Πιο κοντά στην ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, 'Listening' to black holes form with gravity waves

Gravity waves are ripples in space generated by extreme cosmic events such as colliding stars, black holes, and supernova explosions, which carry vast amounts of energy at the speed of light. Credit: Werner Benger, NASAblueshift

Η πειραματική διάταξη που φέρει το όνομα LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) έχει ως στόχο την άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που προβλέπονται από την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν κυματισμούς στον ιστό του χωρόχρονου και δημιουργούνται σε κάθε βαρυτική αλληλεπίδραση, όπως για παράδειγμα την κίνηση ενός πλανήτη γύρω από τον Ήλιο. Όμως αυτά είναι πολύ ασθενή και σχεδόν αδύνατον να ανιχνευθούν.

Αντίθετα τα βαρυτικά κύματα που προκαλούνται από κατακλυσμικά γεγονότα στο σύμπαν, όπως συγκρούσεις αστέρων νετρονίων ή συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών είναι εφικτό να ανιχνευθούν.

Η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων έχει αποδειχθεί έμμεσα, από τις παρατηρήσεις του διπλού πάλσαρ PSR 1913+16, που έκαναν το 1975 οι Taylor και Hulse. Απέδειξαν ότι η περίοδος περιφοράς μειώνεται με ρυθμό σύμφωνο με αυτόν που προβλέπεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας εξαιτίας της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων. Το 1993 βραβεύθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής γι’ αυτή τους την ανακάλυψη.

Ο σχεδιασμός του ανιχνευτή LIGO ξεκίνησε την δεκαετία του 1980, από τους Kip Thorne, Ronald Drever και Rainer Weiss και η κατασκευή του άρχισε το 1992.

Το LIGO αποτελείται από δυο συστήματα σε σχήμα L, εκ των οποίων το ένα βρίσκεται στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον και το δεύτερο στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα. Αποτελείται από σωλήνες κενού μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων με κάτοπτρα στις άκρες και χρησιμοποιεί παλμούς λέιζερ.

Μια από τις βελτιώσεις που πρόκειται να εφαρμοστούν στον αναβαθμισμένο ανιχνευτή αναφέρεται στη δημοσίευση που έκανε η ομάδα LIGO περιοδικό στο Νature Photonics. Για τα κύματα φωτός η αρχή του Heisenberg μας λέει ότι υπάρχουν αναπόφευκτες αβεβαιότητες μεταξύ πλάτους και φάσης, που συνδέονται με παρόμοιο τρόπο. Μια από τις παράξενες συνέπειες της κβαντικής θεωρίας είναι ότι στην κατάσταση του κενού το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο αδυνατεί να ηρεμήσει. Ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο έχουν μέση τιμή μηδέν στην κατάσταση αυτή, αλλά παρουσιάζουν ισχυρές κβαντικές διακυμάνσεις γύρω απ’ αυτή. Σε μια κανονική κατάσταση κενού, αυτές οι «μηδενικού σημείου» διαταραχές είναι εντελώς τυχαίες και η συνολική αβεβαιότητα κατανέμεται εξίσου μεταξύ πλάτους και φάσης.

Σύμφωνα με την νέα τεχνική που αναφέρεται στην δημοσίευση της ερευνητικής ομάδας LIGO, χρησιμοποιώντας κρυστάλλους με μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες, είναι δυνατή η δημιουργία ειδικών καταστάσεων του φωτός («συμπιεσμένων» καταστάσεων), όπου η μεγαλύτερη αβεβαιότητα συγκεντρώνεται σε μια από τις δυο μεταβλητές.

Έτσι ένας τέτοιος κρύσταλλος μπορεί να μετατρέψει το σύνηθες κενό σε «συμπιεσμένο κενό», στο οποίο οι διακυμάνσεις φάσης είναι ΜΙΚΡΟΤΕΡΕΣ σε σχέση με αυτές του συνηθισμένου κενού! Ταυτόχρονα, οι διακυμάνσεις του πλάτους θα είναι μεγαλύτερες, αλλά ο θόρυβος της φάσης είναι αυτό που έχει σημασία για τον LIGO.