Ο συντριπτικός όγκος των πληροφοριών που συλλέγουν τα επίγεια και τα διαστημικά μας τηλεσκόπια για το Σύμπαν και τα αναρίθμητα ουράνια σώματα που εμπεριέχει, διαδίδεται και είναι κωδικοποιημένος με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Θα ήταν άραγε ποτέ δυνατό να «δούμε» το Σύμπαν με άλλα «μάτια» και να συλλέξουμε πληροφορίες, οι οποίες δεν μεταδίδονται με τη μορφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας; Θεωρητικά, τουλάχιστον, ναι. Η συναρπαστική αυτή πιθανότητα οφείλεται, όπως άλλωστε και τόσες άλλες, στην ιδιοφυΐα του Αϊνστάιν και πρόκειται για τα βαρυτικά κύματα. Ο Αϊνστάιν, έχοντας μεταβάλει ριζικά την αντίληψή μας για τον χώρο και τον χρόνο, την ύλη και την ενέργεια ήδη από το 1905, όταν δημοσίευσε την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, περίπου 10 χρόνια αργότερα αναμόρφωσε πλήρως και την εικόνα μας για τη βαρύτητα.

Και πραγματικά, με τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, ο Αϊνστάιν έδωσε το έναυσμα για μια επιστημονική επανάσταση, ο απόηχος της οποίας κρατά μέχρι σήμερα. Μέσα σε αυτό το νέο θεωρητικό πλαίσιο, ο χώρος και ο χρόνος παύουν πλέον να είναι εκείνες οι απόλυτες και «άκαμπτες» δομές της κλασικής, νευτώνειας φυσικής, μέσα στις οποίες υλοποιούνται, ανεπηρέαστα απ’ αυτές, τα φυσικά φαινόμενα, και η βαρύτητα παύει να είναι απλά αυτή η μυστηριώδης δύναμη που έλκει ένα σώμα, δρώντας ακαριαία από απόσταση. Αντίθετα, μέσα από μια σειρά πολύπλοκων και ιδιαίτερα δύσκολων στην επίλυσή τους εξισώσεων, ο Αϊνστάιν θα περιγράψει τη βαρύτητα ως τη στρέβλωση που προκαλεί η παρουσία της ύλης στη δομή του τετραδιάστατου χωροχρόνου.

Και ο χωροχρόνος, δυναμικός πλέον και όχι απόλυτος, καθορίζει με τη σειρά του την τροχιά κάθε αντικειμένου, που κινείται εντός του, από αυτόν ακριβώς τον βαθμό της καμπύλωσής του. Όπως το έθεσε αρκετά χρόνια αργότερα ο φυσικός John Wheeler, «η ύλη υπαγορεύει στον χωροχρόνο πώς θα καμπυλωθεί και ο βαθμός καμπύλωσης του χωροχρόνου υπαγορεύει στην ύλη πώς θα κινηθεί».

Πολλές από τις θεμελιώδεις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, από τη μετάπτωση του περιηλίου του Ερμή στην καμπύλωση του φωτός και από την ύπαρξη των μαύρων τρυπών στη διαστολή του Σύμπαντος, έχουν ήδη επιβεβαιωθεί. Ωστόσο, μία ακόμη από αυτές, στην οποία κατέληξε ο ίδιος ο Αϊνστάιν ελάχιστους μήνες μετά τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, εξακολουθεί να αντιστέκεται στις προσπάθειες των επιστημόνων να την επιβεβαιώσουν. Η πρόβλεψη αυτή δεν είναι άλλη από την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων.




Τα βαρυτικά κύματα είναι διαταραχές ή διακυμάνσεις στον ίδιο τον ιστό του χωροχρόνου, οι οποίες διαδίδονται κατά τρόπο ανάλογο περίπου με τους κυματισμούς που δημιουργούνται όταν πετάξουμε ένα βότσαλο μέσα σε μια λίμνη. Σχεδόν κάθε μεταβολή στην κινητική κατάσταση ενός σώματος (εκτός από την περίπτωση που η μεταβολή αυτή είναι σφαιρικά συμμετρική, όπως κατά την σφαιρικά συμμετρική κατάρρευση ενός άστρου), αφήνει το «αποτύπωμά» της στον χωροχρόνο με τη μορφή ενός βαρυτικού κύματος, το οποίο απομακρύνεται από την «πηγή» του με την ταχύτητα του φωτός. Κάθε βαρυτικό κύμα, κατά τη διάδοσή του, μεταβάλλει με συγκεκριμένο και ρυθμικό τρόπο (επιμήκυνση σε μία διεύθυνση και συρρίκνωση κατά την κάθετη διεύθυνση) τις αποστάσεις μεταξύ των ελεύθερων σωμάτων, σε ένα επίπεδο κάθετο στη διεύθυνση διάδοσής του.

Προκειμένου να οπτικοποιήσουμε όσο είναι δυνατόν αυτές τις ταλαντώσεις της ύλης που προκαλούνται από τα βαρυτικά κύματα, ας υποθέσουμε αρχικά ότι παρατηρούμε από το πλάι ένα πλοίο που βρίσκεται στη θάλασσα και ότι μία σειρά από κύματα το προσεγγίζουν επίσης από το πλάι. Καθώς η κορυφή ενός θαλάσσιου κύματος διέρχεται κάτω από το πλοίο, παρατηρούμε ότι το πλοίο «ανεβαίνει» σε ένα μέγιστο ύψος και στη συνέχεια «κατεβαίνει», για να καταλήξει σε ένα ελάχιστο ύψος, όταν ακριβώς από κάτω του βρίσκεται η «κοιλάδα» του κύματος κ.ο.κ.. Σε κάθε περίπτωση, όμως, οι διαστάσεις του πλοίου παραμένουν αμετάβλητες. Εάν, όμως, σε αυτό το «νοητικό» μας πείραμα αντικαθιστούσαμε τα κύματα της θάλασσας με τα βαρυτικά κύματα, θα βλέπαμε κάτι εντελώς διαφορετικό. Όταν, για παράδειγμα, η «κορυφή» του βαρυτικού κύματος διερχόταν από το πλοίο, θα το «ξεχείλωνε», προκαλώντας διαστολή στο μήκος του και ταυτόχρονη συρρίκνωση στο ύψος του. Στη συνέχεια, όταν η «κοιλάδα» του βαρυτικού κύματος διερχόταν από το πλοίο, θα προκαλούσε την αντίθετη μεταβολή, δηλαδή συρρίκνωση στο μήκος του και επιμήκυνση στο ύψος του. Με δυο λόγια, εκείνες οι διαστάσεις του πλοίου, οι οποίες είναι κατακόρυφες στη διεύθυνση διάδοσης του βαρυτικού κύματος, θα μεταβάλλονταν περιοδικά.




Καθώς ένα βαρυτικό κύμα διαδίδεται στον χωροχρονικό ιστό του Σύμπαντος, όσο περισσότερο απομακρύνεται από τη φυσική αιτία που το δημιούργησε, τόσο περισσότερο εξασθενεί και τόσο περισσότερο ελαχιστοποιούνται οι ταλαντώσεις που προκαλεί στην ύλη. Αυτή η αλληλεπίδραση των βαρυτικών κυμάτων με την ύλη είναι μάλιστα τόσο αμελητέα, που εάν κάποιο βαρυτικό κύμα, προερχόμενο από έναν γειτονικό μας γαλαξία, διερχόταν από το Ηλιακό μας σύστημα, θα μετέβαλλε τη μέση απόσταση της Γης από τον Ήλιο κατά απόσταση μικρότερη από τη διάμετρο ενός ατόμου. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει και πόσο δύσκολο είναι να ανιχνευθούν στην πράξη τα βαρυτικά κύματα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα φαινομένων που, όπως πιστεύουν οι επιστήμονες, είναι δυνατό να δημιουργήσουν βαρυτικά κύματα ικανά να προκαλέσουν μετρήσιμες ταλαντώσεις στην ύλη, αποτελούν και τα διπλά συστήματα άστρων νετρονίων, οι εκρήξεις υπερκαινοφανών που δεν είναι σφαιρικά συμμετρικές, οι συγκρούσεις μεταξύ αστέρων νετρονίων και οι συγχωνεύσεις γιγάντιων μαύρων τρυπών στους γαλαξιακούς πυρήνες.

Παρόλο που τα βαρυτικά κύματα δεν έχουν ανιχνευθεί μέχρι σήμερα, υπάρχουν ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξή τους. Η ισχυρότερη, ίσως, απ’ αυτές προέκυψε το 1974 με την ανακάλυψη ενός παράξενου αστρικού συστήματος από τους Αμερικανούς αστροφυσικούς Russel Hulse και Joseph Taylor, οι οποίοι για την ανακάλυψή τους αυτή τιμήθηκαν το 1993 με το Νόμπελ Φυσικής. Με τη βοήθεια του γιγάντιου ραδιοτηλεσκοπίου Arecibo στο Πόρτο Ρίκο,  οι δύο επιστήμονες διαπίστωσαν ότι το σύστημα αυτό, 20.000 έτη φωτός μακριά από τη Γη, στον Αστερισμό Αετός, αποτελείται από έναν πάλσαρ καθώς και από έναν ακόμη αστέρα, ο οποίος εικάζεται ότι είναι αστέρας νετρονίων. Οι αστέρες νετρονίων είναι τα αστρικά λείψανα, τα οποία «επιβιώνουν» του εκρηκτικού διαμελισμού άστρων με μάζα πολλαπλάσια απ’ αυτήν του Ήλιου, κατά τη διάρκεια εκρήξεων σουπερνόβα. Οι πάλσαρ, από την άλλη, είναι ταχύτατα περιστρεφόμενοι αστέρες νετρονίων με πανίσχυρο μαγνητικό πεδίο, οι οποίοι εκπέμπουν από τους μαγνητικούς τους πόλους στενές δέσμες ακτινοβολίας. Καθώς ένας πάλσαρ περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό του, οι δύο κώνοι ακτινοβολίας που εκπέμπει, «σαρώνουν» το Διάστημα, ακριβώς όπως και το περιστρεφόμενο «μάτι» ενός φάρου. Εάν η ακτινοβολία αυτή «τυχαίνει» να σαρώνει στο πέρασμά της τη Γη, την αντιλαμβανόμαστε ως μια παλλόμενη πηγή ακτινοβολίας που αναβοσβήνει, δηλαδή ως ένα παλλόμενο αστέρι (pulsating star, pulsar).



Ο πάλσαρ των Hulse-Taylor, όπως είναι σήμερα γνωστός, έδωσε στους επιστήμονες ένα μοναδικό «εργαστήριο», με τη βοήθεια του οποίου μπορούσαν να ελέγξουν συγκεκριμένες προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Η συστηματική του παρακολούθηση τα χρόνια που ακολούθησαν, οδήγησε τους αστρονόμους στο συμπέρασμα ότι τα δύο αυτά ουράνια σώματα περιστρέφονται με όλο και μεγαλύτερη ταχύτητα το ένα γύρω από το άλλο, καθώς αργά αλλά σταθερά η μέση απόστασή τους μειώνεται, έτσι ώστε υπολογίζεται ότι τελικά θα συγκρουστούν σε περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια. Γιατί όμως συμβαίνει αυτό; Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, όταν ένα διπλό αστρικό σύστημα εκπέμπει βαρυτικά κύματα, αποβάλλει ενέργεια, με αποτέλεσμα η τροχιά του να συρρικνώνεται και κατά συνέπεια η περίοδός της να μειώνεται. Οι μεταβολές αυτές, αν και ελάχιστες, έχουν ήδη μετρηθεί και αντιστοιχούν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, γεγονός που αποτελεί μια ισχυρή, αλλά παρόλ’ αυτά έμμεση ένδειξη ότι τα βαρυτικά κύματα που προέβλεψε ο Αϊνστάιν όντως υπάρχουν. Πιο πρόσφατα, η ανακάλυψη του πρώτου διπλού πάλσαρ, του πρώτου δηλαδή διπλού αστρικού συστήματος που αποτελείται από δύο πάλσαρ, έχει δώσει την ευκαιρία στους αστρονόμους να ελέγξουν τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας με περισσότερη ακρίβεια από ποτέ. Αυτό το μοναδικό διπλό σύστημα πάλσαρ ανακαλύφθηκε το 2003 σε απόσταση μόλις 2.000 ετών φωτός μακριά, προς την κατεύθυνση του Αστερισμού Πρύμνη. Σύμφωνα με τις έως τώρα παρατηρήσεις, η τροχιά του συστήματος συρρικνώνεται κατά 7 χιλιοστά τον χρόνο, ακριβώς όπως προβλέπει και η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.


Οι προσπάθειες των αστρονόμων για την απευθείας ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων έχουν ήδη αρχίσει. Γιγάντιοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, όπως ο γαλλοϊταλικός VIRGO και ο αμερικανικός LIGO, έχουν ήδη τεθεί σε λειτουργία, ενώ μια από τις βασικές προτεραιότητες της ESA (Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία) και της NASA, τουλάχιστον μέχρι πρόσφατα, ήταν να μεταφερθεί η αναζήτηση των βαρυτικών κυμάτων και στο διάστημα, με την υλοποίηση της διαστημικής αποστολής LISA. Η LISA θα προσπαθούσε να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα, καταγράφοντας συστηματικά και με μεγάλη ακρίβεια την απόσταση μεταξύ τριών πανομοιότυπων διαστημοσυσκευών, τοποθετημένων σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο, με τρόπο που να σχηματίζουν ένα ισόπλευρο τρίγωνο πλευράς 5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων. Οι τεχνολογικές προκλήσεις του συγκεκριμένου εγχειρήματος είναι πολύ μεγάλες, ενώ με δεδομένη τη διεθνή οικονομική συγκυρία, η μελλοντική υλοποίηση αυτού του προγράμματος είναι τουλάχιστον αβέβαιη, καθώς η NASA δήλωσε ότι αποσύρεται απ’ τη χρηματοδότησή του, γεγονός που εξανάγκασε και την ESA να ξεκινήσει τη μελέτη υλοποίησης ενός οικονομικότερου διαστημικού προγράμματος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων.
Εάν, όμως, δούμε την εξελικτική πορεία που ακολούθησε η Παρατηρησιακή Αστρονομία από το 1609, τη χρονιά δηλαδή που ο Γαλιλαίος έστρεφε για πρώτη φορά το τηλεσκόπιό του προς τον έναστρο ουρανό, μέχρι σήμερα, που τα επίγεια και διαστημικά μας τηλεσκόπια μπορούν και ανιχνεύουν ολόκληρο το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, θα διαπιστώσουμε κάτι εξαιρετικά ενδιαφέρον. Θα παρατηρήσουμε ότι κάθε φορά που άνοιγε για τους αστρονόμους ένα νέο ηλεκτρομαγνητικό παράθυρο στο Σύμπαν, εκτός από τη διεύρυνση των γνώσεων που τους προσέφερε για ήδη γνωστά αστρονομικά αντικείμενα και φαινόμενα, συχνά οδηγούσε και στην ανακάλυψη νέων και απροσδόκητων αστρονομικών αντικειμένων και φαινομένων. Εδώ έγκειται και η τεράστια σημασία της ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων, αφού, εκτός από μία ακόμη πανηγυρική επιβεβαίωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, θα ανοίξει ένα ακόμη παράθυρο στο Σύμπαν, επιτρέποντας έτσι στους αστρονόμους να συλλέξουν πληροφορίες για φαινόμενα που η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αδυνατεί να μας μεταφέρει. Πολύ περισσότερο, η κατασκευή ενός ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων θα τους επέτρεπε να μελετήσουν το πολύ νεαρό Σύμπαν, που από τη φύση του είναι αδιαφανές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Δεδομένων των παραπάνω, η απογοήτευση και οργή των επιστημόνων για την υποβάθμιση του προγράμματος LISA είναι κατανοητή. Όπως και να ΄χει, πάντως, η εποχή της Αστρονομίας των Βαρυτικών Κυμάτων έχει ήδη ανατείλει. Και ανεξάρτητα από τα όποια εμπόδια, θα οδηγήσει την επιστημονική έρευνα σε νέα, ανεξερεύνητα ακόμη, μονοπάτια. Γιατί, παραφράζοντας τον Άμλετ του Σαίξπηρ, «υπάρχουν πολλά περισσότερα πράγματα στον ουρανό και τη Γη, απ’ όσα μπορούμε να φανταστούμε».

Η Αστρονομία Βαρυτικών Κυμάτων θα μας δώσει τη δυνατότητα να δούμε μια μέχρι σήμερα αόρατη πλευρά του Σύμπαντός μας, που ίσως κρύβει και μυστικά τα οποία ούτε καν έχουμε φανταστεί.