Από σελίδα του SPACE.COM

Επιστήμονες Αμερικανοί και Ευρωπαίοι σχεδιάζουν να μελετήσουν με αυτή τη διαστημική κεραία ένα από τα πιό καλά κρυμμένα μυστικά του σύμπαντος, τα μυστηριώδη "βαρυτικά κύματα" που είναι αποτέλεσμα συγκρούσεων τεράστιων αντικειμένων στο διάστημα.

Αυτό που θα μάθουν, θα ρίξει νέο φως σε μια παλιά ιδέα, πως οι συγκρούσεις μεταξύ γαλαξιών και αστέρων δημιουργούν κύματα βαρύτητας όπως ακριβώς οι εκρήξεις υπερκαινοφανών παράγουν εκλάμψεις φωτός. Η ιδέα των βαρυτικών κυμάτων χρονολογείται από το 1916 όταν ο Albert Einstein ανακάλυψε στα πλαίσια της   θεωρίας της γενικής σχετικότητας, τις δυνάμεις στο σύμπαν, αλλά μονάχα τώρα ο άνθρωπος έχει την τεχνολογία που θα του επιτρέψει την ανίχνευσή τους.Οι επιστήμονες τώρα ελπίζουν να δοκιμάσουν  την ιδέα του στέλνοντας ένα σύνολο τριών διαστημικών οχημάτων για να καταγράψουν τη πρώτη απόδειξη των βαρυτικών κυμάτων.

Σχεδιασμένο για να εκτοξευτεί το 2009, με ένα πύραυλο Delta 2, το Laser Interferometer Space Antenna (LISA) θα κοστίσει περίπου 500 εκατομμύρια $. Και θα είναι η πρώτη αποστολή για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Το κόστος και η κατασκευή των τριών οχημάτων θα μοιραστεί ανάμεσα στη NASA και την European Space Agency.
Εαν όλα πάνε καλά, το διαστημικό όχημα θα είναι ικανό να δεί άστρα σε πολύ μαγικές καταστάσεις, δήλωσε ο υπεύθυνος της NASA Alan Bunner, για τη μελέτη της δομής και εξέλιξης του σύμπαντος. Είναι μια αποστολή που θα συνδυάσει, θεμελιώδη φυσική αλλά   και μοναδικές παρατηρήσεις της αστροφυσικής. Το LISA θα μελετήσει βασικά γεγονότα στην εξέλιξη του σύμπαντος, όπως είναι οι γιγαντιαίες εκρήξεις και συγκρούσεις.
Οι ερευνητές πιστεύουν πως θα είναι ικανοί να δούν πίσω, σε μια εποχή που αντιστοιχεί 300.000 χρόνια αμέσως μετά το Big Bang την θεωρητική αρχή του σύμπαντος.

Τα βαρυτικά κύματα είναι μικροί κυματισμοί που παράγονται στον αχανή χωρόχρονο, από βίαια κοσμικά γεγονότα, όπως είναι οι συγκρούσεις γαλαξιών και διαδίδονται με τη ταχύτητα του φωτός. Οι επιστήμονες λένε πως κάθε επιταχυνόμενο σώμα είναι ικανό να δημιουργήσει βαρυτικά κύματα --που είναι όμως πάρα πολύ ασθενή για να ανιχνευτούν. Ετσι, ο δικός μας γαλαξίας, Milky Way, περιέχει βαρυτικά κύματα. Το LISA θα είναι ικανό να ανιχνεύσει κάποια από τα ασθενή βαρυτικά κύματα επειδή τα τρία οχήματα θα τοποθετηθούν πολύ μακριά το ένα από το άλλο. Από αυτή την πλεονεκτική θέση, ακόμη και ασθενείς κυματικές κινήσεις θα μπορούν να βρεθούν στις έρευνες.

Τι είναι και πως παράγονται τα βαρυτικά κύματα.

Βαρυτικά κύματα είναι οι κυματισμοί (αναταράξεις) που δημιουργούνται μέσα στο χώρο και χρόνο (χωρόχρονο) του Σύμπαντος. Πάντως, θεωρούμε ότι τα βαρυτικά κύματα εκπέμπονται είτε από μαύρες τρύπες είτε από συμπαγείς αστέρες που περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλο. Έτσι, δημιουργούνται παραμορφώσεις στο χωρόχρονο, που εμφανίζονται ως ταλαντώσεις (όπως ακριβώς οι κυματισμοί στην επιφάνεια του νερού μιας λίμνης μετά τη ρίψη πέτρας) γύρω από τα αντικείμενα αυτά. Στο εργαστήριο όμως δεν μπορέσαμε ποτέ να τα συλλάβουμε, γι' αυτό   προσανατολιζόμαστε στο διάστημα.

Αυτοί οι αόρατοι κυματισμοί ταξιδεύουν προς τη Γη και μεταφέρουν μαζί τους πολύτιμες πληροφορίες για τη βίαιη προέλευσή τους και τη φύση της βαρύτητας, που συνεχίζει μέχρι σήμερα να κρύβει μυστήρια.

Παρ' όλο που τα συγκεκριμένα αυτά κύματα δεν έχουν ανιχνευτεί άμεσα, η επίδρασή τους πάνω σε ένα διπλό σύστημα πάλσαρ (δύο άστρα νετρονίων -υπέρπυκνα άστρα αποτελούμενα ολοκληρωτικά από νετρόνια- σε μεταξύ τους τροχιά) έχει μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια και συμφωνεί πλήρως με τη θεωρία περί κυμάτων βαρύτητας.

Παραγωγή κυμάτων

Οπως γνωρίζουμε οι ηλεκτρικές και μαγνητικές διαταραχές μεταφέρουν ενέργεια. Απο πού προέρχεται όμως η εν λόγω ενέργεια;
Οι πηγές της εντοπίζονται κίνηση του φορτίου. Καθώς αυτό εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα, η κινητική του ενέργεια ελαττώνεται και παρατηρείται απόσβεση στην κίνησή του. 'Οπως ακριβώς το πλάτος των ταλαντώσεων εκκρεμούς μειώνεται συνεχώς έως ότου η ταλάντωση σταματήσει εντελώς λόγω των αντιστάσεων, έτσι και η κίνηση του ταλαντούμενου φορτίου φθίνει προοδευτικά λόγω των ενεργειακών απωλειών που συνεπάγεται η εκπομπή ακτινοβολίας.

Το βαρυτικό ανάλογο αυτής της κατάστασης περιγράφεται από το παράδειγμα του διπλού αστρικού συστήματος. Καθώς τα άστρα περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο, προκαλούν διαταραχές στη γεωμετρία του χωροχρόνου, οι οποίες διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις με την ταχύτητα του φωτός.
Και όπως ακριβώς συμβαίνει στην περίπεωση του ηλεκτρικού φορτίου, έτσι και τώρα μεταφέρουν ενέργεια, η οποία προκαλεί την απόσβεση της κίνησης του συστήματος.
Ως εκ τούτου, τα άστρα πλησιάζουν μεταξύ τους (οι τροχιές τους μικραίνουν) και η γωνιακή ταχύτητα με την οπεία  περιφέρoνται το ένα γύρω από το άλλο αυξάνεται.

Σε αυτό το σημείο σαφώς απομακρυνόμαστε από την αναλογία με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην οποία στηριχτήκαμε ώς τώρα. Για να παράγουμε βαρυτική ακτινοβολία στο εργαστήριο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα συμπαγή μακρύ κύλινδρο, που περιστρέφεται με 4,5 στροφές/sec. Καθώς ο συμπαγής μακρύς κύλινδρος περιστρέφεται γύραι από τον κατακόρυφο άξονα, εκπέμπει βαρυτικά κύματα, τα οποία όμαις είναι εξαιρετικά ασθενή. Για να παραχθεί ακτινοβολία 1 watt χρειαζόμαστε 10³⁰ τέτοιες κυλινδρικές πηγές! Αρα, αναγκαστικά στρεφόμαστε στα μακρινά αστρονομικά αντικείμενα.

Η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων στα πάλσαρ

Υπάρχει πράγματι μια έμμεση ένδειξη για την εκπομπή βαρυτικής ακτινοβολίας από αστρονομικές πηγές. Στις αρχές του 1979, οι J.Η. ΤayΙοr, L.A. FοwΙer και Ρ.Μ. ΜcCuΙΙοch, οι οποίοι εκτελουσαν παρατηρήσεις στο ραδιοαστεροσκοπείο του Αρεσίβο, στο Πόρτο Ρίκο, ένα τηλεσκόπιο 1.000 ποδών, ανέφεραν ότι η κίνηση του διπλού πάλσαρ PSR 1913+ 16 που κατέγραφαν, εμφάνιζε ορισμένα χαρακτηριστικά τα οποία αναμένονταν στην περίπτωση εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας. (Τα γράμματα PSR σημαίνουν ότι η πηγή είναι ένας αρ ενώ οι αριθμοί που ακολουθούν προσδιορίζουν τη διεύθυνση συγκεκριμένου πάλσαρ στον ουρανό. )

Ο εν λόγω διπλός πάλσαρ αποτελείται από τον πάλσαρ και από ένα ακόμη συμπαγές άστρο, και οι τρεις ραδιοαστρονόμοι διαπίστωσαν ότι η τροχιακή τους περόδος ελαττωνόταν ακριβώς με το ρυθμό που αναμένεται στην περίπτωση που υπάρχει εκπομπή βαρυτικής ακτινοβολίας.
Το κρίσιμο σημείο έγκειται στο ότι η μείωση της τροχιακής περιόδου του διπλού συστήματος συμφωνούσε με την πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας η οποία περιγράφει το φαινόμενο πολύ καλύτερα από τις ανταγωνίστριες βαρυτικές θεωρίες. 'Ετσι, η συγκεκριμένη παρατήρηση ενίσχυσε την πίστη μας στην ορθότητα της εν όγω θεωρίας.

Ο διπλός πάλσαρ PSR 1913+ 16 ανακαλύψθηκε το 1978 από τους Russel Hulse και Jοe Τaylοr και παρουσιάζει δύο μεγάλα πλεονεκτήματα: αφ' ενός ως διπλό σύστημα μας παρέχει έναν τρόπο να μελετήσουμε τη βαρύτητα εν δράσει, αφ' ετέρου διαθέτει τον πάλσαρ ο οποίος λειτουργεί ως εξαιρετικά ακριβές χρονόμετρο. Οι πάλσαρ πιστεύεται ότι είναι άστρα πολύ υψηλής πυκνότητας που συνίστανται κατά κύριο λόγο από νετρόνια.
Αποτελούν το υπόλειμμα που άφησε πίσω της μια έκρηξη σουπερνόβα.  Το άστρο περιστρέφεται ταχύτατα, με αποτέλεσμα να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς που χαρακτηρίζονται από απόλυτη κανονικότητα. Ο πάλσαρ των Hulse και Taylοr εκπέμπει παλμούς με περίοδο 0,0590299952709 δευτερολέπτων!
H ακρίβεια μέχρι δέκατου τρίτου δεκαδικού υπογραμμίζει την κανονικότητα των πάλσαρ, η οποία τους καθιστά εξαιρετικά ακριβή χρονόμετρα.
Χάρη σε αυτό τον μοναδικό συνδυασμό των παραπάνω χαρακτηριστικών, ένας διπλός πάλσαρ όπως ο PSR -1913+16 αποτελεί ένα αξιοθαύμαστο κοσμικό εργαστήριο για τον έλεγχο των προτεινόμενων βαρυτικών θεωριών . Για τη συγκεκριμένη ανακάλυψη, ΟΙ Hu1se και TayΙοr μοιάστηκαν το 1993 το Nobel φυσικής.

Συμβολόμετρο
Είναι ευαίσθητο όργανο με πολύ μεγάλη ακρίβεια που μπορεί να συγκριθεί μόνο με την διακριτική ικανότητα των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων. Σε αυτό το όργανο, μιά αρχική δέσμη φωτός με τη βοήθεια ημιδιαφανούς κατόπτρου χωρίζεται στα δύο, που μετά την ανάκλαση τους σε δύο κάτοπτρα επιστρέφουν πάλι στο διαχωριστή δέσμης, που τώρα έχει το ρόλο του συνθέτη, όπου οι δύο δέσμες συμβάλλουν και ανάλογα δίνουν κροσσούς συμβολής ομόκεντρους κύκλους ή ελαφρά καμπύλες γραμμές κλπ.

Σχηματική αναπαράσταση ενός ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων μέσω συμβολομετρίας με laser.