Οι ανιχνευτές των βαρυτικών κυμάτων ετοιμάζονται

Από σελίδα του New Scientist 6 Σεπτεμβρίου 2001

Τον τελευταίο καιρό γίνονται οι τελικές προετοιμασίες ενός πειράματος, που αποτελεί μια φιλόδοξη προσπάθεια για να συλληφθεί ένα από τα πιό θεμελιώδη φαινόμενα του κόσμου, αλλά μέχρι τώρα άπιαστο,  τα κύματα της βαρύτητας. Οι κρίσιμες οπτικές ίνες (από καλώδια υάλου), έχουν συνδεθεί τώρα με τους μισούς από τους καθρέφτες που απαιτούνται για το Γερμανο-Βρεττανικό πείραμα που λέγεται GEO600, και το οποίο πρέπει να μετρήσει μια απόσταση με μια ακρίβεια λιγότερο από ένα εκατομμύριο του εκατομμυρίου εκατομμυριοστό ενός μέτρου, δηλαδή 10^{- 18}m.

Η πρώτη δοκιμαστική λειτουργία του πειράματος τίθεται για τις 28 Δεκεμβρίου 2001, την ίδια μέρα που ένα άλλο αντίστοιχο αμερικανικό πείραμα από το ΜΙΤ, και που αποκαλείται LIGO, θα αρχίσει να βαδιζει επίσης το πρώτο βήμα του.

Τα κύματα βαρύτητας προβλέφθηκαν από τη γενική θεωρία Einstein της σχετικότητας, και ευρέως θεωρούνται  πως υπάρχουν, αλλά όμως δεν έχουν ανιχνευθεί ποτέ.  Αυτά θα πρέπει να εκπεμφθούν, παραδείγματος χάριν, από δύο pulsars που περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλο - καθώς οι τροχιές τους πλησιάζουν μεταξύ τους, η χαμένη τότε ενέργεια πρέπει να ακτινοβοληθεί με τη μορφή κυμάτων βαρύτητας.

Η επιτυχής τότε ανίχνευση των κυμάτων θα παρείχε ένα νέο εργαλείο για τους αστρονόμους. Αυτό θα επέτρεπε την εξέταση της καρδιάς των σουπερνοβών - ως γνωστόν το οπτικό φως τους εκπέμπεται μόνο από την επιφάνεια των αστεριών, αλλά όμως τα κύματα βαρύτητας εκπέμπονται από το κέντρο τους - αλλά και την εξέταση του σχηματισμού των μαύρων τρυπών.

Επίσης θα μπορούν να μας δώσουν μια αναλαμπή από την Μεγάλη Έκρηξη, σε ένα ακόμα πιό αρχικό στάδιο από αυτό που προδίδεται  από την κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου. Αν όμως η ταχύτητα των βαρυτικών κυμάτων δεν θα είναι η ίδια με αυτήν του φωτός, ένα τεράστιο κενό θα δημιουργηθεί στην θεωρία της γενικής σχετικότητας.

Τυχαίες διακυμάνσεις

Ο Norna Robertson, που χρηματοδοτείται από το PPARC και είναι στο Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης, είναι μέλος της Γερμανο-Βρεττανικής συνεργασίας και που εμπλέκεται στην εξάπλωση των οπτικών ινών στο πείραμα GEO600. Το πείραμα αυτό που έχει την βάση του κοντά στο Αννόβερο, στοχεύει να ανιχνεύσει τα κύματα βαρύτητας μέσω της χρησιμοποίησης φωτός λέιζερ για να μετρήσει τις διακυμάνσεις στην απόσταση μεταξύ των δύο καθρεφτών.

Η ακρίβεια που απαιτείται είναι τόσο μεγάλη που ακόμη και οι τυχαίες θερμικές διακυμάνσεις στα μεταλλικά καλώδια, μπορούν να παραγάγουν απαράδεκτο θόρυβο, αλλά όμως τα καλώδια οπτικών ινών  δίνουν μια πολύ λιγότερη μεταβολή. Εντούτοις, η χρήση τους είναι δύσκολη δεδομένου ότι τα καλώδια είναι ακριβώς 200 μικρά του μέτρου σε διάμετρο και μόνο τέσσερα χρησιμοποιούνται για να αναρτήσουν έναν καθρέφτη έξι κιλών.

Δύο καθρέφτες έχουν μέχρι τώρα επιτυχώς κρεμαστεί, και εναπομένουν τρείς ακόμη να γίνουν. Όταν αυτό, και οι τελικές συνδέσεις στο οπτικό σύστημα ολοκληρωθείι, το πείραμα θα είναι έτοιμο για να τρέξει.  Αυτο στοχεύει στην αξιολόγηση των επιπέδων του θορύβου και όπως είπε ο Robertson: "Αυτό το πείραμα όταν πρωτοεφαρμοστεί, είναι πολύ απίθανο να έχουμε μεγάλη ευαισθησία," αλλά η πρώτη πλήρης εφαρμογή του πειράματος θα πραγματοποιηθεί μέσα στο 2001, πιθανώς πριν τρέξει για δεύτερη φορά το  LIGO .

Μια αεροφωτογραφία που δείχνει πως θα αναπτυχθεί η συσκευή για τη μέτρηση των βαρυτικών κυμάτων από το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων με συμβολόμετρο Laser (LIGO) στο Hanford Nuclear Reservation, των ΗΠΑ. Το ανάπτυγμα της κάθε κεραίας σε αυτό το σχήμα L θα είναι 4 km., και έχει κοστίσει $300 εκατομμύρια. Το GEO600 είναι και μικρότερο και πολύ φτηνότερο, αλλά ο Robertson θεωρεί ότι η προηγμένη οπτική του και ο μικρός θόρυβος του, θα βοηθήσει την τεχνολογία θα παραδώσει ένα παρόμοιο επίπεδο ακρίβειας.

Ένα πείραμα με μήκος ποδιών 300m, έχει τρέξει στην Ιαπωνία ήδη αλλά έχει φθάσει στην ακρίβεια μόνο σε 10- ¹⁶m. Μια άλλη γαλλοιταλική συνεργασία είναι πίσω από το GEO600 και το LIGO στην ανάπτυξη. Μια ακόμα πιό φιλόδοξη προσπάθεια για να συλληφθούν τα κύματα της βαρύτητας βρίσκονται σε προγραμματισμό, για τη δεύτερη όμως δεκαετία του νέου αιώνα - που θα είναι ένας ανιχνευτής βασισμένος στο διάστημα.

Γιατί κάνουμε το πείραμα;

Τα βαρυτικά κύματα που όπως αναφέραμε είναι από τις πιό σπουδαίες προβλέψεις της Γ.Θ.Σ. του   Einstein, και πολλοί φυσικοί πιστεύουν πως υπάρχουν - αλλά ποτέ δεν έχουν παρατηρηθεί απ'ευθείας. Τέτοια κύματα ταξιδεύουν με τη  ταχύτητα του φωτός αλλά είναι πολύ διαφορετικά από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα με τα οποία είμαστε πιό εξοικειωμένοι, όπως είναι το ορατό φως, τα ραδιο-κύματα ή ακόμη και οι αόρατες X-ακτίνες.

Τα βαρυτικά κύματα αντανακλούν μιά περιοδική αλλαγή του χώρους τους. Οι πηγές των βαρυτικών κυμάτων περιλαμβάνουν μαύρες τρύπες, άστρα νετρονίων και πιθανώς ακόμη και το Big Bang.