Νέο «παράθυρο» στη μελέτη του σύμπαντος. Upgraded LIGO will begin hunt for gravitational waves soon

LIGO Livingston observatory: Προηγμένο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων. Scientists hope a $200m upgrade to LIGO will bring them nearer to directly observing gravitational waves. (Courtesy: LIGO/Caltech)

Αν και η φυσική έχει ήδη γράψει ιστορία μέσα στον 21ο αιώνα με την ανακάλυψη του «σωματιδίου του Θεού», το 2012 στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο Cern στη Γενεύη, οι ερευνητές που συμμετέχουν στο πρότζεκτ Advanced Ligo αισιοδοξούν πως βρίσκονται ένα βήμα πριν από ένα εξίσου σημαντικό ορόσημο, το οποίο μάλιστα η επιστημονική κοινότητα περιμένει εδώ και 99 χρόνια. Το ορόσημο αυτό αφορά την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, δηλαδή των διαταραχών που διαδίδονται στον χωρόχρονο, όπως περιέγραψε το 1916 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν στο πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

Μέχρι σήμερα, δεν έχουν ποτέ εντοπισθεί και καταγραφεί βαρυτικά κύματα, με συνέπεια η ύπαρξή τους να αποτελεί μία από τις ελάχιστες προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας που δεν έχουν επαληθευτεί από άμεσες παρατηρήσεις. Ωστόσο, το Advanced Ligo, το οποίο θα ξεκινήσει να λειτουργεί στις ΗΠΑ το φθινόπωρο, υπόσχεται να ανιχνεύσει για πρώτη φορά τέτοιες διαταραχές ίσως και μέσα στην επόμενη διετία. Ένα επίτευγμα που θα ανοίξει για τους αστρονόμους ένα επιπλέον «παράθυρο» στο σύμπαν, για την ακόμη καλύτερη μελέτη του. Το πλήρες όνομα του πρότζεκτ είναι Προηγμένο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) και έχει επιστημονικούς υπεύθυνους το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας και το ΜΙΤ. Το πρότζεκτ θα βασισθεί στις ίδιες ανιχνευτικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν στο Ligo, δηλαδή στην πρώτη προσπάθεια για τον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων, η οποία διήρκεσε από το 2002 έως το 2010 και ολοκληρώθηκε χωρίς θετικό αποτέλεσμα. Στο μεταξύ όμως, οι δύο τεράστιοι ανιχνευτές, οι οποίοι βρίσκονται στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον και στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνας, αναβαθμίσθηκαν σε τέτοιο βαθμό που έχει δεκαπλασιασθεί η ευαισθησία τους.

This illustration depicts the gravitational waves generated by two black holes orbiting each other. Credit: NASA

Όπως τα σεισμικά κύματα διαδίδονται στο υπέδαφος της Γης, έτσι τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται στον χωρόχρονο, κινούμενα όμως με την ταχύτητα του φωτός. Προέρχονται από κοσμικά φαινόμενα που είναι τόσο βίαια ώστε να διαταράσσουν το χωροχρονικό συνεχές, όπως εκρήξεις σουπερνόβα ή ζευγάρια αστέρων νετρονίων που περιστρέφονται μεταξύ τους σε ολοένα μικρότερη απόσταση, ώστε τελικά να συγκρουστούν. Για τον εντοπισμό τους, κάθε ανιχνευτική διάταξη αποτελείται από δύο σήραγγες μήκους 4 χιλιομέτρων, που είναι κάθετες μεταξύ τους. Μία δέσμη λέιζερ που θα δημιουργείται στην κοινή βάση των τούνελ, θα διαιρείται σε δύο ακτίνες οι οποίες θα «ταξιδεύουν» μέχρι το τέλος των σωλήνων, όπου θα ανακλώνται από ειδικά κάτοπτρα για να επιστρέψουν πίσω και να ξανασυναντηθούν.

Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, αν ένα βαρυτικό κύμα περάσει από τη διάταξη, θα «προδώσει» την παρουσία του από τη μεταβολή της τροχιάς των ακτίνων, η οποία με τη σειρά της θα καταγραφεί στο τρόπο αλληλεπίδρασης των ακτίνων, όταν επιστρέψουν στη βάση. Οι μεταβολές αυτές είναι απειροελάχιστες: είναι χαρακτηριστικό πως οι δύο διατάξεις δεν κατάφεραν να δώσουν κάποιο απτό αποτέλεσμα στο πλαίσιο του Ligo, παρόλο που μπορούσαν να καταγράψουν τιμές της τάξης του ενός χιλιοστού της διαμέτρου του πρωτονίου. Το γεγονός όμως ότι πλέον θα λειτουργούν με δεκαπλάσια ευαισθησία θα αλλάξει τα δεδομένα, σύμφωνα με τους ερευνητές. «Το ερώτημα δεν είναι αν θα εντοπίσουμε βαρυτικά κύματα, αλλά το πόσο συχνά ή σπάνια θα ανιχνεύουμε τέτοιες διαταραχές» δήλωνε χαρακτηριστικά στο περιοδικό Nature o Στάνλεϊ Γούιτκομπ, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας, της επιστημονικής ομάδας του Advanced Ligo.

Η αναβάθμιση χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ιδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ με 205 εκατομμύρια δολάρια. Με αυτά τα χρήματα, έγιναν βελτιώσεις που αύξησαν κατά 1.000 φορές τον αριθμό των κοσμικών πηγών βαρυτικών κυμάτων που βρίσκονται πια μέσα στα όρια ευαισθησίας του Advanced Ligo.

Με δεδομένο ότι αυτά τα βαρυτικά κύματα «μεταφέρουν» πληροφορίες για τα φαινόμενα που τα προκάλεσαν, αν όντως ανιχνευθούν και υποβληθούν σε επεξεργασία θα αποκαλύψουν νέα στοιχεία για τις αντίστοιχες δομές του σύμπαντος, τα οποία μάλιστα δεν θα μπορούσαν να αποκτηθούν με άλλο τρόπο.

Επομένως, τα βαρυτικά κύματα θα γίνουν ένα καινούργιο εργαλείο για την έρευνα του σύμπαντος, προσφέροντας περισσότερες λεπτομέρειες π.χ. για τον τρόπο που συγχωνεύονται δύο μαύρες τρύπες ή συγκρούονται δύο αστέρες. «Το πρότζεκτ θα μας εξασφαλίσει μια εντελώς καινούρια προοπτική. Ξέρουμε πως κάθε φορά που “άνοιξε” ένα νέο παράθυρο για παρατηρήσεις, έγιναν ανακαλύψεις που διεύρυναν τα όρια» σημείωνε η Ντενίζ Κάλντγουελ από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, σε δελτίο Τύπου του ιδρύματος.

Κι άλλες προσπάθειες εκτός ΗΠΑ για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων

A schematic diagram of a pulsar timing array. NANOGrav uses this technique to detect the influence of gravitational waves on the Earth.

Εκτός από το Advanced Ligo και τις δύο εγκαταστάσεις του στις ΗΠΑ, κι άλλες προσπάθειες έχουν ξεκινήσει για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Έτσι, στο πλαίσιο του πρότζεκτ International Pulsar Timing Array (IPTA), αστρονόμοι από την Ευρώπη, τη Βόρεια Αμερική και την Αυστραλία έχουν επιστρατεύσει για ανιχνευτές 70 πάλσαρ, δηλαδή αστέρες νετρονίων που περιστρέφονται με μεγάλη ταχύτητα και εκπέμπουν παλμούς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με απίστευτα σταθερή συχνότητα. Με δεδομένο ότι ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα θα μεταβάλλει παροδικά τη συχνότητα των παλμών, οι επιστήμονες ελπίζουν πως θα καταφέρουν να καταγράψουν αυτή την παροδική μεταβολή.

Η διαφορετική μέθοδος ανίχνευσης σημαίνει πως τα βαρυτικά κύματα που θα μπορούσαν να ανιχνευθούν με το IPTA έχουν τέτοιες ιδιότητες που θα ήταν αδύνατον να αποτυπωθούν από το Advanced Ligo. Αντίθετα, παρόμοια λογική με το Advanced Ligo έχει το πείραμα Virgo, το οποίο βασίζεται σε μία ανάλογη πειραματική διάταξη, που βρίσκεται στην επαρχία της Πίζα στην Ιταλία. Η συγκεκριμένη εγκατάσταση αποτελείται κι αυτή από δύο βραχίονες, κάθετους μεταξύ τους, οι οποίοι είναι μικρότεροι αφού έχουν μήκος 3 χιλιόμετρα. Ετσι, έχει περίπου το 75% της ευαισθησίας των ανιχνευτών του Advanced Ligo.

Η εγκατάσταση ξεκίνησε να λειτουργεί από το 2007, χωρίς να έχει ανιχνεύσει μέχρι τώρα κάποιο βαρυτικό κύμα, ενώ κι αυτή βρίσκεται σε φάση αναβάθμισης. Οι επιστήμονες του πρότζεκτ συνεργάζονται στενά με τους ερευνητές του Advanced Ligo και ανταλλάσσουν δεδομένα. Κι αυτό γιατί, αν ένα βαρυτικό κύμα εντοπισθεί και από τα δύο πειράματα, τότε θα είναι πιο εύκολο να εντοπισθεί η πηγή του στο σύμπαν.

Μια αντίστοιχη, αλλά ακόμη μικρότερη εγκατάσταση, λειτουργεί επίσης στο Ανόβερο της Γερμανίας. Ο ανιχνευτής ονομάζεται GEO600 και οι σήραγγές του έχουν μήκος 600 μέτρα. Επίσης, σε ένα παλιό ορυχείο στην Ιαπωνία κατασκευάζεται ο Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA), ένας ανιχνευτής με βραχίονες 3 χιλιομέτρων που αναμένεται να έχει ολοκληρωθεί το 2018.

Πηγή: kathimerini.gr – physicsworld.com