Τα βαρυτικά κύματα, οι ιδιότητές τους και η ανίχνευσή τους
Μέρος 2ο

Άρθρο, Φεβρουάριος 2004

 Επιστροφή στο 1ο μέρος

 Συμβολομετρία

Πρώτοι το 1962, δύο Ρώσσοι, ο Michail Gertsenstein και ο V. Pustovoit και στη συνέχεια το 1964 ένας Αμερικανός, ο Joseph Weber, συνέλαβαν  την ιδέα να χρησιμοποιηθούν συμβολόμετρα για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων. Αργότερα το 1969 ο Reiner Weiss επινόησε μια πιο επεξεργασμένη μορφή συμβολομετρικού ανιχνευτή και στις αρχές της δεκαετίας του 1970 προχώρησε στην κατασκευή του στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασσαχουσέτης όπου εργαζόταν. Την ίδια εποχή σε σχεδιασμό και κατασκευή συμβολομετρικού ανιχνευτή προχώρησε και ο Robert Forward με την ομάδα του στο ερευνητικό εργαστήριο Hughes της Καλιφόρνιας.

Η εικόνα 2 παρουσιάζει τη βασική ιδέα στην οποία στηρίζεται η λειτουργία ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων.

Εικόνα 2α. και 2β.

Τρεις μάζες, κρεμασμένες από την οροφή του εργαστηρίου με τη βοήθεια συρμάτων σχηματίζουν ένα "L". Μόλις το πρώτο όρος ενός βαρυτικού κύματος εισέλθει στο εργαστήριο από την οροφή του ή το δάπεδό του, η παλιρροϊκή δράση του θα αναγκάσει τις μάζες του ενός βραχίονα του "L" να απομακρυνθούν ενώ τις μάζες του άλλου βραχίονα να πλησιάσουν. Ως αποτέλεσμα θα αυξηθεί το μήκος Χ₁ του ενός βραχίονα και θα μειωθεί το μήκος Χ₂ του άλλου. Όταν το πρώτο όρος του κύματος θα έχει περάσει και θα το έχει διαδεχθεί η πρώτη κοιλάδα, οι διευθύνσεις της επιμήκυνσης και της συμπίεσης θα έχουν αλλάξει. Το Χ₁ θα έχει μειωθεί και το Χ₂ θα έχει αυξηθεί. Καταγράγφοντας τη διαφορά μήκους των βραχιόνων Χ₁-Χ₂ , μπορεί κανείς να αναζητήσει τα βαρυτικά κύματα.  

Η διαφορά Χ₁-Χ₂ καταγράφεται με τη βοήθεια της συμβολομετρίας. Βλέπε εικόνα 2β και εικόνες 3 και 4. Μια δέσμη λέιζερ προσπίπτει σε ένα πλακίδιο το οποίο έχει προσαρμοστεί στη γωνιακή μάζα. Το πλακίδιο ανακλά τη μισή δέσμη, και επιτρέπει τη διέλευση της άλλης μισής, διαχωρίζοντάς την κατ' αυτόν τον τρόπο στα δύο. 

Οι δύο δέσμες προχωρούν κατά μήκος των δύο βραχιόνων του συμβολομέτρου και ανακλώνται στα κάτοπτρα που έχουν προσαρμοστεί στις ακραίες μάζες, και στη συνέχεια επιστρέφουν στο πλακίδιο. Αυτό με τη σειρά του επιτρέπει τη διέλευση του μισού μέρους της κάθε δέσμης και ανακλά το υπόλοιπο μισό. Έτσι, το μισό μέρος του φωτός της μιας δέσμης υπερτίθεται με το αντίστοιχο μισό της άλλης και επιστρέφει στο λέιζερ, ενώ τα υπόλοιπα μέρη των δύο δεσμών συνενώνονται και κατευθύνονται σ' ένα φωτοανιχνευτή. 

Όταν οι μάζες και τα κάτοπτρά τους δεν έχουν μετακινηθεί από κάποιο βαρυτικό κύμα ή άλλη αιτία, τότε οι αποστάσεις των μαζών έχουν ρυθμιστεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε το αποτέλεσμα της υπέρθεσης των φωτεινών κυμάτων έχει τις παρακάτω δύο μορφές - εικόνα 3, όπου η διακεκομένη καμπύλη παριστάνει το κύμα που εξέρχεται από τον βραχίονα 1, η εστιγμένη το κύμα που εξέρχεται από το βραχίονα 2, και η συνεχής καμπύλη το συνολικό κύμα που προκύπτει από την υπέρθεση. 

Εικόνα 3

Η συμβολή των κυμάτων που κατευθύνονται στο φωτοανιχνευτή είναι πλήρως αναιρετική, πράγμα που σημαίνει ότι ο ανιχνευτής δεν βλέπει καθόλου φως.

Όταν ένα βαρυτικό κύμα ή κάποια άλλη δύναμη προκαλέσει την επιμήκυνση του ενός βραχίονα και την βράχυνση του άλλου, τότε η δέσμη από τον ένα βραχίονα φτάνει στο πλακίδιο με μικρή καθυστέρηση ως προς την άλλη, με συνέπεια το αποτέλεσμα της υπέρθεσης των κυμάτων να έχει τις παρακάτω μορφές της εικόνας 4.

Εικόνα 4

Η συμβολή των κυμάτων που κατευθύνονται στο φωτοανιχνευτή δεν είναι πλήρως αναιρετική, δηλαδή ο ανιχνευτής δέχεται ορισμένη ποσότητα φωτός. η ποσότητα αυτή είναι ανάλογη με τη διαφορά μήκους Χ₁-Χ₂  των βραχιόνων, η οποία πάλι είναι ανάλογη με την ένταση του βαρυτικού κύματος. 

Στην πραγματικότητα η αρχή λειτουργίας που παρουσιάστηκε παραπάνω δεν αποτελεί παρά μια χονδροειδή υπεραπλούστευση. Ένα μεγάλο πλήθος τεχνικών δυσκολιών πρέπει να υπερνικηθεί, πράγμα που καθιστά αυτά τα συμβολόμετρα εξαιρετικά πολύπλοκα όργανα. Για παράδειγμα η δέσμη του λέιζερ πρέπει να έχει ακριβώς τη σωστή διεύθυνση και ακριβώς το σωστό σχήμα και μήκος κύματος ώστε να ταιριάζει απόλυτα στο συμβολόμετρο. Επίσης το μήκος κύματος και η ένταση της δέσμης πρέπει να κρατιούνται σε εξαιρετική σταθερότητα. Οι δύο δέσμες που δημιουργούνται αρχικά από το πλακίδιο πρέπει να πηγαινοέρχονται όχι μόνο μια φορά όπως δείχνει το σχήμα, αλλά πολλές φορές ώστε να αυξηθεί η ευαισθησία παρακολούθησης των κινήσεων των αναρτημένων μαζών, και ύστερα από όλα αυτά τα δρομολόγια πρέπει να επανέρχονται στο πλακίδιο με την επιθυμητή διαφορά φάσης ώστε να συμβάλλουν και να μας δίνουν το αναιρετικό αποτέλεσμα. 

Οι μάζες πρέπει να ελέγχονται διαρκώς ώστε τα κάτοπτρά τους να παραμένουν διαρκώς προσανατολισμένα στη σωστή κατεύθυνση και να μην ταλαντώνονται εξαιτίας των δονήσεων του εδάφους. 

Η πρώτη τέτοια διάταξη που κατασκευάστηκε στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας είχε βραχίονες μήκους 40 μέτρων, ενώ οι αντίστοιχοι σημερινοί ανιχνευτές των προγραμμάτων LIGO στις ΗΠΑ και VIRGO στην Ευρώπη έχουν μήκη αρκετών χιλιομέτρων, πολλαπλασιάζοντας ακόμη περισσότερο τις τεχνικές δυσκολίες. 

Αναφορά: Μια εξαιρετική ανάλυση για τα βαρυτικά κύματα και τις εξωτικές πηγές τους θα βρείτε στο βιβλίο του πρωτοπόρου της αναζήτησής τους Kip Thorne "Μαύρες τρύπες και στρεβλώσεις του χρόνου". 

Επιστροφή στο 1ο μέρος