Οι ανιχνευτές των βαρυτικών κυμάτων γίνονται υπόγειοι

Από την ιστοσελίδα PhysicsWeb, Απρίλιος 2004

Ιάπωνες φυσικοί σχεδίασαν τον πρώτο υπόγειο ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων, που τον τοποθέτησαν σε βάθος 1000 μέτρων κάτω από το έδαφος στην ίδια τοποθεσία με τον ανιχνευτή νετρίνων SuperKamiokande. Οι προκαταρκτικές δοκιμές έδειξαν ότι ο ελαττωμένος θόρυβος από το περιβάλλον σημαίνει ότι το LISM (Μικρό Υπόγειο Παρατηρητήριο Βαρυτικών κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ) έχει τουλάχιστον την ίδια καλή απόδοση με τα άλλα υπάρχοντα όργανα μέτρησης.

Τα βαρυτικά κύματα είναι ρυτιδώσεις του χωροχρόνου που παράγονται όταν σώματα μεγάλης μάζας επιταχύνονται στο χώρο. Τα κύματα αυτά όμως είναι πολύ ασθενικά - ακόμα και όταν παράγονται από ακραία αστρονομικά φαινόμενα όπως οι εκρήξεις των σούπερ-νόβα ή από συγκρούσεις μεταξύ αστέρων νετρονίων και μαύρων τρυπών - και είναι ως εκ τούτου εξαιρετικά δύσκολο ν' ανιχνευτούν. 

Τα συμβολόμετρα για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων σχεδιάζονται έτσι ώστε να μπορούν να ανιχνεύσουν τα πολύ ασθενή αυτά κύματα, και χρησιμοποιούν δέσμες λέιζερ για να καταγράφουν την κίνηση δοκιμαστικών μαζών οι οποίες είναι τοποθετημένες στα άκρα των κάθετων μεταξύ τους βραχιόνων του συμβολομέτρου. Οι βραχίονες του LISM έχουν μόνο 20 μέτρα μήκος. Είναι δηλαδή σχετικά μικροί σε σύγκριση με τους βραχίονες του παρατηρητηρίου VIRGO στην Ιταλία που έχουν μήκος 3 χιλιόμετρα και του ανιχνευτή LIGO στις ΗΠΑ που έχουν μήκος 4 χιλιόμετρα. 

Όταν ένα βαρυτικό κύμα περνάει μέσα από τον ανιχνευτή, κάνει την απόσταση των απέναντι δοκιμαστικών μαζών να αυξάνεται στην κατεύθυνση του ενός βραχίονα και να ελαττώνεται στην κατεύθυνση του άλλου βραχίονα που είναι κάθετος στον πρώτο. Οι μεταβολές αυτές των αποστάσεων όμως είναι εξαιρετικά μικρές - της τάξης των 10^-21 m μόνον - έτσι ώστε οι ανιχνευτές πρέπει να είναι πολύ ευαίσθητοι. Για τα βαρυτικά κύματα και τον τρόπο λειτουργίας των συμβολομέτρων με λέιζερ βλέπε και το άρθρο:  Τα βαρυτικά κύματα, οι ιδιότητές τους και η ανίχνευσή τους . Οι πολύ ευαίσθητοι όμως ανιχνευτές, επηρεάζονται εύκολα από τον θόρυβο του περιβάλλοντος, όπως είναι π.χ. οι ελαφρές σεισμικές κινήσεις και οι μεταβολές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος.  

Τώρα ο Shuichi Sato και οι συνεργάτες του στο LISM προσπάθησαν να υπερπηδήσουν αυτό το πρόβλημα κάνοντας τον ανιχνευτή υπόγειο. Οι προκαταρκτικές δοκιμές δείχνουν ότι παρά το μικρό μήκος των βραχιόνων, η ευαισθησία ως προς την μετατόπιση του LISM, είναι συγκρίσιμη με αυτή του ανιχνευτή TAMA στην Ιαπωνία και του πειράματος GEO600 στη Γερμανία. Επιπλέον, η ευαισθησία μετατόπισης είναι δύο τάξεις μεγέθους καλύτερη από του LIGO - κατά τον χρόνο εκτέλεσης του πειράματος - όταν οι βραχίονες και των δύο οργάνων ήταν συγκρίσιμοι απευθείας. 

Η ομάδα του πειράματος, σχεδιάζει τώρα έναν άλλο ανιχνευτή, ο οποίος θα έχει τις συσκευές σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία για να εξουδετερωθεί ο θερμικός θόρυβος. Βλέπε  (T Uchiyama και άλλοι. 2004 Class. Quantum Grav. 21 S1161). Η νέα αυτή μηχανή θα είναι αρκετά ευαίσθητη για να ανταγωνιστεί τον αναβαθμισμένο ανιχνευτή  LIGO-II  στις ΗΠΑ. "Αν το πρόγραμμα γίνει αποδεκτό από την Ιαπωνική κυβέρνηση, θ' αποτελέσει μέρος ενός διεθνούς δικτύου ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων που θα μας ανοίξουν  νέα μάτια στο Σύμπαν" λέει ο Sato.