Η ένωση όλων των δυνάμεων θα φέρει την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων

Πηγή: NewScientist, 15 Φεβρουαρίου 2007

Η ανίχνευση των κυματισμών του χωροχρόνου είναι ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματοποίηση της, τώρα που έχουν ενώσει τις δυνάμεις τους τα πιο ευαίσθητα παρατηρητήρια του κόσμου. Η συνεργασία αυτή μεγαλώνει τις πιθανότητες ότι θα μπορούσαν να ανιχνευθούν τα κύματα  της βαρύτητας μέσα στα επόμενα τέσσερα χρόνια.

Τα κύματα της βαρύτητας είναι κυματισμοί του χωροχρόνου (δεξιά στην εικόνα), που ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, και έχουν ως αφετηρία τα πιο βίαια γεγονότα του σύμπαντος, όπως είναι οι υπερκαινοφανείς εκρήξεις και οι συγχωνεύσεις των μαύρων οπών και των άστρων νετρονίων.

Τα δύο παρατηρητήρια του προγράμματος LIGO, που συμπεριλαμβάνει και αυτό στο Hanford θα ενώσουν τις δυνάμεις τους με το παρατηρητήριο Virgo στην Ιταλία, μαζί με το GEO 600 της Γερμανίας για να κυνηγήσουν τα κύματα βαρύτητας.

Οι επιστήμονες έχουν σχεδιάσει ευαίσθητα πειράματα για την ανίχνευση τέτοιων κυμάτων. Χρησιμοποιώντας λέιζερ, μετρούν το μήκος που υπάρχει μεταξύ κατοπτρικών μαζών,  που βρίσκονται μέσα σε δύο σήραγγες κάθετα η μία στην άλλη. Τα κύματα βαρύτητας αν υπάρχουν θα μειώνουν την απόσταση μεταξύ αυτών των μαζών στον έναν βραχίονα της σήραγγας και θα την αυξάνουν στην άλλη σήραγγα κατά ένα μικροσκοπικό, αλλά θεωρητικά ανιχνεύσιμο ποσό.

Και τώρα, που τα κυριότερα παρατηρητήρια για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων σε παγκόσμιο επίπεδο. ενώνουν τις δυνάμεις τους αυξάνουν τις πιθανότητες που έχουν για μια τέτοια ανίχνευση.

Η συμφωνία ενώνει το παρατηρητήριο κυμάτων βαρύτητας με συμβολόμετρο λέιζερ (LIGO) που υπάρχει στο Hanford της Ουάσιγκτον και το Livingston στη Λουιζιάνα, το παρατηρητήριο Virgo στην Ιταλία κοντά στην Πίζα, και το παρατηρητήριο GEO 600 κοντά στο Αννόβερο.

Τα τρία προγράμματα θα συγκεντρώσουν τα στοιχεία τους με σκοπό να τα αναλύουν από κοινού, ανεβάζοντας έτσι τις πιθανότητές τους για ένα συλλάβουν εξασθενημένο σήμα, που ειδάλλως θα ήταν κρυμμένο από το θόρυβο των ανιχνευτών, λέει ο επιστήμονας Peter Saulson του LIGO του πανεπιστημίου των Συρακουσών στη Νέα Υόρκη.

Ο δε συνδυασμός των στοιχείων θα βοηθήσει ώστε να βρεθεί και η πηγή οποιωνδήποτε κυμάτων βαρύτητας ανιχνευθούν.

Είναι γνωστό ότι κανένας από τους ανιχνευτές δεν έχει ανιχνεύσει μέχρι τώρα κύματα βαρύτητας και είναι πολύ δύσκολο να υπολογιστούν οι πιθανότητες για μια τέτοια ανίχνευση με τα τρέχοντα παρατηρητήρια. Μια συγχώνευση όμως ενός κοντινού ζεύγους αστρικών μαύρων οπών θα ήταν ανιχνεύσιμη, αλλά οι αστρονόμοι δεν είναι βέβαιοι πόσο συχνά εμφανίζονται αυτά τα γεγονότα. Οι εκρήξεις μεγάλων άστρων σε σουπερνόβα πρέπει επίσης να παραγάγουν κύματα βαρύτητας, αλλά οι φυσικοί είναι πολύ αβέβαιοι για το πόσο ισχυρά θα ήταν τα προκύπτοντα κύματα.

Αντιθέτως, οι αστρονόμοι έχουν μια καλή άποψη για το ρυθμό και την ισχύ των κυμάτων βαρύτητας στις συγχωνεύσεις δύο άστρων νετρονίων. Θεωρούν ότι το LIGO θα μπορούσε να δει ένα τέτοιο γεγονός σε μια απόσταση περίπου 50 εκατομμυρίων ετών φωτός. Αλλά φαίνεται ότι κανένα τέτοιο γεγονός δεν έχει εμφανιστεί τόσο κοντά που να το συλλάβει το LIGO.

"Με τη βελτιωμένη έκδοση του LIGO, το Προηγμένο LIGO, θα μπορούσαμε να συλλάβουμε άστρα νετρονίων που συγχωνεύονται σε περίπου 650 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Είναι μια μεγάλη απόσταση μέσα στην οποία στον ένα χρόνο παρατηρήσεων, μπορούμε να αναμένουμε ότι θα έχουμε μια δέσμη τέτοιων γεγονότων", λέει ο Saulson

Η προπαρασκευαστική εργασία για αυτήν την βελτίωση θα αρχίσει το 2008 εάν εγκριθούν τα 33 εκατομμύρια στον προϋπολογισμό του 2008, για το Προηγμένο LIGO. Αλλά η βελτίωση δεν θα ολοκληρωθεί μέχρι το 2014, και απαιτούνται και μερικά χρόνια ακόμα για τη βαθμολόγηση και τη δοκιμή των συσκευών προτού οι επιστήμονες μπορέσουν να αρχίσουν τις παρατηρήσεις, συμπληρώνει ο Saulson.

Με την ένωση των δυνάμεων, του LIGO και των δύο άλλων προγραμμάτων ανεβάζουν τις πιθανότητες να ανιχνευτούν τα κύματα βαρύτητας προτού να διακόψει το LIGO για να αρχίσει την εργασία της βελτίωσης. Εάν η χρηματοδότηση προχωρήσει σύμφωνα με το πρόγραμμα, τότε το κλείσιμο θα συνέβαινε στα τέλη του 2010 ή αρχές του 2011.

Πιθανότατα αρχές Μαΐου νομίζουν οι επιστήμονες ότι θα είναι σε θέση να φθάσουν στην πλήρη συνεργασία όλων των παρατηρητηρίων. Οι δε μικρές βελτιώσεις και στο LIGO και στο Virgo προγραμματίζονται για το 2008 και θα βελτιώσουν την ευαισθησία κατά έναν παράγοντα δύο.

Ένα άλλο παρατηρητήριο κυμάτων βαρύτητας, το Συμβολόμετρο Λέιζερ με Διαστημική Κεραία (LISA) θα μπορούσε να προωθηθεί κατά την επόμενη δεκαετία. Θα είναι μια κοινή αποστολή της NASA και της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας και θα ήταν ευαίσθητη σε ένα διαφορετικό φάσμα συχνοτήτων από οποιαδήποτε άλλο επίγειο παρατηρητήριο. Θα ανίχνευε κύματα με συχνότητες μικρότερες από 1 Herz κι έτσι θα μπορούσε να ανιχνεύσει τη συγχώνευση δύο υπερβαρέων μαύρων οπών στα κέντρα άλλων γαλαξιών.

• 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 παρατηρητήριο 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.