Το τηλεσκόπιο νετρίνων κυβικού χιλιομέτρου στον βυθό της Πύλου. KM3NeT neutrino sea-scope takes shape

Καλλιτεχνική απεικόνιση προτεινόμενης διάταξης για την τοποθέτηση των ανιχνευτών του KM3NeτT στον βυθό στα ανοιχτά της Πύλου. A building block of KM3NeT comprises 115 detection strings; the full detector has many building blocks with a total of a few hundred strings (Courtesy: Marc de Boer/Ori Ginale, KM3NeT collaboration)

Προχωρά η υλοποίηση στο βυθό της Μεσογείου του μεγαλύτερου υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων στον κόσμο, όπως ανακοίνωσε η διεθνής επιστημονική κοινοπραξία που έχει αναλάβει την ανάπτυξή του. Στην πραγματικότητα, πρόκειται για ξεχωριστά αλλά διασυνδεδεμένα μεταξύ τους τηλεσκόπια σε… συσκευασία ενός.

Το τηλεσκόπιο, γνωστό εν συντομία ως KM3Net (Τηλεσκόπιο Νετρίνων Κυβικού Χιλιομέτρου) θα αναπτυχθεί σε βάθη τριών έως τεσσάρων χιλιομέτρων σε τρεις πολύ βαθιές περιοχές της Μεσογείου, στα ανοιχτά της Τουλόν (νότια Γαλλία, κοντά στη Μασσαλία), της νοτιοανατολικής Σικελίας (Ιταλία) και της Πύλου (Ελλάδα).

Οι ερευνητές δημοσίευσαν προ ημερών τη σχετική «επιστολή προθέσεων», με το χρονοδιάγραμμα του όλου σχεδίου, στο περιοδικό πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής «Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics». Από ελληνικής πλευράς την πρωτοβουλία συνυπογράφουν περίπου 20 επιστήμονες από τον «Δημόκριτο», τα Πανεπιστήμια Αθηνών, Θεσσαλονίκης και Ανοικτό Πανεπιστήμιο, καθώς και το ΤΕΙ Πειραιά.

Το KM3NeT θα είναι μια τεράστια διάταξη δικτυωμένων ανιχνευτών, με «ομοσπονδιακή» δομή, κεντρικό μάνατζμεντ (με έδρα το Άμστερνταμ) και με κοινή ανάλυση όλων των επιστημονικών δεδομένων.

The prototype DOM installed on the instrumentation line of ANTARES during deployment (16 April 2013).

Το τηλεσκόπιο θα προσπαθήσει να ανιχνεύσει τα φευγαλέα υποατομικά σωματίδια νετρίνα, που έχουν αστροφυσική προέλευση (μαύρες τρύπες και άστρα που συγκρούονται, εκρήξεις σούπερ-νόβα και ακτίνων-γάμα, ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες-κβάζαρ κ.α.). Στόχος είναι αφενός να δώσει σάρκα και οστά σε μια νέου τύπου «αστρονομία νετρίνων» που θα μελετήσει το σύμπαν με νέους τρόπους και αφετέρου να ρίξει φως στα ίδια τα νετρίνα, τα οποία αλληλεπιδρούν μόνο ασθενώς με την ύλη, γι’ αυτό είναι τόσο δύσκολο να γίνουν αντιληπτά.

Ένα τέτοιο υποθαλάσσιο τηλεσκόπιο ενεργού όγκου τουλάχιστον ενός κυβικού χιλιομέτρου είχε προταθεί, αρχικά το 2004, να δημιουργηθεί σε μια μόνο τοποθεσία. Είχαν προηγηθεί μεμονωμένες παρεμφερείς προσπάθειες, αρχικά για το τηλεσκόπιο «Νέστωρ» στη Πύλο, και στη συνέχεια για το NEMO στην Ιταλία και το ANTARES στη Γαλλία. Τελικά, στην πορεία έγινε αντιληπτό ότι έπρεπε να δημιουργηθεί ένα ενιαίο τηλεσκόπιο, όχι μόνο για επιστημονικούς λόγους, αλλά επειδή έτσι ήταν δυνατό να διασφαλισθεί μεγαλύτερη χρηματοδότηση από την ΕΕ.

Τώρα πλέον προωθείται συντονισμένα η δημιουργία ενός ενιαίου τηλεσκοπίου σε όλο το εύρος της Μεσογείου, εφόσον βρεθούν τα κατάλληλα κονδύλια, κάτι που ισχύει ιδίως για το ελληνικό σκέλος, που θα είναι και το τελευταίο που θα υλοποιηθεί. Σύμφωνα με το χρονοδιάγραμμα, το KM3net θα είναι λειτουργικό από το 2020 σε Γαλλία και Ιταλία, στο μέτρο που έως τότε έχουν γίνει οι αναγκαίες επενδύσεις.

Έως τώρα το KM3NeT έχει εξασφαλίσει χρηματοδότηση 31 εκατομμυρίων ευρώ για να αναπτύξει πιλοτικά και να δοκιμάσει τους πρώτους αισθητήρες του. Χρειάζονται όμως ακόμη περίπου 200 εκατ. ευρώ για να ολοκληρωθεί, σύμφωνα με τον εκπρόσωπο της ερευνητικής κοινοπραξίας Μάαρτεν ντε Γιονγκ του Πανεπιστημίου του Λέιντεν και του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής του Άμστερνταμ. Το μισό από αυτό το ποσό, που θα προέλθει κυρίως από την ΕΕ, πρέπει να έχει εξασφαλισθεί έως το τέλος του 2016, ώστε να μην χαθεί ο στόχος αρχικής λειτουργίας του τηλεσκοπίου σε δύο σημεία το 2020.

Ο Ντε Γιονγκ δήλωσε, σύμφωνα με το Physics World, ότι στόχος είναι, πέρα από τη Γαλλία (ένας ανιχνευτής σε απόσταση 40 χλμ. από την ακτή) και τη Σικελία (ένας ανιχνευτής σε απόσταση 100 χλμ. από το ακρωτήριο Πασέρο), το KM3Net να συμπεριλάβει και την Πύλο, κάτι που θα έδινε ώθηση στην ελληνική οικονομία, ενώ θα επιτρέψει στο τηλεσκόπιο να είναι πιο ευαίσθητο στις πηγές των νετρίνων από το κέντρο του γαλαξία μας.

Η πρώτη φάση κατασκευής του KM3Net ξεκίνησε το 2015 στη Γαλλία και στην Ιταλία και αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2017 με την κατασκευή ενός μέρους του γαλλικού και του ιταλικού ανιχνευτή. Η ενδιάμεση δεύτερη φάση (KM3NeT 2.0), διάρκειας τριών ετών και κόστους 95 εκατ. ευρώ, θα ολοκληρωθεί το 2020 (εφόσον τα χρήματα αυτά έχουν εξασφαλισθεί εγκαίρως έως το 2017), οπότε θα έχουν κατασκευασθεί πλήρως οι ανιχνευτές στη Γαλλία και την Ιταλία.

Στη συνέχεια, το τηλεσκόπιο θα εισέλθει στην τρίτη και τελική φάση της επέκτασης της λειτουργίας του, η οποία θα απαιτήσει περαιτέρω δαπάνες περίπου 100 εκατ. ευρώ και -με βάση τον προγραμματισμό- θα συμπεριλάβει και την Ελλάδα. Σύμφωνα με τους έως τώρα σχεδιασμούς, η ανάπτυξη του ελληνικού τμήματος του τηλεσκοπίου θα μπορούσε να αρχίσει από το 2020 και το ολοκληρωμένο πλέον «τριπλό» τηλεσκόπιο να λειτουργήσει από το 2025 και για μια τουλάχιστον δεκαετία.

Καλλιτεχνική απεικόνιση μιας πιθανής διάταξης του NESTOR στην Πύλο. Φωτογραφία: Marco Kraan/Nikhe

Μία πιθανή τοποθεσία εγκατάστασής του είναι εκείνη του υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων «Νέστωρ» (NESTOR), που είχε αρχίσει να κατασκευάζεται στον βυθό της θάλασσας, κοντά στο Φρέαρ των Οινουσσών, στα ανοιχτά της Πύλου, με πρωτοβουλία του καθηγητή φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών Λεωνίδα Ρεσβάνη.

Παράλληλα όμως, η επιστημονική κοινοπραξία, που περιλαμβάνει πάνω από 240 επιστήμονες από 52 πανεπιστήμια και ερευνητικά ινστιτούτα αρκετών χωρών, διερευνά και άλλες πιθανές τοποθεσίες στην ευρύτερη περιοχή του νοτιοδυτικού άκρου της Πελοποννήσου, σε βάθη τριών έως 4,5 χιλιομέτρων.

Για να υλοποιηθεί το ελληνικό σκέλος του τηλεσκοπίου, όπως ανέφερε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο Χρήστος Μάρκου, διευθυντής ερευνών και συντονιστής της ομάδας αστροφυσικής στο Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του «Δημόκριτου», κατ’ αρχάς πρέπει να ποντιστεί -μετά από διεθνή διαγωνισμό- ένα νέο υποθαλάσσιο καλώδιο κόστους περίπου 5 εκατ. ευρώ, καθώς έχει καταστραφεί το παλαιότερο καλώδιο που συνέδεε το NESTOR με την ακτή. Εξετάζονται διάφορες επιλογές, με πιθανότερη την τοποθέτηση ενός καλωδίου μήκους 25 χλμ. και σε βάθος περίπου τεσσάρων χιλιομέτρων. Η όλη διαδικασία μπορεί να έχει ολοκληρωθεί σε ένα έτος.

Πρέπει επίσης να επεκταθούν και να εκσυγχρονισθούν οι υπάρχουσες εγκαταστάσεις στην ακτή και να διασφαλισθεί περαιτέρω χρηματοδότηση για την κατασκευή και την εγκατάσταση των ίδιων των υποθαλάσσιων ανιχνευτών. Το όλο κόστος για την Ελλάδα εκτιμάται σε περίπου 30 έως 40 εκατ. ευρώ και θα μπορούσε να προέλθει από ένα συνδυασμό ευρωπαϊκών και εθνικών πόρων.

Πέρυσι τον Οκτώβριο, το Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του «Δημόκριτου» κατασκεύασε και πόντισε στην περιοχή έναν πειραματικό ανιχνευτή νετρίνων που -ελλείψει καλωδίου- λειτούργησε για περίπου ένα εξάμηνο με μπαταρίες και εντός του καλοκαιριού θα ανασυρθεί για να μελετηθούν τα στοιχεία του.

Σήμερα το πιο γνωστό τηλεσκόπιο νετρίνων είναι o αμερικανικός «Κύβος Πάγου» (IceCube) στο Νότιο Πόλο, το οποίο πρώτο το 2013 είχε ανιχνεύσει νετρίνα από το βαθύ διάστημα. Το KM3NeT, όταν ολοκληρωθεί, θα είναι πολύ πιο ευαίσθητο και ελπίζεται ότι θα κάνει σημαντικές ανακαλύψεις.

Το KM3NeT θεωρείται τμήμα του Παγκοσμίου Δικτύου Νετρίνων (GNN), το οποίο περιλαμβάνει το IceCube και ένα ρωσικό ανιχνευτή, τον Gigaton Volume Detector (GVD), στη λίμνη Βαϊκάλη.

EPA/SERGEY DOLZHENKO

Σε κάθε μία από τις τρεις επιλεγμένες τοποθεσίες του ΚΜ3NeT πρέπει να εγκατασταθούν τρεις βασικές υποδομές: οι υποθαλάσσιοι ανιχνευτές, το καλώδιο που θα τους συνδέει με την ακτή μεταφέροντας ρεύμα και δεδομένα προς επεξεργασία, καθώς κι ένας παράκτιος σταθμός που, μεταξύ άλλων, θα διαθέτει μονάδες υπολογιστών και θα διασφαλίζει την ευρυζωνική σύνδεση με τις κεντρικές εγκαταστάσεις του τηλεσκοπίου στη Λυόν, στη Μπολόνια και στο Άμστερνταμ.

Κάθε ένας από τους τρεις ανιχνευτές (Τουλόν, Σικελία, Πύλος) προγραμματίζεται να διαθέτει 115 υποθαλάσσια κατακόρυφα καλώδια στερεωμένα στο βυθό, ύψους περίπου 700 μέτρων. Κάθε καλώδιο θα διαθέτει 18 γυάλινες σφαίρες διαμέτρου 40 εκατοστών (μία ανά 40 μέτρα βάθους). Μέσα σε κάθε τέτοια σφαίρα θα υπάρχουν 31 φωτο-πολλαπλασιαστές.

Οι αισθητήρες «πιάνουν» το χαρακτηριστικό ίχνος που αφήνουν τα νετρίνα στο πέρασμά τους. Στην πραγματικότητα, αυτοί οι υποθαλάσσιοι ανιχνευτές δεν «βλέπουν» τα ίδια τα νετρίνα, αλλά τη γαλαζωπή ακτινοβολία Τσερένκοφ, που εκπέμπεται από τα παράγωγα σωματίδια των νετρίνων, καθώς αυτά επιβραδύνονται μέσα στο νερό.

Τα βαθιά και καθαρά νερά της Πύλου και γενικότερα της Μεσογείου θεωρούνται ιδανικά γι’ αυτό το σκοπό. Επιπλέον, σε αυτά τα σκοτεινά βάθη -αντίθετα με τα οπτικά τηλεσκόπια- ένα τηλεσκόπιο νετρίνων μπορεί να λειτουργεί καθ’ όλο το 24ωρο όλες τις μέρες.

Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι, εκτός από τη βασική σωματιδιακή και αστρονομική έρευνα, το KM3Net μπορεί να έχει και άλλες πιο άμεσες πρακτικές εφαρμογές, καθώς είναι δυνατό να αξιοποιηθεί από τους γεωφυσικούς για την μελέτη των υποθαλάσσιων ηφαιστείων, από τους θαλάσσιους βιολόγους για τη μελέτη της υποθαλάσσιας ζωής, ακόμη και τις μετακινήσεις των φαλαινών κ.ά.

Πηγή: ΑΠΕ-ΜΠΕ