Τα βαρυτικά κύματα, οι ιδιότητές τους και η ανίχνευσή τους
Μέρος 1ο

Άρθρο, Φεβρουάριος 2004

 Συνεχίζεται στο 2ο μέρος

Τα βαρυτικά κύματα με τη μεγαλύτερη ένταση προέρχονται από περιοχές όπου τεράστιες ποσότητες ύλης ή χωροχρονικής καμπυλότητας  κινούνται με ταχύτητα παραπλήσια του φωτός, όπως είναι η μεγάλη έκρηξη ή οι συγκρούσεις μαύρων τρυπών. Επειδή οι περιοχές αυτές περιβάλλονται συνήθως από από πυκνά στρώματα ύλης που απορροφούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, δεν μπορούμε να τις παρατηρήσουμε στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. τα βαρυτικά κύματα όμως διαπερνούν την ύλη.  

Η χωροχρονική καμπύλωση είναι ταυτόσημη ως προς τη δράση της με την παλιρροϊκή δράση της βαρύτητας. Η χωροχρονική καμπύλωση που δημιουργεί η Σελήνη, προκαλεί τις παλίρροιες των ωκεανών της Γης. Βλέπε εικόνα 1.α.  Ομοίως τα κυματίδια χωροχρονικής καμπυλότητας σ' ένα βαρυτικό κύμα θα πρέπει επίσης να προκαλούν ωκεάνιες παλίρροιες. Βλέπε εικόνα 1.β. 

Εικόνα 1α. και 1β. 

Σύμφωνα όμως με τη γενική θεωρία της Σχετικότητας, οι ωκεάνιες παλίρροιες που προκαλεί η Σελήνη και αυτές που προκαλεί ένα βαρυτικό κύμα, διαφέρουν σε τρία σημαντικά σημεία. 

Η πρώτη διαφορά αφορά τον τρόπο διάδοσης. Οι παλιρροϊκές δυνάμεις των βαρυτικών κυμάτων συνοδεύουν τα βαρυτικά κύματα κατά τη διάδοσή τους. Τα τελευταία ταξιδεύουν από την πηγή τους ως τη Γη με την ταχύτητα του φωτός και καθώς ταξιδεύουν ταλαντώνονται. Πηγές τους είναι οι περιοχές του σύμπαντος όπου συμβαίνουν απότομες μεταβολές της καμπυλότητας του χωροχρόνου, όπως π.χ. η περιοχή όπου συμβαίνει μια συνένωση δύο μαύρων τρυπών. 

Αντίθετα οι παλιρροϊκές δυνάμεις της Σελήνης μοιάζουν με το ηλεκτρικό πεδίο ενός φορτισμένου σώματος. Όπως το ηλεκτρικό πεδίο ενός φορτισμένου σώματος είναι αναπόδραστα συνδεδεμένο μαζί του και μεταφέρεται από το σώμα κατά την κίνησή του, έτσι και οι παλιρροϊκές δυνάμεις είναι αναπόδραστα συνδεδεμένες με τη Σελήνη, μεταφέρονται από αυτήν και επιδρούν σε οτιδήποτε εισέλθει στη γειτονιά της Σελήνης, συμπιέζοντάς το ή επιμηκύνοντάς το. Οι παλιρροϊκές δυνάμεις συμπιέζουν και επιμηκύνουν τους ωκεανούς της Γης κατά τρόπο που φαίνεται να μεταβάλλεται με περίοδο λίγων ωρών, επειδή η Γη περιστρέφεται. Αν η Γη δεν περιστρεφόταν η επιμήκυνση και η συμπίεση θα παρέμεναν αμετάβλητες. 

Η δεύτερη διαφορά αφορά την διεύθυνση των παλιρροιών (Βλέπε εικόνα 1.α και β). Οι παλιρροϊκές δυνάμεις της Σελήνης ασκούνται προς όλες τις χωρικές διευθύνσεις. Επιμηκύνουν τους ωκεανούς στη διαμήκη διεύθυνση (τη διεύθυνση Γης-Σελήνης) και συμπιέζουν τους ωκεανούς στις εγκάρσιες διευθύνσεις (κάθετα στη διεύθυνση Γης-Σελήνης.)

Αντίθετα ένα βαρυτικό κύμα δεν δημιουργεί παλιρροϊκές δυνάμεις κατά τη διαμήκη διεύθυνση (τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος). Στο εγκάρσιο επίπεδο όμως, το βαρυτικό κύμα επιμηκύνει τους ωκεανούς κατά μήκος της μιας διεύθυνσης (της διεύθυνσης πάνω-κάτω στο σχήμα) και τους συμπιέζει κατά μήκος της άλλης διεύθυνσης (αυτής που είναι κάθετη στο επίπεδο σχεδίασης). Η επιμήκυνση και η συμπίεση εναλλάσσονται: Όταν ένα όρος του κύματος φτάνει στη Γη, η επιμήκυνση ασκείται στο επίπεδο σχεδίασης ενώ η συμπίεση στη διέυθυνση την κάθετη προς το επίπεδο σχεδίασης, όταν φτάνει η κοιλάδα του κύματος, τότε η επιμήκυνση ασκείται κάθετα στο επίπεδο σχεδίασης και η συμπίεση επί του επιπέδου σχεδίασης. Όταν φτάνει το επόμενο όρος του κύματος τα πράγματα αντιστρέφονται και ο κύκλος επαναλαμβάνεται από την αρχή. 

Η τρίτη διαφορά μεταξύ των παλιρροιών της Σελήνης και εκείνων ενός βαρυτικού κύματος, αφορά το μέγεθός τους. Η Σελήνη προκαλεί παλίρροιες ύψους περίπου 1 μέτρου και επομένως η υψομετρική διαφορά των κυμάτων στην πλημμυρίδα και την άμπωτη ισούται με 2 μέτρα περίπου. Αντίθετα τα βαρυτικά κύματα των συνενούμενων μαύρων οπών θα προκαλούν στους γήινους ωκεανούς παλίρροιες με ύψος όχι μεγαλύτερο από 10^-14 μέτρα, μέγεθος ίσο με 10^-21 φορές τη διάμετρο της Γης (ή ισοδύναμα 10^-4 φορές τη διάμετρο ενός ατόμου). Εφόσον οι παλιρροϊκές δυνάμεις είναι ανάλογες με το μέγεθος του αντικειμένου πάνω στο οποίο δρουν, τα κύματα θα παραμορφώνουν παλιρροϊκά κάθε αντικείμενο κατά 10^-21 φορές το μέγεθός του. Υπό την έννοια αυτή η ένταση των παλιρροϊκών κυμάτων όταν φτάνουν στη Γη ισούται αριθμητικά με 10^-21 . 

Ο λόγος που τα βαρυτικά κύματα είναι τόσο ασθενή είναι επειδή οι τρύπες που τα δημιουργούν βρίσκονται σε πολύ μεγάλη απόσταση από τη Γη. Η ένταση των βαρυτικών κυμάτων εξασθενεί με την απόσταση όπως και η ένταση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Όταν τα κύματα βρίσκονται κοντά στις τρύπες, η έντασή τους ισούται αριθμητικά με 1 (δηλαδή συμπιέζουν και επιμηκύνουν ένα αντικείμενο περίπου όσο και το μέγεθός του.)

Είναι εντελώς μάταιο να ελπίζουμε ότι μπορούμε να μετρήσουμε παλίρροια τόσο μικρού ύψους στα ταραγμένα νερά των ωκεανών μας. Εντούτοις πιστεύουμε ότι θα μπορέσουμε να μετρήσουμε τις παλιρροϊκές δυνάμεις ενός βαρυτικού κύματος με τη βοήθεια μιας προσεκτικά σχεδιασμένης συσκευής - ενός ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων. 

Οι πρώτες προσπάθειες για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων έγινε από τον Joseph Weber με την σχεδίαση ραβδόμορφων ανιχνευτών αλουμινίου με διαστάσεις μερικών μέτρων και μάζας μερικών τόνων. Προσπάθησε να φέρει σε συντονισμό την ιδιοσυχνότητα ταλάντωσης αυτής της ράβδου με την εκτιμώμενη συχνότητα των βαρυτικών κυμάτων και να ανιχνεύσει την ταλάντωση  κατά μήκος του άξονα της ράβδου στην οποία θα εξαναγκαζόταν η ράβδος από τα βαρυτικά κύματα Η μέθοδος αυτή σήμερα έχει εγκαταλειφθεί γιατί δεν μπόρεσε ποτέ να φτάσει την απαιτούμενη ευαισθησία. 

Αντ' αυτής χρησιμοποιείται σήμερα η μέθοδος της συμβολομετρίας την οποία θα παρουσιάσουμε παρακάτω. 

Συνεχίζεται στο 2ο μέρος