Η βαρύτητα βρίσκεται παντού στο Σύμπαν. Είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τον ίδιο τον ιστό του, διαμορφώνει άστρα και πλανήτες και καθορίζει τον κοσμικό χορό των γαλαξιών. Είναι η δύναμη που κρατά τον κόσμο μας ενωμένο και εμάς πάνω στην επιφάνειά του. Ωστόσο, ακόμη και έπειτα από περισσότερο από έναν αιώνα μελέτης της βαρύτητας μέσω της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, οι επιστήμονες εξακολουθούν να ανακαλύπτουν απρόσμενες πτυχές της συμπεριφοράς της.
Μια νέα θεωρητική ανακάλυψη, ωστόσο, από τους φυσικούς Luca Comisso του Πανεπιστημίου Columbia και Felipe A. Asenjo του Πανεπιστημίου Adolfo Ibáñez στη Χιλή, ενδέχεται να ανοίξει ένα εντελώς νέο κεφάλαιο στην κατανόηση της βαρύτητας. Οι νέοι μαθηματικοί υπολογισμοί τους υποδεικνύουν ότι τα βαρυτικά πεδία ενδέχεται να μπορούν να διασπώνται και να επανασυνδέονται σε νέες διαμορφώσεις, με τρόπο ανάλογο προς εκείνον που παρατηρείται στα μαγνητικά πεδία του Ήλιου.
«Δεν τροποποιούμε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας ούτε εισάγουμε νέα φυσική πέρα από αυτήν. Αντίθετα, εντοπίζουμε φυσικές αρχές που παρέμεναν ανεξερεύνητες για περισσότερο από έναν αιώνα», δήλωσε ο Comisso στο ScienceAlert.
Η καθημερινή μας εμπειρία από τη βαρύτητα περιορίζεται συνήθως στην αίσθηση μιας δύναμης που μας κρατά στο έδαφος. Στην πραγματικότητα, όμως, η φύση της είναι πολύ πιο σύνθετη. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, η βαρύτητα περιγράφεται ως ένα πεδίο: η καμπύλωση του χωροχρόνου που προκαλείται από την παρουσία μάζας και ενέργειας και επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο κινούνται η ύλη και το φως στο Σύμπαν.
Οι εξισώσεις που περιγράφουν αυτή την καμπύλωση αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματα της φυσικής. Επιτρέπουν στους επιστήμονες να προβλέπουν φαινόμενα όπως η εκτροπή του αστρικού φωτός από τη βαρύτητα, αλλά και τα βαρυτικά κύματα που παράγονται από τη σύγκρουση μαύρων τρυπών. Και μέχρι σήμερα έχουν αντέξει σε αλλεπάλληλες πειραματικές δοκιμές στον κλασικό φυσικό κόσμο.
Ωστόσο, το Σύμπαν δεν περιλαμβάνει μόνο βαρυτικά πεδία. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα βρίσκεται ακριβώς δίπλα μας, στον Ήλιο. Εκεί εκτείνονται τεράστια μαγνητικά πεδία μέσα στο ηλεκτρικά φορτισμένο πλάσμα της ηλιακής ατμόσφαιρας. Οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές τους σχηματίζουν περίπλοκες δομές, οι οποίες μπορούν υπό ορισμένες συνθήκες να διασπαστούν και να επανασυνδεθούν μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται μαγνητική επανασύνδεση.
Η διαδικασία αυτή απελευθερώνει τεράστιες ποσότητες ενέργειας και αποτελεί έναν από τους βασικούς μηχανισμούς που τροφοδοτούν τις ηλιακές εκλάμψεις. Όπως απέδειξαν τώρα μαθηματικά οι Comisso και Asenjo, η βαρύτητα ενδέχεται να διαθέτει έναν ανάλογο μηχανισμό.
«Υποψιαζόμασταν ότι η βαρύτητα μπορεί να μοιράζεται ορισμένες ιδιότητες με τα μαγνητικά πεδία, καθώς εδώ και πολύ καιρό γνωρίζουμε ότι οι εξισώσεις του Αϊνστάιν μπορούν να αναδιατυπωθούν με μορφές που θυμίζουν τις εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού», εξήγησε ο Comisso. «Δεν γνωρίζαμε, ωστόσο, μέχρι ποιο σημείο μπορούσε να επεκταθεί αυτή η αναλογία. Μόνο όταν ολοκληρώσαμε σταδιακά τους αναλυτικούς υπολογισμούς, διαπιστώσαμε πόσο στενά μπορούν τα βαρυτικά πεδία να ακολουθούν τις ίδιες αρχές που διέπουν τα μαγνητικά πεδία στα πλάσματα».
Από τη μαγνητική στη βαρυτική επανασύνδεση
Η αφετηρία της νέας έρευνας βρίσκεται σε μια προηγούμενη επιστημονική δημοσίευση των δύο ερευνητών, στην οποία συμμετείχε και η φυσικός Maricarmen A. Winkler, επίσης από το Πανεπιστήμιο Adolfo Ibáñez. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, τα βαρυτικά πεδία μπορούν να συμπεριφέρονται σαν οι μεταξύ τους συνδέσεις να παραμένουν σταθερές, διατηρώντας τη σύνδεση διαφορετικών περιοχών ακόμη και καθώς ο χωροχρόνος εξελίσσεται.
Οι επιστήμονες αναγνώρισαν ότι αυτή η συμπεριφορά παρουσιάζει εντυπωσιακές ομοιότητες με όσα συμβαίνουν στα μαγνητικά πεδία ενός ηλεκτρικά φορτισμένου πλάσματος. Σε αυτές τις συνθήκες, οι μαγνητικές γραμμές μπορούν να διατηρούν τις μεταξύ τους συνδέσεις ακόμη και όταν το πλάσμα κινείται και αλλάζει μορφή. Ωστόσο, η σύνδεση αυτή δεν είναι πάντοτε μόνιμη. Όταν οι συνθήκες που διατηρούν τις μαγνητικές γραμμές συνδεδεμένες παύουν να ισχύουν, οι γραμμές μπορούν να αναδιαταχθούν μέσω της μαγνητικής επανασύνδεσης, δημιουργώντας νέες συνδέσεις ανάμεσα σε διαφορετικές περιοχές του χώρου.
Έτσι, προέκυψε ένα ενδιαφέρον ερώτημα: θα μπορούσε να συμβαίνει κάτι αντίστοιχο και με τη βαρύτητα;
Για να απαντήσουν, οι Comisso και Asenjo επέστρεψαν στις εξισώσεις του Αϊνστάιν, χρησιμοποιώντας μια μαθηματική διατύπωση που αναδεικνύει τις ομοιότητες ανάμεσα στη βαρύτητα και τον ηλεκτρομαγνητισμό. Μελέτησαν τι συμβαίνει όταν καταρρέουν οι συνθήκες που διατηρούν σταθερές τις συνδέσεις των βαρυτικών πεδίων και διαπίστωσαν ότι, υπό ορισμένες προϋποθέσεις, αυτά μπορούν να επανασυνδεθούν σε νέες διαμορφώσεις. Τη διαδικασία αυτή την ονόμασαν βαρυτική επανασύνδεση.
«Αντί για γραμμές που εκτείνονται στον τρισδιάστατο χώρο, το βαρυτικό πεδίο σχηματίζει επιφάνειες που εκτείνονται στον τετραδιάστατο χωροχρόνο, ο οποίος περιλαμβάνει τρεις διαστάσεις του χώρου και μία του χρόνου», εξηγεί ο Comisso. «Όπως και οι μαγνητικές γραμμές, αυτές οι επιφάνειες δεν αποτελούν φυσικά αντικείμενα, αλλά μαθηματικές δομές που μας βοηθούν να οπτικοποιήσουμε το βαρυτικό πεδίο. Καθώς ο χωροχρόνος εξελίσσεται, οι επιφάνειες αυτές μπορούν να επιμηκύνονται, να καμπυλώνονται και, υπό ορισμένες συνθήκες, να διασπώνται και να επανασυνδέονται με διαφορετικό τρόπο».
Αυτό, ωστόσο, δεν σημαίνει ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος σχίζεται ή καταστρέφεται. Σημαίνει ότι το βαρυτικό πεδίο μπορεί να αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται διαφορετικές περιοχές του χωροχρόνου.
Τι σημαίνει αυτό για τις μαύρες τρύπες και τα βαρυτικά κύματα;
Εάν η βαρυτική επανασύνδεση συμβαίνει πράγματι στο Σύμπαν, τα αποτελέσματά της δεν θα είναι απαραίτητα ορατά ή αισθητά από εμάς. Ακόμη και τα βαρυτικά κύματα που παράγονται από τη σύγκρουση μαύρων τρυπών, ένα από τα πιο βίαια φαινόμενα του Σύμπαντος, προκαλούν μεταβολές στο μήκος των τεσσάρων χιλιομέτρων βραχιόνων του ανιχνευτή LIGO μικρότερες από το πλάτος ενός πρωτονίου.
Οι πιθανές συνέπειες, ωστόσο, για τη θεωρητική και υπολογιστική φυσική είναι ιδιαίτερα σημαντικές. Σήμερα, οι φυσικοί χρησιμοποιούν πανίσχυρους υπερυπολογιστές για να προσομοιώνουν τις δραματικές μεταβολές του χωροχρόνου που συνοδεύουν ακραία κοσμικά φαινόμενα, όπως οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών και οι καταρρεύσεις των πυρήνων άστρων που οδηγούν σε εκρήξεις υπερκαινοφανών.
Ωστόσο, η δυνατότητα υπολογισμού της εξέλιξης του χωροχρόνου δεν αποκαλύπτει απαραίτητα και τους βαθύτερους φυσικούς μηχανισμούς που ευθύνονται για τη μεταφορά και την απελευθέρωση ενέργειας. Εδώ ακριβώς θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη η έννοια της βαρυτικής επανασύνδεσης.
Η μαγνητική επανασύνδεση στον Ήλιο προσφέρει ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα. Οι επιστήμονες μπορούν να προσομοιώνουν τη συμπεριφορά του ηλιακού πλάσματος, όμως η αναγνώριση της μαγνητικής επανασύνδεσης ως μηχανισμού απελευθέρωσης ενέργειας τους επιτρέπει να κατανοήσουν βαθύτερα τι συμβαίνει και γιατί.
«Αυτό που θεωρώ ιδιαίτερα εντυπωσιακό είναι ότι αυτές οι αρχές μάς προσφέρουν έναν νέο τρόπο να κατανοήσουμε την πολύπλοκη δυναμική του χωροχρόνου μέσα από σχετικά απλές φυσικές έννοιες», σημειώνει ο Comisso. «Όπως η μαγνητική επανασύνδεση άλλαξε ριζικά την κατανόησή μας για τον τρόπο με τον οποίο απελευθερώνεται η μαγνητική ενέργεια στα πλάσματα, έτσι και η βαρυτική επανασύνδεση θα μπορούσε να προσφέρει ένα εξίσου ισχυρό θεωρητικό πλαίσιο για να κατανοήσουμε πώς εξελίσσονται τα βαρυτικά πεδία και πώς ανταλλάσσουν ενέργεια και ορμή με την ύλη».
Ένα νέο θεωρητικό πεδίο έρευνας
Παρά τη σημασία της ανακάλυψης, οι επιστήμονες βρίσκονται ακόμη στην αρχή. Η βαρυτική επανασύνδεση αποτελεί προς το παρόν μια θεωρητικά τεκμηριωμένη δυνατότητα και όχι ένα φαινόμενο που έχει παρατηρηθεί άμεσα στη φύση. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι θα μπορούσε να εμφανίζεται σε διάφορα ακραία αστροφυσικά περιβάλλοντα, όπως κατά τη συγχώνευση μαύρων τρυπών ή την κατάρρευση άστρων.
Οι αριθμητικές προσομοιώσεις αναμένεται να διαδραματίσουν καθοριστικό ρόλο, καθώς θα μπορούσαν να αποκαλύψουν τις συνθήκες κάτω από τις οποίες ενεργοποιείται η διαδικασία και να περιγράψουν λεπτομερώς την εξέλιξή της. Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες προοπτικές είναι το ενδεχόμενο η βαρυτική επανασύνδεση να αφήνει ένα χαρακτηριστικό αποτύπωμα στα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται κατά τη συγχώνευση μαύρων τρυπών.
Εάν επιβεβαιωθεί αυτή η πιθανότητα, οι προσομοιώσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να εντοπίσουν τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά στα δεδομένα των ανιχνευτών LIGO, Virgo και KAGRA.
«Η εργασία μας προσφέρει τις θεωρητικές βάσεις για τη βαρυτική επανασύνδεση. Ωστόσο, πρέπει ακόμη να προσδιορίσουμε τις ακριβείς συνθήκες κάτω από τις οποίες μπορεί να συμβεί στη φύση και να κατανοήσουμε τον ρόλο της στα αστροφυσικά φαινόμενα», καταλήγει ο Comisso. «Για εμάς, αυτό είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά ερωτήματα που ανέδειξε η έρευνά μας και ένα από εκείνα που ανυπομονούμε να διερευνήσουμε περαιτέρω».