Ψάχνοντας τα βαρυτικά κύματα με το LISA

Από την ιστοσελίδα Royal Astronomical Society, 16 Ιουνίου 2004

Τα κύματα βαρύτητας προβλέφθηκαν για πρώτη φορά στη θεωρία της γενική σχετικότητας του Einstein, που δημοσιεύθηκε το 1916. Εντούτοις, αν και οι αστρονόμοι έχουν έμμεσα αποδεικτικά στοιχεία για την ύπαρξή τους, κανένα τέτοιο κύμα δεν έχει ανιχνευθεί ακόμα άμεσα.

Βρετανοί επιστήμονες, που βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της αναζήτησης αυτών των αόριστων κυματισμών του χωρόχρονου, συμμετέχουν σε δύο επίγεια πειράματα: το γερμανοβρετανικό πρόγραμμα GEO 600 και το αμερικανικό πείραμα LIGO  (Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ).

Αλλά τώρα, και η βρετανική βιομηχανία αρχίζει να παίζει, επίσης, ένα σημαντικό ρόλο. Την Τετάρτη, 23 Ιουνίου, θα ανατεθεί στην EADS Astrium η σύμβαση για το διαστημικό σκάφος της ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων Ανιχνευτής LISA από την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία (ESA).

"Αν και η EADS Astrium ήταν υπεύθυνη για τα περισσότερα από τα διαστημικά προγράμματα εξερεύνησης της ESA τα τελευταία χρόνια, όπως το σκάφος Rosetta, το Mars Express, το Venus Express, το Galileo (το δορυφορικό σύστημα ναυσιπλοΐας της Ευρώπης) και το Aeolus (ένα πρόγραμμα παρατήρησης της Γης όπου θα μετρηθούν οι ταχύτητες του αέρα σε παγκόσμιο επίπεδο) αυτή είναι η πρώτη διαστημική επιστημονική σύμβαση που θα είναι κυρίαρχος ο ρόλος της Βρετανίας," είπε ο Δρ Mike Healy, βρετανός διευθυντής για τη Γήινη Παρατήρηση, τη Ναυσιπλοΐα και την Επιστήμη της EADS Astrium.

Ο Pathfinder (Ανιχνευτής) LISA είναι μια αποστολή επίδειξης, που έχει ως σκοπό να δοκιμάσει τις προηγμένες τεχνολογίες που απαιτούνται για το διαστημικό πρόγραμμα Laser Interferometer Space Antenna (LISA) της ESA-NASA , μια σύνθετη, διαστημική αποστολή πολλών σκαφών η οποία σχεδιάζεται να ξεκινήσει το πρώτο μισό της επόμενης δεκαετίας (περίπου το 2012).

Για μία περίοδο τουλάχιστον 2 ετών, το LISA θα ανιχνεύσει τα κύματα βαρύτητας από διάφορα συμπαγή αστρονομικά αντικείμενα, όπως είναι οι τεράστιες μαύρες τρύπες σε μεγάλες αποστάσεις από τη Γη μέχρι τους λευκούς νάνους με μάζα μικρότερη του Ήλιου στο γαλαξία μας. Οι λευκοί νάνοι είναι αντικείμενα εξαιρετικά πυκνά, που είναι ότι απέμεινε από ένα άστρο που τελείωσαν τα πυρηνικά του καύσιμα, δηλαδή είναι ένα νεκρό άστρο.

Επίσης 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 αποστολή θα αποτελείται από τρία διαστημικά σκάφη, που θα πετούν σε αποστάσεις 5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων το ένα από το άλλο, σε σχηματισμό ισοπλεύρου τριγώνου.  Μαζί, θα ενεργούν ως συμβολόμετρα Michelson για να μετρήσουν τη στρέβλωση του χώρου που προκαλείται με τη διάβαση των βαρυτικών κυμάτων.

Οι ακτίνες λέιζερ σε κάθε διαστημικό σκάφος θα χρησιμοποιηθούν για να μετρήσουν μικροσκοπικές αλλαγές στις αποστάσεις ανάμεσα σε ελεύθερες να επιπλέουν μάζες μέσα σε κάθε διαστημικό σκάφος.

Δηλαδή, οι ακτίνες λέιζερ θα ανακλώνται από δύο δοκιμαστικές μάζες σε κάθε δορυφόρο. Όταν θα μετρηθεί με εξαιρετική ακρίβεια η απόσταση μεταξύ των διαστημικών σκαφών, θα είναι δυνατό να καθοριστεί εάν το ύφασμα του χωρόχρονου στο οποίο ταξιδεύουν τα διαστημόπλοια, έχει διαστρεβλωθεί από διερχόμενα βαρυτικά κύματα.

Ο σχηματισμός των τριών διαστημικών σκαφών θα στρέφεται προς τον ήλιο και θα βρεθεί σε ένα επίπεδο κλίσης 60 μοιρών με τη γήινη τροχιά. Τα 3 σκάφη θα είναι σε τροχιά γύρω από  τον ήλιο, 20 μοίρες πίσω από τη Γη, και το σύστημα θα περιστρέφεται μία φορά το χρόνο. Αυτή η τροχιακή κίνηση θα βοηθήσει ώστε να ανιχνευθεί η κατεύθυνση κάθε πηγής βαρυτικής ακτινοβολίας.

Η θέση του σχηματισμού στο πλανητικό σύστημα

Αν και ο σχηματισμός LISA δεν θα επηρεάζεται από τις δονήσεις που βρίσκονται στα επίγεια παρατηρητήρια, οι δοκιμαστικές μάζες πρέπει να είναι μέσα σε ενεργές ασπίδες, ώστε να τις προστατεύσουν από την σταθερή ροή των φορτισμένων σωματιδίων που έρχονται από τον ήλιο. Ανιχνευτές δε θα ανιχνεύουν τη σχετική κίνηση του διαστημικού σκάφους και τα ευαίσθητα δοκιμαστικά κάτοπτρα, και θα δίνουν διαταγές στους προωθητές πυραύλους να ελαχιστοποιήσουν τη σχετική κίνηση.

Προκειμένου να προετοιμαστεί για αυτήν την δύσκολη αποστολή, η ESA θα στείλει ένα δορυφόρο στο διάστημα σε λίγα χρόνια, τον LISA Pathfinder (Ανιχνευτής), για να κάνει διάφορες δοκιμές των συστημάτων της κύριας αποστολής LISA. Ο Ανιχνευτής θα αποτελείται από έναν μόνο δορυφόρο που θα περιέχει δύο δοκιμαστικές μάζες, που θα πετούν ελεύθερα, ακριβώς όπως και εκείνες που θα είναι στο LISA, μαζί με ένα ακριβείας σύστημα μέτρησης αποστάσεων  - με τη βοήθεια λέιζερ - για να ελέγξει την κίνηση των μαζών.

Θα χρησιμοποιηθούν δε καινούργιοι μικρο-προωθητές για να ελέγξουν την κίνηση του διαστημικού σκάφους και να προστατεύσουν ενεργά τις δοκιμαστικές μάζες. Ο στόχος είναι να μπορούν να τοποθετήσουν το διαστημικό σκάφος με ακρίβεια του νανομέτρου (ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου) σε σχέση με τις μάζες, και να καταδείξει ότι ακολουθούν καθαρώς αδρανείς τροχιές, χωρίς να διαταράσσονται από εξωτερικές δυνάμεις. Ο Ανιχνευτής LISA θα φέρει επίσης μια παρόμοια δοκιμαστική συσκευασία από τη NASA, την ST-7.

"Η παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων από τις βίαιες αστροφυσικές πηγές στον Κόσμο είναι ένα από τα πιο δύσκολα και προκλητικά προβλήματα για την πειραματική φυσική", λέει ο καθηγητής Jim Hough (Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης). "Η ανίχνευση τους ανοίγει ένα νέο παράθυρο στον Κόσμο, ενώ η πρόοδος της θεμελιώδους φυσικής και της αστροφυσικής θα είναι τεράστια".

Υπάρχουν πολλές πιθανές πηγές βαρυτικών κυμάτων, συμπεριλαμβανομένων των μαύρων οπών, δυαδικών συστημάτων μαύρων τρυπών και άστρων νετρονίων, καταρρεύσεις άστρων, περιστρεφόμενων άστρων νετρονίων, δυαδικά συστήματα εκπομπής ακτίνων-X, και διάφορων αστροφυσικών και κοσμολογικών υποβάθρων.

Τι είναι τα κύματα βαρύτητας;

Βαρυτικά κύματα από αντικείμενα

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.

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.

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είχε προβλέψει την ύπαρξη των κυμάτων βαρύτητας το 1916 στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, αλλά μονάχα τώρα ο άνθρωπος έχει την τεχνολογία που θα του επιτρέψει την ανίχνευσή τους.

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.

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. 

'Όταν ένα βαρυτικό κύμα διαπερνά τους βραχίονές του, οι διαστάσεις τους μεταβάλλονται ελαφρώς, οδηγώντας έτσι σε φαινόμενα συμβολής δεσμών λέιζερ, τα οποία μπορούν να καταγραφούν . Η ευαισθησία που απαιτεί το πρόβλημα θέτει αυστηρούς περιορισμούς στις προδιαγραφές των διάφορων στοιχείων της διάταξης. Η δέσμη λέιζερ πρέπει να έχει ακριβώς τα σωστά χαρακτηριστικά (διεύθυνση, σχήμα και μήκος κύματος) και να διαδίδεται σε σωλήνες υψηλού κενού. Τα λαμβανόμενα δεδομένα, τέλος, πρέπει να υποβληθούν σε αρκετά πολύπλοκη μαθηματική ανάλυση ώστε να εξαχθεί το ασθενές σήμα από το υπόβαθρο του έντονου και μπερδεμένου θορύβου.