2021-01-14 18:54:35
του Αλέξη Δεληβοριά, Διδάκτορα Φυσικής
Σύμφωνα με την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ), το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που προσπαθεί να διαφύγει από ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο «ξεχειλώνει», δηλαδή μετατοπίζεται προς την ερυθρή περιοχή του φάσματος. Ένας τρόπος να δούμε γιατί συμβαίνει αυτό είναι και ο ακόλουθος. Τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, στην προσπάθειά τους να «σκαρφαλώσουν» έξω από το βαθύ «βαρυτικό πηγάδι» στο οποίο βρίσκονται, πρέπει να καταναλώσουν ενέργεια για να διαφύγουν. Επειδή, όμως, τα φωτόνια ταξιδεύουν πάντα με την ταχύτητα του φωτός στο κενό, αυτή η απώλεια ενέργειας δεν «μεταφράζεται» σε μείωση της ταχύτητάς τους, αλλά σε μείωση της συχνότητας ή ισοδύναμα σε αύξηση του μήκους κύματος που τους αντιστοιχεί, δηλαδή σε μετατόπισή του προς το ερυθρό.
Αυτό το φαινόμενο της βαρυτικής ερυθρομετατόπισης παρατηρήθηκε με την βοήθεια του διαστημικού τηλεσκοπίου ακτίνων Χ Chandra σε ένα διπλό αστρικό σύστημα περίπου 29.000 έτη φωτός μακριά
. Το κύριο άστρο του συστήματος είναι ένας αστέρας νετρονίων, δηλαδή το υπέρπυκνο λείψανο ενός γιγάντιου άστρου που εξάντλησε τα πυρηνικά του «καύσιμα» και ολοκλήρωσε την ζωή του ως σουπερνόβα, ενώ το άστρο-συνοδός του είναι ο πυρήνας ενός άστρου που έχει απωλέσει τις εξωτερικές του στοιβάδες. Η απόσταση μεταξύ των δύο άστρων είναι παρόμοια με αυτήν της Γης από την Σελήνη. Σε αντίθεση, όμως, με την Σελήνη, που συμπληρώνει μία τροχιά γύρω από την Γη σε περίπου έναν μήνα, ο αστρικός συνοδός του αστέρα νετρονίων συμπληρώνει μία τροχιά γύρω του σε μόλις 50 λεπτά.
Στην σχετική μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 10 Αυγούστου 2020 στο επιστημονικό περιοδικό The Astrophysical Journal Letter, ομάδα αστρονόμων ανέλυσε δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου Chandra, που αφορούσαν στις γραμμές απορρόφησης σιδήρου και πυριτίου.
Σε γενικές γραμμές, μπορούμε με έναν φασματογράφο να αναλύσουμε το φως ενός άστρου στο φάσμα του, δηλαδή στα συστατικά του χρώματα, καθένα απ’ τα οποία έχει διαφορετικό μήκος κύματος. Επειδή, όμως, οι εξωτερικές στιβάδες του άστρου απορροφούν συγκεκριμένα μήκη κύματος από την ακτινοβολία του (ανάλογα με τα χημικά στοιχεία που εμπεριέχουν), το φάσμα του περιλαμβάνει και κάποιες σκοτεινές γραμμές, οι οποίες ονομάζονται γραμμές απορρόφησης. Οι γραμμές αυτές είναι χαρακτηριστικές για κάθε χημικό στοιχείο, αποτελούν δηλαδή το «δακτυλικό αποτύπωμα» ή την «υπογραφή» του στοιχείου αυτού.
Σε τρεις διαφορετικές παρατηρήσεις με το Chandra, λοιπόν, τα δεδομένα κατέγραψαν μία απότομη μείωση στο ποσοστό των ακτίνων Χ, με μήκη κύματος που αντιστοιχούν στις γραμμές απορρόφησης του σιδήρου και του πυριτίου. Επιπλέον, όμως, βρέθηκε ότι αυτές οι χαρακτηριστικές «υπογραφές» ήταν μετατοπισμένες σε μεγαλύτερα μήκη κύματος σε σχέση με τις γραμμές απορρόφησης που δίνουν τα στοιχεία αυτά στο εργαστήριο, και μάλιστα η μετατόπιση αυτή ήταν η ίδια για κάθε μία από τις τρεις παρατηρήσεις του Chandra.
Συνήθως, μία τέτοια μετατόπιση οφείλεται στο φαινόμενο Doppler, δηλαδή στην παρατηρούμενη μεταβολή στο μήκος κύματος της ακτινοβολίας του άστρου, που προκαλείται από την σχετική του κίνηση[1]. Όταν, δηλαδή, ένα άστρο απομακρύνεται από εμάς κατά μήκος της ευθείας στην οποία το παρατηρούμε, το «μοτίβο» των φασματικών του γραμμών μετατοπίζεται προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Επειδή στο ορατό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος τα μεγαλύτερα μήκη κύματος αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώμα, λέμε τότε ότι το φως του άστρου έχει μετατοπιστεί προς το ερυθρό. Όταν, αντιθέτως, μας πλησιάζει, το φως του μετατοπίζεται προς το κυανό.
Σε αυτή την περίπτωση, όμως, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η μετατόπιση που είχαν ανιχνεύσει, ήταν πολύ μεγάλη για να οφείλεται στο φαινόμενο Doppler, γι’ αυτό και κατέληξαν ότι οφείλεται στο φαινόμενο της βαρυτικής ερυθρομετατόπισης. Οι επιστήμονες πιθανολογούν ότι οι ακτίνες Χ απορροφήθηκαν από την ατμόσφαιρα που περιβάλλει τον δίσκο θερμών αερίων που έλκει ο αστέρας νετρονίων από τον συνοδό του.
Πώς σχετίζονται, όμως, όλα αυτά με το GPS; Σύμφωνα με την ΓΘΣ, ο χρόνος «τρέχει» πιο αργά κοντά σε ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο. Επομένως, ένας παρατηρητής στην επιφάνεια της Γης (όπου το βαρυτικό της πεδίο είναι ισχυρότερο) βλέπει ότι ο χρόνος για έναν δεύτερο παρατηρητή που βρίσκεται σε έναν δορυφόρο τρέχει πιο γρήγορα. Αντιθέτως, ο παρατηρητής στον δορυφόρο (όπου το βαρυτικό πεδίο της Γης είναι ασθενέστερο), βλέπει ότι το ρολόι του παρατηρητή που βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης τρέχει πιο αργά. Υπενθυμίζουμε εδώ ότι η χαμηλότερη ενέργεια και συχνότητα των φωτονίων που προσπαθούν να βγουν από την επίδραση ενός ισχυρού βαρυτικού πεδίου συνεπάγονται την μετατόπιση του μήκους κύματος που τους αντιστοιχεί (αλλά και των γραμμών απορρόφησης σιδήρου και πυριτίου στην περίπτωση που εξετάζουμε) προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Την ίδια στιγμή, όμως, επειδή η μέτρηση της συχνότητας του φωτός μπορεί να θεωρηθεί ότι ισοδυναμεί με μέτρηση χρονικού διαστήματος, η βαρυτική ερυθρομετατόπιση συνεπάγεται και βαρυτική διαστολή του χρόνου.
Εάν οι εταιρείες που κατασκευάζουν τα GPS δεν λάμβαναν υπόψη τους αυτό το σχετικιστικό φαινόμενο της βαρυτικής διαστολής του χρόνου, ο προσδιορισμός της θέσης ενός οχήματος έπειτα από δύο μόλις λεπτά θα ήταν λανθασμένος, ενώ τα σφάλματα θα συνέχιζαν να συσσωρεύονται, καθιστώντας το όλο σύστημα πλοήγησης άχρηστο.
Μέχρι τώρα, η βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό έχει κυρίως επαληθευθεί με πειράματα στην Γη, αλλά και με αστρονομικές παρατηρήσεις διπλών αστρικών συστημάτων. Το 2011 επαληθεύθηκε και με μία ακόμη μελέτη, βασισμένη στην ανάλυση δεδομένων από 8.000 γαλαξιακά σμήνη, σύμφωνα με την οποία το φως που προέρχεται από τις κεντρικές περιοχές αυτών των σμηνών, όπου η βαρυτική έλξη είναι μεγαλύτερη, ήταν περισσότερο μετατοπισμένο προς το ερυθρό σε σχέση με το φως που προερχόταν από τις παρυφές τους. Το 2019, τέλος, η βαρυτική ερυθρομετατόπιση παρατηρήθηκε και στην ακτινοβολία του άστρου S0-2 που περιφέρεται γύρω από την γιγάντια μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας.
Η μελέτη που παρουσιάσαμε εδώ, ωστόσο, προσφέρει την πρώτη ισχυρή ένδειξη βαρυτικής ερυθρομετατόπισης σε διπλά συστήματα άστρων, το ένα εκ των οποίων είναι αστέρας νετρονίων.
Πηγή: Chandra :: Photo Album :: 4U 1916-53 :: October 22, 2020 (si.edu)
Φωτογραφία: Καλλιτεχνική απεικόνιση του αστρικού συστήματος της σχετικής μελέτης, όπου ο αστέρας νετρονίων (γκρι) βρίσκεται στο κέντρο ενός δίσκου θερμών αερίων που έλκει από το άστρο-συνοδό του (το λευκό άστρο στα αριστερά).
NASA/CXC/M. Weiss
[1] Ένα τρίτο είδος μετατόπισης προς το ερυθρό σχετίζεται με την απομάκρυνση των γαλαξιών μεταξύ τους. Η απομάκρυνση αυτή, ωστόσο, δεν οφείλεται στην κίνηση των γαλαξιών μέσα στον χώρο, αλλά στην διαστολή του ίδιου του χώρου.
tinanantsou.blogspot.gr
Σύμφωνα με την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ), το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που προσπαθεί να διαφύγει από ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο «ξεχειλώνει», δηλαδή μετατοπίζεται προς την ερυθρή περιοχή του φάσματος. Ένας τρόπος να δούμε γιατί συμβαίνει αυτό είναι και ο ακόλουθος. Τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, στην προσπάθειά τους να «σκαρφαλώσουν» έξω από το βαθύ «βαρυτικό πηγάδι» στο οποίο βρίσκονται, πρέπει να καταναλώσουν ενέργεια για να διαφύγουν. Επειδή, όμως, τα φωτόνια ταξιδεύουν πάντα με την ταχύτητα του φωτός στο κενό, αυτή η απώλεια ενέργειας δεν «μεταφράζεται» σε μείωση της ταχύτητάς τους, αλλά σε μείωση της συχνότητας ή ισοδύναμα σε αύξηση του μήκους κύματος που τους αντιστοιχεί, δηλαδή σε μετατόπισή του προς το ερυθρό.
Αυτό το φαινόμενο της βαρυτικής ερυθρομετατόπισης παρατηρήθηκε με την βοήθεια του διαστημικού τηλεσκοπίου ακτίνων Χ Chandra σε ένα διπλό αστρικό σύστημα περίπου 29.000 έτη φωτός μακριά
Στην σχετική μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 10 Αυγούστου 2020 στο επιστημονικό περιοδικό The Astrophysical Journal Letter, ομάδα αστρονόμων ανέλυσε δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου Chandra, που αφορούσαν στις γραμμές απορρόφησης σιδήρου και πυριτίου.
Σε γενικές γραμμές, μπορούμε με έναν φασματογράφο να αναλύσουμε το φως ενός άστρου στο φάσμα του, δηλαδή στα συστατικά του χρώματα, καθένα απ’ τα οποία έχει διαφορετικό μήκος κύματος. Επειδή, όμως, οι εξωτερικές στιβάδες του άστρου απορροφούν συγκεκριμένα μήκη κύματος από την ακτινοβολία του (ανάλογα με τα χημικά στοιχεία που εμπεριέχουν), το φάσμα του περιλαμβάνει και κάποιες σκοτεινές γραμμές, οι οποίες ονομάζονται γραμμές απορρόφησης. Οι γραμμές αυτές είναι χαρακτηριστικές για κάθε χημικό στοιχείο, αποτελούν δηλαδή το «δακτυλικό αποτύπωμα» ή την «υπογραφή» του στοιχείου αυτού.
Σε τρεις διαφορετικές παρατηρήσεις με το Chandra, λοιπόν, τα δεδομένα κατέγραψαν μία απότομη μείωση στο ποσοστό των ακτίνων Χ, με μήκη κύματος που αντιστοιχούν στις γραμμές απορρόφησης του σιδήρου και του πυριτίου. Επιπλέον, όμως, βρέθηκε ότι αυτές οι χαρακτηριστικές «υπογραφές» ήταν μετατοπισμένες σε μεγαλύτερα μήκη κύματος σε σχέση με τις γραμμές απορρόφησης που δίνουν τα στοιχεία αυτά στο εργαστήριο, και μάλιστα η μετατόπιση αυτή ήταν η ίδια για κάθε μία από τις τρεις παρατηρήσεις του Chandra.
Συνήθως, μία τέτοια μετατόπιση οφείλεται στο φαινόμενο Doppler, δηλαδή στην παρατηρούμενη μεταβολή στο μήκος κύματος της ακτινοβολίας του άστρου, που προκαλείται από την σχετική του κίνηση[1]. Όταν, δηλαδή, ένα άστρο απομακρύνεται από εμάς κατά μήκος της ευθείας στην οποία το παρατηρούμε, το «μοτίβο» των φασματικών του γραμμών μετατοπίζεται προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Επειδή στο ορατό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος τα μεγαλύτερα μήκη κύματος αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώμα, λέμε τότε ότι το φως του άστρου έχει μετατοπιστεί προς το ερυθρό. Όταν, αντιθέτως, μας πλησιάζει, το φως του μετατοπίζεται προς το κυανό.
Σε αυτή την περίπτωση, όμως, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η μετατόπιση που είχαν ανιχνεύσει, ήταν πολύ μεγάλη για να οφείλεται στο φαινόμενο Doppler, γι’ αυτό και κατέληξαν ότι οφείλεται στο φαινόμενο της βαρυτικής ερυθρομετατόπισης. Οι επιστήμονες πιθανολογούν ότι οι ακτίνες Χ απορροφήθηκαν από την ατμόσφαιρα που περιβάλλει τον δίσκο θερμών αερίων που έλκει ο αστέρας νετρονίων από τον συνοδό του.
Πώς σχετίζονται, όμως, όλα αυτά με το GPS; Σύμφωνα με την ΓΘΣ, ο χρόνος «τρέχει» πιο αργά κοντά σε ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο. Επομένως, ένας παρατηρητής στην επιφάνεια της Γης (όπου το βαρυτικό της πεδίο είναι ισχυρότερο) βλέπει ότι ο χρόνος για έναν δεύτερο παρατηρητή που βρίσκεται σε έναν δορυφόρο τρέχει πιο γρήγορα. Αντιθέτως, ο παρατηρητής στον δορυφόρο (όπου το βαρυτικό πεδίο της Γης είναι ασθενέστερο), βλέπει ότι το ρολόι του παρατηρητή που βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης τρέχει πιο αργά. Υπενθυμίζουμε εδώ ότι η χαμηλότερη ενέργεια και συχνότητα των φωτονίων που προσπαθούν να βγουν από την επίδραση ενός ισχυρού βαρυτικού πεδίου συνεπάγονται την μετατόπιση του μήκους κύματος που τους αντιστοιχεί (αλλά και των γραμμών απορρόφησης σιδήρου και πυριτίου στην περίπτωση που εξετάζουμε) προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Την ίδια στιγμή, όμως, επειδή η μέτρηση της συχνότητας του φωτός μπορεί να θεωρηθεί ότι ισοδυναμεί με μέτρηση χρονικού διαστήματος, η βαρυτική ερυθρομετατόπιση συνεπάγεται και βαρυτική διαστολή του χρόνου.
Εάν οι εταιρείες που κατασκευάζουν τα GPS δεν λάμβαναν υπόψη τους αυτό το σχετικιστικό φαινόμενο της βαρυτικής διαστολής του χρόνου, ο προσδιορισμός της θέσης ενός οχήματος έπειτα από δύο μόλις λεπτά θα ήταν λανθασμένος, ενώ τα σφάλματα θα συνέχιζαν να συσσωρεύονται, καθιστώντας το όλο σύστημα πλοήγησης άχρηστο.
Μέχρι τώρα, η βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό έχει κυρίως επαληθευθεί με πειράματα στην Γη, αλλά και με αστρονομικές παρατηρήσεις διπλών αστρικών συστημάτων. Το 2011 επαληθεύθηκε και με μία ακόμη μελέτη, βασισμένη στην ανάλυση δεδομένων από 8.000 γαλαξιακά σμήνη, σύμφωνα με την οποία το φως που προέρχεται από τις κεντρικές περιοχές αυτών των σμηνών, όπου η βαρυτική έλξη είναι μεγαλύτερη, ήταν περισσότερο μετατοπισμένο προς το ερυθρό σε σχέση με το φως που προερχόταν από τις παρυφές τους. Το 2019, τέλος, η βαρυτική ερυθρομετατόπιση παρατηρήθηκε και στην ακτινοβολία του άστρου S0-2 που περιφέρεται γύρω από την γιγάντια μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας.
Η μελέτη που παρουσιάσαμε εδώ, ωστόσο, προσφέρει την πρώτη ισχυρή ένδειξη βαρυτικής ερυθρομετατόπισης σε διπλά συστήματα άστρων, το ένα εκ των οποίων είναι αστέρας νετρονίων.
Πηγή: Chandra :: Photo Album :: 4U 1916-53 :: October 22, 2020 (si.edu)
Φωτογραφία: Καλλιτεχνική απεικόνιση του αστρικού συστήματος της σχετικής μελέτης, όπου ο αστέρας νετρονίων (γκρι) βρίσκεται στο κέντρο ενός δίσκου θερμών αερίων που έλκει από το άστρο-συνοδό του (το λευκό άστρο στα αριστερά).
NASA/CXC/M. Weiss
[1] Ένα τρίτο είδος μετατόπισης προς το ερυθρό σχετίζεται με την απομάκρυνση των γαλαξιών μεταξύ τους. Η απομάκρυνση αυτή, ωστόσο, δεν οφείλεται στην κίνηση των γαλαξιών μέσα στον χώρο, αλλά στην διαστολή του ίδιου του χώρου.
tinanantsou.blogspot.gr
VIDEO
ΜΟΙΡΑΣΤΕΙΤΕ
ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ
ΕΠΟΜΕΝΟ ΑΡΘΡΟ
Ο Κάτας φέρνει αλλαγές στο ρόστερ του Παναθηναϊκού
ΣΧΟΛΙΑΣΤΕ
