Άνοιξε ο δρόμος για τους διαστημικούς ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων. Paving the Way to Space-Based Gravitational-Wave Detectors

Κορυφαίο επίτευγμα: Σχεδόν τέλεια ελεύθερη πτώση αντικειμένου στο διάστημα. The first results from the LISA Pathfinder mission demonstrate that two test masses can be put in free fall with a relative acceleration sufficiently free of noise to meet the requirements needed for space-based gravitational-wave detection. An artist’s conception of the LISA Pathfinder spacecraft in orbit at Lagrange Point 1. Photovoltaic solar cells on the top of the spacecraft provide power. Micronewton thrusters can be seen on the sides of the spacecraft. The test masses and laser interferometer readout system are located inside the spacecraft. Credit: ESA

Οι επιστήμονες της αποστολής LISA Pathfinder του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) ανακοίνωσαν ότι το πείραμά τους ξεπέρασε τις προσδοκίες τους, πετυχαίνοντας τη σχεδόν τέλεια ελεύθερη πτώση ενός αντικειμένου στο διάστημα.

Κανένα άλλο ανθρώπινο κατασκεύασμα δεν έχει ποτέ «βιώσει» κάτι ανάλογο, όπως ανέφεραν οι επιστήμονες, οι οποίοι παρουσίασαν τα αποτελέσματα των πρώτων δύο μηνών της πειραματικής αποστολής. Όπως είπαν, ανοίγει πλέον με ασφάλεια ο δρόμος για την κανονική αποστολή LISA.

Η αποστολή του δορυφόρου LISA Pathfinder, ο οποίος εκτοξεύθηκε στις 3 Δεκεμβρίου 2015, δεν αποτελεί παρά ένα κρίσιμο αλλά αναγκαίο τεστ σε μικρή κλίμακα για τον έλεγχο της τεχνολογίας, που θα χρησιμοποιηθεί σε πολύ μεγάλη πλέον κλίμακα στη μελλοντική αποστολή του παρατηρητηρίου LISA (Laser Interferometer Space Antenna), η οποία θα επιχειρήσει να ανιχνεύσει τα βαρυτικά κύματα στο διάστημα.

Για να ανιχνευθούν βαρυτικά κύματα, ο κύβος στο εσωτερικό του δορυφόρου πρέπει να είναι πλήρως απομονωμένος από κάθε άλλη επιρροή. Πράγμα που οι επιστήμονες, οι οποίοι έκαναν και τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό φυσικής «Physical Review Letters», ανακοίνωσαν ότι το πέτυχαν όχι ακριβώς στην εντέλεια, αλλά πάντως δεκάδες χιλιάδες φορές καλύτερα από κάθε προηγούμενο πείραμα ελεύθερης πτώσης.

Στην τωρινή φάση, ο δορυφόρος φέρει στο εσωτερικό του δύο πανομοιότυπους κύβους βάρους δύο κιλών ο καθένας και με πλευρά 46 χιλιοστών, από κράμα χρυσού και πλατίνας, οι οποίοι αιωρούνται στο κενό στο εσωτερικό της διαστημοσυσκευής Pathfinder, τελείως ελεύθεροι από κάθε άλλη δύναμη πέρα από τη βαρύτητα.

Οι δύο κύβοι στο εσωτερικό του Pathfinder βρίσκονται σε απόσταση 38 εκατοστών μεταξύ τους, ενώ παρακολουθούνται συνεχώς μέσω ενός συμβολόμετρου λέιζερ, το οποίο καταγράφει την παραμικρή επίδραση εξωτερικής δύναμης που δέχονται και άρα την τυχόν απόκλιση από τη θέση τους. Οι κύβοι, όπως απέδειξε το πείραμα, είναι σχεδόν τελείως ακίνητοι μεταξύ τους και -πέρα από τη βαρύτητα- η δύναμη που δέχονται, δεν ξεπερνά το βάρος ενός ιού πάνω στη Γη. Το λέιζερ μπορεί να καταγράψει μια ανεπαίσθητη απόκλιση στην μεταξύ τους απόσταση όχι μεγαλύτερη από το μισό της διαμέτρου ενός ατόμου!

«Με το LISA Pathfinder δημιουργήσαμε το πιο “ήσυχο” μέρος που είναι γνωστό στην ανθρωπότητα. Η απόδοσή του είναι θεαματική και υπερβαίνει όλες τις προσδοκίες μας», δήλωσε ο καθηγητής Κάρστεν Ντάντσμαν, διευθυντής του Ινστιτούτου Βαρυτικής Φυσικής Μαξ Πλανκ της Γερμανίας και διευθυντής του Ινστιτούτου Βαρυτικής Φυσικής του Πανεπιστημίου Λάιμπνιτς του Ανοβέρου. «Εξαλείφοντας όλες τις πηγές διαταραχών, μπορέσαμε να παρατηρήσουμε την πιο τέλεια ελεύθερη πτώση που δημιουργήθηκε ποτέ. Και αυτό μας έδειξε πώς μπορούμε να κατασκευάσουμε το LISA, ένα διαστημικό παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων», προσέθεσε.

Μετά από αυτή την επιβεβαίωση ότι η αρχική ιδέα του πειράματος είναι σωστή και υλοποιήσιμη, η κανονική αποστολή LISA, η οποία αναμένεται να είναι έτοιμη το 2034, θα περιλαμβάνει τη δημιουργία ενός τριγωνικού σχηματισμού δορυφόρων. Αυτοί θα πετάνε σε καθορισμένες μεταξύ τους αποστάσεις στο διάστημα (περίπου ένα εκατομμύριο χιλιόμετρα θα είναι η κάθε πλευρά του «τριγώνου») και θα δημιουργούν έτσι ένα τεράστιο διαστημικό συμβολόμετρο λέιζερ. Αυτό θα είναι ικανό να ανιχνεύσει τυχόν περαστικά βαρυτικά κύματα, τα οποία θα έχουν ως προέλευση κάποιο βίαιο συμβάν στο σύμπαν (π.χ. μια σύγκρουση ανάμεσα σε μαύρες τρύπες).

LISA Pathfinder, a mission led by the European Space Agency (ESA) with contributions from NASA, has successfully tested a key technology needed to build a space-based observatory for detecting gravitational waves. These tiny ripples in the fabric of space, predicted by Albert Einstein a century ago, were first seen last year by the ground-based Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Wiessenger

Από φέτος τον Φεβρουάριο, η πειραματική συσκευή LISA Pathfinder, με τους κύβους στο εσωτερικό της, βρίσκεται σε τροχιά στο διάστημα στο λεγόμενο σημείο «Λαγκράνζ 1» (L1), σε απόσταση περίπου 1,5 εκατ. χλμ. από τη Γη. Το κανονικό παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων LISA -που εντάσσεται στο πρόγραμμα «Cosmic Vision» («Κοσμικό Όραμα») της ESA- θα τεθεί σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο σε απόσταση 50 εκατ. χιλιομέτρων από τη Γη.

Το διαστημικό παρατηρητήριο LISA θα συμπληρώσει το επίγειο LIGO, καθώς θα είναι σε θέση να ανιχνεύσει χαμηλής συχνότητας βαρυτικά κύματα (0,1 mHz έως 1 Hz), τα οποία δεν είναι δυνατό να γίνουν αντιληπτά στη Γη. Τα βαρυτικά κύματα που «πιάνει» το επίγειο LIGO, έχουν συχνότητες από δέκα έως αρκετές χιλιάδες hertz, όμως τα βαρυτικά κύματα στο διάστημα έχουν ένα πολύ ευρύτερο φάσμα συχνοτήτων, τα οποία θα μπορεί να «δει» το διαστημικό παρατηρητήριο LISA. Επιπλέον ένα τέτοιο διαστημικό παρατηρητήριο βαρυτικής αστρονομίας θα είναι απαλλαγμένο από τους αναπόφευκτους «θορύβους» της Γης (σεισμικούς, θερμικούς κ.ά.).