Το διαστημικό σκάφος Cassini ψάχνει για αόριστες κυμάνσεις της βαρύτητας

Από σελίδα της NASA 20 Νοεμβρίου 2001

Διακυμάνσεις, που μόλις γίνονται αντιληπτές στην ταχύτητα, του ευρισκόμενου πολύ μακριά από τη Γη διαστημικού σκάφους Cassini της NASA, που βρίσκεται καθ'οδόν προς τον Κρόνο, θα μπορούσαν να δώσουν στους επιστήμονες την πρώτη άμεση ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας, ένα βασικό χαρακτηριστικό γνώρισμα για το πώς συμπεριφέρεται το σύμπαν.

Μια 40-ήμερος αναζήτηση που αρχίζει στις 26 Νοεμβρίου, θα χρησιμοποιήσει το διαστημικό σκάφος Cassini και τις ειδικά αναβαθμισμένες επίγειες εγκαταστάσεις του Deep Space Network της NASA.

"Το έχουμε δοκιμάσει αυτό και πριν, με άλλο διαστημικό σκάφος, αλλά αυτή τη φορά έχουμε νέα οργάνωση στο διαστημικό σκάφος και επάνω στη Γη που μας δίνει 10 φορές περισσότερη ευαισθησία," είπε ο αστρονόμος Δρ. John Armstrong του Jet Propulsion Laboratory της NASA, στην Πασαντένα της Καλιφόρνιας. "Είμαστε σε θέση να μετρήσουμε τη σχετική ταχύτητα μεταξύ της Γης και του Cassini με μια έξοχη ακρίβεια."

Η ταχύτητα του Cassini σχετικά με τη Γη θα ποικίλει κατά τη διάρκεια των 40 ημερών, κι αυτό το πείραμα θα μπορούσε να ανιχνεύσει οποιαδήποτε αλλαγή στην ταχύτητα όσο μικρή κι αν είναι. Οι αποκλίσεις αυτές που ελπίζουν να μετρήσουν, θα προκαλούσαν επιμήκυνση ή επιβράχυνση της 40ήμερης πορείας του για μερικά κλάσματα του δευτερολέπτου.

Τα κύματα βαρύτητας είναι κυματώσεις στον ιστό του χωρόχρονου που τίθενται λόγω των επιταχύνσεων των ογκωδών σωμάτων (γιαγαντιαία άστρα, μαύρες τρύπες, σουπερνόβα κλπ). Ο Αλβέρτος Einstein θεωρητικά υπολόγισε ότι υπάρχουν, και έμμεσα στοιχεία επιβεβαίωσαν την πρόβλεψή του στη δεκαετία του '70.

"Τα κύματα βαρύτητας είναι στα σύνορα της αστροφυσικής. Δεν τίθεται καμία ερώτηση αν υπάρχουν, αλλά δεν έχουν ανιχνευθεί ακόμα άμεσα, ", είπε ο Armstrong, επικεφαλής μιας διεθνούς ομάδας που έχει προετοιμαστεί επί χρόνια για να διεξαγάγει αυτήν την αναζήτηση.

"Τα κύματα βαρύτητας μπορούν να μας δώσουν ένα άλλο παράθυρο στον κόσμο, στο δρόμο που μας άνοιξε το τηλεσκόπιο του Γαλιλαίου στο 17ο αιώνα όπως επίσης και τα ραδιο-τηλεσκόπια στη δεκαετία του '40," είπε ο  Randy Herrera του JPL, επικεφαλής μηχανικός των εργασιών. Η δυνατότητα να ανιχνευθούν τα κύματα βαρύτητας θα μπορούσε να οδηγήσει σε χρήση τους, ως ένας τρόπος να μελετηθούν οι μαύρες τρύπες και άλλα ογκώδη φαινόμενα, πρόσθεσε.

Ο Cassini είναι τώρα σε μια ήρεμη φάση της αποστολής του, 11 μήνες αφού πέρασε τον Δία αλλά θέλει ακόμα περισσότερο από 30 μήνες για τον τελικό προορισμό του που είναι ο Κρόνος. Οι ερευνητές θα χρησιμοποιήσουν τις ραδιο-μεταδόσεις μεταξύ του Cassini και της Γης στην αναζήτηση του κυμάτων βαρύτητας μετρώντας τις στρεβλώσεις του χώρου μεταξύ αυτών των δύο.

Οι μεταδόσεις αυτές θα αποκαλύψουν αλλαγές της ταχύτητας λόγω της επίδρασης Doppler, το ίδιο φαινόμενο που αυξάνει την οξύτητα του συριγμού ενός τραίνου που προσεγγίζει ή αυξάνει το μήκος κύματος των φωτεινών κυμάτων από έναν γαλαξία που απομακρύνεται από τη Γη.

Εάν κύματα βαρύτητας μέσα σε μια ιδιαίτερη περιοχή του φάσματος με μακρά μήκηγ κύματος, διέλθουν μέσω του ηλιακού μας συστήματος,  τότε διαδοχικά θα 'τεντώσουν' και θα 'συμπιέσουν' το χώρο, με έναν τρόπο που θα είχε ρυθμικές επιπτώσεις στην απόσταση της Γης με τον Cassini.

Οι Ιταλοί επιστήμονες ο Δρ. Bruno Bertotti του Πανεπιστημίου της Παβία και ο Δρ. Luciano Less του Πανεπιστημίου της Ρώμης είναι συνεπικεφαλείς του πειράματος. Η Εθνική Διαστημική Αντιπροσωπεία της Ιταλίας, Agenzia Spaziale Italiana, παρείχε τον κρίσιμο εξοπλισμό στον Cassini, επιτρέποντας στο πείραμα των κυμάτων βαρύτητας να χρησιμοποιήσει τις ραδιο-μεταδόσεις υψηλής-συχνότητας που είχαν χρησιμοποιηθεί σε προηγούμενες αναζητήσεις κυμάτων βαρύτητας με τους Galileo, Mars Observer, Ulysses και Mars Global Surveyor. Η υψηλότερη συχνότητα μετάδοσης καταστέλλει το θόρυβο από τον ηλιακό άνεμο, επιτρέποντας έτσι τις ακριβέστερες μετρήσεις των μεταβολών της ταχύτητας.

Οι μηχανικοί της JPL έχουν προσεκτικά ενοργανώσει μια μεγάλη κεραία σχήματος πιάτου του Deep Space Network Goldstone που βρίσκεται στο Barstow της Καλιφόρνια, για να στείλουν και να λάβουν τις υψηλότερες συχνότητες με μιά πρωτοφανή ευαισθησία στο φαινόμενο Doppler.

Η βελτίωση περιλαμβάνει λεπτομερή ικανότητα σκόπευσης, που απαιτείται για να εκμεταλλευτεί τις υψηλότερες συχνότητες, είπε ο Sami Asmar, επόπτης της ραδιο-ομάδας του JPL. Ένας άλλος νέος εξοπλισμός στο Goldstone θα επιτρέψει στους ερευνητές να διορθώσουν  τις ραδιο-μεταδόσεις λόγω της διαστρέβλωσης της ατμόσφαιρας και να βελτιώσει έτσι την απόδοση της αναζήτησης.

Το πείραμα θα χρησιμοποιήσει συνδέσεις με χαμηλότερες ραδιοσυχνότητες μεταξύ του Cassini και των κεραιών του Deep Space Network, κεραιών κοντά στη Μαδρίτη της Ισπανίας και τέλος κεραιών στην Καμπέρρα της Αυστραλίας. Αυτό θα επιτρέψει στους επιστήμονες τις  παρατηρήσεις επί εικοσιτετραώρου βάσεως. Η λήψη στοιχείων με ανεξάρτητο εξοπλισμό επί τριών τόπων, θα βοηθήσει ώστε να ξεχωρίσουν τα σήματα που μπορεί να είναι κύματα βαρύτητας.

Η επιστημονική σημασία της ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων έχει προτρέψει επίσης πολλά επίγεια προγράμματα,  ειδικότερα το   ιδιαίτερα ευαίσθητο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ, που συντονίζεται από το Τεχνολογικό Ιδρυμα Καλιφόρνιας, στο Πασαντένα, και το Τεχνολογικό Ιδρυμα της Μασαχουσέτης στο Καίμπριτζ. Οι δύο προσεγγίσεις συμπληρώνουν η μια την άλλη επειδή το πείραμα Cassini είναι ευαίσθητο στα πολύ-πολύ μακρά μήκη κύματος των κυμάτων βαρύτητας από ό,τι είναι τα επίγεια συμβολόμετρα με λέιζερι, είπε ο Armstrong.

Το πείραμα Cassini είναι χρονομετρημένο έτσι ώστε η Γη να είναι σε μια ευθεία γραμμή μεταξύ του ήλιου και του διαστημικού σκάφους, που ελαχιστοποιεί έτσι τους θορύβους στη ραδιο-σύνδεση. Οι μετρήσεις που θα λαμβάνονται κατά τη διάρκεια των 40 ημερών θα διαρκέσουν αρκετούς μήνες για να αναλυθούν. Το πείραμα θα επαναληφθεί δύο φορές στα επόμενα δύο έτη όταν η θέση του διαστημικού σκάφους θα καταστήσει τις μετρήσεις ευαίσθητες στα κύματα βαρύτητας από διαφορετικές κατευθύνσεις στον ουρανό.

Το Cassini, που προωθήθηκε το 1997, θα αρχίσει να βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο, την 1η Ιουλίου του 2004, και θα ρίξει το μικρό σκάφος του Huygens, επάνω στο φεγγάρι του Κρόνου Τιτάνα, που σκεπάζεται με μια ελαφριά ομίχλη, περίπου έξι μήνες αργότερα. Η αποστολή είναι μια συνεργασία της NASA, της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Αντιπροσωπείας (ESA) και της Agenzia Spaziale Italiana. Η JPL ένα τμήμα του Caltech, διαχειρίζεται το πρόγραμμα Cassini για λογαριασμό της NASA.

Είναι γεγονός πως και σε άλλες περιπτώσεις πχ στον Pioneer, είχαν οι επιστήμονες βρεθεί σε μυστηριώδεις ωθήσεις στην τροχιά διαστημικών οχημάτων, που εικάζεται πως είχαν αιτία τα βαρυτικά κύματα.

Κύματα βαρύτητας

Μιά και η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν  ικανοποιεί τη βασική αρχή για το αναλλοίωτο της ταχύτητας του φωτός έπεται ότι η βαρυτική δύναμη (όπως άλλωστε και η ηλεκτρομαγνητική) μεταδίδεται με πεπερασμένη ταχύτητα όχι μεγαλύτερη από τη ταχύτητα του φωτός, με τη μορφή βαρυτικού κύματος.

Η Γενική θεωρία της Σχετικότητας προβλέπει την ύπαρξη κυμάτων βαρύτητας. Η πειραματική όμως διαπίστωση της ύπαρξης των κυμάτων αυτών είναι πολύ δύσκολη και δεν έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα παρ' όλες τις προσπάθειες και τις κατά καιρούς θετικές ενδείξεις. Η μεγάλη δυσκολία πηγάζει από το ότι η δύναμη βαρύτητας είναι πολύ ασθενής, επομένως και τα κύματα βαρύτητας μεταφέρουν πολύ λίγη ενέργεια πράγμα που τα κάνει να περνούν απαρατήρητα.

Τέλος στην θεωρία βαρύτητας του Αϊνστάιν το σχήμα που χρησιμοποιείται για τη περιγραφή της βαρύτητας (μάζα - γεωμετρία - τροχιά) είναι διαφορετικό από εκείνο που χρησιμοποιείται στον Ηλεκτρομαγνητισμό (φορτίο - δυνάμεις - τροχιά).