physics4u - Ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων συντονίζεται για την ανακάλυψή τους

Ένα από τα πιο απροσδιόριστα φαινόμενα στο σύμπαν είναι πιθανόν να μετρηθεί σύντομα για πρώτη φορά, καθώς μια αγγλο-γερμανική ομάδα επιστημόνων έθεσε σε λειτουργία ένα σύστημα σχεδιασμένο για να εντοπίζει βαρυτικά κύματα.

Το εργαστήριο Geo600 πλησίον του Ανοβέρου, σχεδιάστηκε ώστε να είναι το πρώτο που θα αποδείξει την ύπαρξη των κυμάτων αυτών - ρυτιδώσεις στον ιστό του χωρόχρονου που προβλέπονται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, αλλά δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ. Οι ρυτιδώσεις, οι οποίες προκαλούνται όταν, για παράδειγμα, δημιουργείται γεγονότα όπως η δημιουργία σουπερνοβών ή όταν συγκρούονται μαύρες τρύπες, συμπιέζουν και εκτείνουν την ύλη καθώς αυτά διαπερνούν τη Γη.

Η επίδρασή τους ωστόσο είναι εξαιρετικά ασθενής. Στην απόσταση ανάμεσα στη Γη και το άστρο Άλφα του Κενταύρου - 4,3 έτη φωτός - ένα βαρυτικό κύμα θα παραμόρφωνε το διάστημα τόσο λίγο, όσο μια ανθρώπινη τρίχα. Στο Geo600 - ένα σύστημα εντοπισμού βαρυτικών κυμάτων που αποτελείται από δύο βραχίονες μήκους 600 μέτρων σε σχήμα L, και οι οποίοι έχουν τοποθετηθεί σ' έναν αγρό - αυτό σημαίνει ότι το μήκος των βραχιόνων θα αυξομειωθεί κατά ένα δεκάκις χιλιοστό της διαμέτρου ενός πυρήνα ατόμου, ωστόσο το σύστημα έχει κατασκευαστεί με τρόπο που να μπορεί να καταγράφει τέτοιες απειροελάχιστες αλλαγές. Το Geo600 θα λειτουργεί συνεχώς επί 18 μήνες.

"Αν υπάρξει μία σουπερνόβα στη γειτονιά μας μέσα στους επόμενους δύο μήνες, οι πιθανότητες να εντοπίσουμε και να μετρήσουμε τα βαρυτικά κύματα που θα προκαλέσει είναι καλές", δήλωσε ο Karsten Danzmann, ένας από τους επικεφαλής της έρευνας. "Ανοίγουμε ένα εντελώς καινούργιο κεφάλαιο στη μακρά ιστορία της αστρονομίας με την άμεση παρατήρηση της "σκοτεινής πλευράς" του σύμπαντός μας - τις μαύρες τρύπες, τη σκοτεινή ύλη και την ηχώ του Big Bang".

Το Geo600 θα λειτουργεί σε σύνδεση μαζί με τρία άλλα παρόμοια συστήματα στις ΗΠΑ, τα οποία μαζί σχηματίζουν το λεγόμενο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέϊζερ [Ligo]. Όταν ένα βαρυτικό κύμα διαπεράσει οποιοδήποτε εξ αυτών, ο ένας βραχίονας θα συρρικνωθεί ελάχιστα, ενώ ο άλλος θα επιμηκυνθεί αντίστοιχα. Το ίδιο θα πρέπει να συμβεί σε όλα τα συστήματα, επιβεβαιώνοντας την ακρίβεια της παρατήρησης.

Δορυφόροι, όπως το τηλεσκόπιο Swift της NASA μπορούν να δουν εκρήξεις ακτινοβολίας πολύ υψηλής ενέργειας, που δημιουργούνται όταν υπάρχει ένα ακραίο γεγονός του τύπου που μπορεί να παραγάγει επίσης και τα ανιχνεύσιμα κύματα της βαρύτητας.

Τότε το Swift θέτει σε επιφυλακή το GEO 600 μήπως έχει πιάσει κάποιο ανώμαλο σήμα από το διάστημα.

Τέτοιες ακτινοβολίες είναι οι σύντομες εκρήξεις ακτίνων γάμμα, που οφείλονται πιθανώς στα ίδια είδη πηγών, που παράγουν και τα βαρυτικά κύματα. Αν κάπου δούμε μια έκρηξη ακτίνων γάμμα, υπάρχει τεράστιο ενδιαφέρον για το τι έχει συμβεί στους ανιχνευτές των κυμάτων βαρύτητας.

Δύο μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται και περιβάλλουν η μία την άλλη [εικόνα 1 ] αναμένεται να εκπέμπουν κύματα βαρύτητας, τα οποία κινούνται με την ταχύτητα του φωτός.
Στο GEO 600, πυροδοτείται ένα μεγάλης ισχύος λέιζερ [ εικόνα 2 ] και η ακτίνα του διαχωρίζεται σε δύο μέρη - με ένα ημιδιάφανο κάτοπτρο. Οι δύο ακτίνες τότε εισέρχονται σε δύο 'πεντακάθαρες' σήραγγες.
Τα κάτοπτρα [ a+b ] στα άκρα τους ανακλούν το φως πίσω. Άλλα κάτοπτρα [ c+d ] επεκτείνουν την απόσταση της μέτρησης, και κάποια άλλα [ e+f ] χρησιμοποιούνται για να ανακυκλώσουν την ισχύ και να ενισχύσουν το σήμα
Οι δύο ακτίνες του φωτός από τους χωριστούς βραχίονες επανασυνδυάζονται και στέλνονται σε έναν φωτοανιχνευτή. Εάν έχει περάσει ένα βαρύτητας κύμα μέσω του παρατηρητήριου, θα έχει αλλάξει το μήκος των βραχιόνων και το σήμα του πρέπει να είναι εμφανές όταν αναλυθεί από τον υπολογιστή.