόν ως μεταδιδακτορικός ερευνητής, επίκουρος καθηγητής και επισκέπτης καθηγητής στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, στη Γαλλία (Saclay και IAP), στις ΗΠΑ (Baylor U.), στη Χιλή (PUCV), και στην Κίνα (Tsing Hua και USTC). Έχει δημοσιεύσει περισσότερες από 280 ερευνητικές εργασίες σε διεθνή περιοδικά, έχει συγγράψει πέντε βιβλία και βρίσκεται στις ανώτατες θέσεις της διεθνούς κατάταξης του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ με τους πιο επιδραστικούς επιστήμονες παγκοσμίως για το 2023.