Θα συνδεθούν χιλιάδες υπολογιστές για την έρευνα των βαρυτικών κυμάτων

Πηγή: Nature, 1 Φεβρουαρίου 2005

Με τη βοήθεια υπολογιστών από όλο τον κόσμο οι φυσικοί ελπίζουν να ανιχνεύσουν στον ουρανό δονήσεις του χωρόχρονου

Επιστήμονες που ψάχνουν για τα κύματα της βαρύτητας, που μεταβάλλουν τον χωροχρονικό ιστό του διαστήματος,  πρόκειται σύντομα να ζητήσουν τη βοήθεια του κοινού για την ανάλυση των στοιχείων τους.

Οι ερευνητές στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με τη βοήθεια λέιζερ (LIGO) ελπίζουν να μαζέψουν μέχρι ένα εκατομμύριο προσωπικούς υπολογιστές για να μπορέσουν να αναζητήσουν τις πηγές των κυμάτων, που ενώ έχουν προβλεφθεί εδώ και καιρό δεν έχουν μπορέσει να τα δουν ποτέ.

Αυτό το μήνα αναμένεται να διατεθεί το σχετικό πρόγραμμα, που θα είναι ένα από τα μεγαλύτερα προγράμματα αυτού του είδους που φτιάχτηκαν ποτέ. Το λογισμικό βρίσκεται ήδη στη βήτα φάση της δοκιμής του.

Η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αλβέρτου Αϊνστάιν βασίζεται στην ιδέα ότι η βαρύτητα διαστρεβλώνει το διάστημα και το χρόνο. Και για να δοκιμαστεί η θεωρία του, πίστευε ότι τα κύματα της βαρύτητας θα δημιουργούσαν κυματισμούς στο σύμπαν. Υπάρχουν όμως κάποιοι ισχυρισμοί ότι τέτοια κύματα έχουν επισημανθεί έμμεσα, από τις παρατηρήσεις των τροχιών των διπλών αστρικών συστημάτων, και που το ένα άστρο επηρεάζει την τροχιά του άλλου. Αλλά κανένας δεν τα έχει δει άμεσα.

Από το 2000, οι ερευνητές του LIGO ψάχνουν στον ουρανό για μικροσκοπικές μετατοπίσεις του χώρου, που θα απεδείκνυαν τη θεωρία του Einstein. Το ερευνητικό πρόγραμμα στηρίζεται από το Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας και της Μασαχουσέτης, χρησιμοποιεί δε ένα σύστημα λέιζερ και κατόπτρων που μπορεί να ανιχνεύσει μια τόσο μικρή μετατόπιση στο χώρο, όσο και το πλάτος ενός ατόμου.

Η καλύτερη ελπίδα που έχουν οι επιστήμονες του LIGO για την ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας είναι να επισημανθεί μια κοσμική πηγή που να στέλνει κανονικούς παλμούς βαρυτικής ενέργειας. Μια τέτοια πηγή μπορεί να είναι ένα περιστρεφόμενο άστρο νετρονίων, που μπορεί να εκπέμπουν βαρυτικά κύματα αν υπάρχουν. 

Το πρόβλημα είναι ότι οι ανιχνευτές του LIGO συλλαμβάνουν έναν τεράστιο αριθμό ανεπιθύμητων δονήσεων. "Είναι σαν να ψάχνεις βελόνα στα άχυρα: Το 99,99% των στοιχείων είναι θόρυβος", λέει ο Bruce Allen, φυσικός στο πανεπιστήμιο του Wisconsin στο Μιλγουώκι.

Εκτός από το αμερικανικό Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ στις ΗΠΑ (LIGO), βαρυτικά κύματα προσπαθούν τώρα να ανιχνεύσουν και το βρετανο-γερμανικό παρατηρητήριο GEO-600.

Τα στοιχεία από τους ανιχνευτές πρέπει να αναλυθούν σε πολλές συχνότητες, γι αυτό και απαιτείται τεράστια υπολογιστική ισχύς.

Έτσι η ομάδα θέλει τη βοήθεια του κοινού. Ξεκινώντας το Φεβρουάριο, ο καθένας μπορεί να φορτώσει ένα πρόγραμμα που θα αναλύει αυτόματα ένα μικρό τμήμα στοιχείων της ομάδας.

Το project, γνωστό ως Einstein@home, θα χρησιμοποιεί υπολογιστές, όταν δεν απασχολούνται με σκοπό να βρεθούν οι πηγές των κυμάτων βαρύτητας. Όσο θα δουλεύει στον υπολογιστή το πρόγραμμα θα παρουσιάζεται ένα screensaver με θέμα τον νυκτερινό ουρανό.

Το Einstein@home θα δουλεύει δηλαδή σαν το SETI@home, που ξεκίνησε το 1999 για την αναζήτηση σημάτων από εξωγήινους πολιτισμούς και μέχρι τώρα έχει προσελκύσει περισσότερους από 5 εκατομμύρια χρήστες. Υπάρχουν όμως και άλλες παρεμφερείς προσπάθειες για τη μελέτη της αλλαγής του κλίματος και την έρευνα των πρωτεϊνών.

Ήδη πάνω από 50.000 χρήστες του διαδικτύου σε όλο τον κόσμο τρέχουν στους υπολογιστές τους το πρόγραμμα που αναλύει ερευνητικά δεδομένα με στόχο την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων που προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Και ο ρυθμός αύξησης των χρηστών που δηλώνουν συμμετοχή από όλον τον κόσμο είναι 1.000 άτομα την ημέρα.

Καθώς η ανάλυση των μετρήσεων είναι χρονοβόρος και απαιτεί τεράστια επεξεργαστική ισχύ, το Einstein@Home καταμερίζει το υπολογιστικό φορτίο σε χιλιάδες υπολογιστές, καθένας από τους οποίους επεξεργάζεται ένα διαφορετικό υποσύνολο δεδομένων, μεγέθους 12 Megabyte. Το πρόγραμμα τρέχει μόνο όταν το PC δεν χρησιμοποιείται.

Αν τουλάχιστον τρεις χρήστες εντοπίσουν ένα υποψήφιο σήμα στο ίδιο υποσύνολο δεδομένων, οι υπεύθυνοι του Einstein@Home θα αναλάβουν να το αναλύσουν περισσότερο.

Το Einstein@Home αναλύει προς το παρόν 30 Gigabyte δεδομένων που συλλέχθηκαν στη διάρκεια 600 ωρών παρατήρησης με το LIGO. Σύντομα όμως θα συμπεριλάβει και νέες παρατηρήσεις αυξημένης ευαισθησίας, οι οποίες θα επέτρεπαν την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από περιστρεφόμενα άστρα νετρονίων σε ακτίνα 1.500 ετών φωτός από τη Γη.

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 Αλβέρτος 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, μια 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.