Για σχεδόν 100 χρόνια, οι επιστήμονες αναζητούν άμεσες ενδείξεις για την ύπαρξη κυμάτων βαρύτητας εξασθενημένων κυματισμών στον ιστό του χωροχρόνου που προβλέπεται στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Albert Einsteins. Σήμερα, το κυνήγι των κυμάτων βαρύτητας έχει γίνει παγκόσμια προσπάθεια με τη συμμετοχή εκατοντάδων επιστημόνων. Έχουν αναπτυχθεί πολλές μεγάλες, επίγειες εγκαταστάσεις στην Ευρώπη, τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιαπωνία, αλλά η πιο εξελιγμένη αναζήτηση όλων σύντομα θα πραγματοποιηθεί στο διάστημα.
Μιλώντας την Τρίτη 5 Απριλίου στην Εθνική Συνάντηση Αστρονομίας της RAS στο Μπέρμιγχαμ, ο καθηγητής Mike Cruise θα περιγράψει ένα κοινό έργο ESA-NASA που ονομάζεται LISA (Laser Interferometric Space Antenna). Προγραμματισμένη για εκτόξευση το 2012, η LISA θα περιλαμβάνει τρία διαστημόπλοια που πετούν σε σχηματισμό γύρω από τον Ήλιο, καθιστώντας το το μεγαλύτερο επιστημονικό όργανο που έχει τοποθετηθεί ποτέ σε τροχιά.
Η LISA αναμένεται να προσφέρει τις καλύτερες πιθανότητες επιτυχίας στην αναζήτηση των συναρπαστικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας, δήλωσε ο καθηγητής Cruise. Ωστόσο, η αποστολή είναι μια από τις πιο περίπλοκες, τεχνολογικές προκλήσεις που έχουν αναληφθεί ποτέ. Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, τα κύματα βαρύτητας προκαλούνται από την κίνηση μεγάλων μαζών (π.χ. αστέρια νετρονίων ή μαύρες τρύπες) στο Σύμπαν. Η βαρυτική επίδραση μεταξύ μακρινών αντικειμένων αλλάζει καθώς οι μάζες κινούνται, με τον ίδιο τρόπο που τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία δημιουργούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που μπορούν να ανιχνεύσουν τα ραδιοσυστήματα και οι τηλεοράσεις.
Στην περίπτωση ενός πολύ ελαφρού ατομικού σωματιδίου όπως το ηλεκτρόνιο, η κίνηση μπορεί να είναι πολύ γρήγορη, δημιουργώντας έτσι κύματα σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, συμπεριλαμβανομένων των εφέ που ονομάζουμε φως και ακτίνες Χ. Δεδομένου ότι τα αντικείμενα που παράγουν κύματα βαρύτητας είναι πολύ μεγαλύτερα και πιο ογκώδη από τα ηλεκτρόνια, οι επιστήμονες αναμένουν να εντοπίσουν κύματα πολύ χαμηλότερης συχνότητας με περιόδους που κυμαίνονται από κλάσματα του δευτερολέπτου έως αρκετές ώρες.
Τα κύματα είναι πράγματι πολύ αδύναμα. Αποκαλύπτονται ως εναλλασσόμενο τέντωμα και συστολή της απόστασης μεταξύ των δοκιμαστικών μαζών που αναστέλλονται με τρόπο που τους επιτρέπει να κινηθούν. Εάν δύο τέτοιες μάζες δοκιμής απέχουν ένα μέτρο, τότε τα κύματα βαρύτητας της αντοχής που αναζητούνται επί του παρόντος θα άλλαζαν το διαχωρισμό τους κατά μόλις 10e-22 ενός μέτρου, ή ένα δέκατο χιλιοστό του εκατοστιαίου εκατομμυρίου του εκατομμυρίου του εκατομμυρίου του μέτρου.
Αυτή η αλλαγή στο διαχωρισμό είναι τόσο μικρή που εμποδίζει την αναστάτωση των δοκιμαστικών μαζών από τη βαρυτική επίδραση των τοπικών αντικειμένων, και τον σεισμικό θόρυβο ή τον τρόμο της ίδιας της Γης, είναι ένα πραγματικό πρόβλημα που περιορίζει την ευαισθησία των ανιχνευτών. Δεδομένου ότι κάθε μήκος του μετρητή στην απόσταση μεταξύ των μαζών δοκιμής αυξάνεται ξεχωριστά στις μικροσκοπικές αλλαγές που αναζητούνται, η αύξηση του μήκους του διαχωρισμού μεταξύ των μαζών δημιουργεί μια μεγαλύτερη συνολική αλλαγή που θα μπορούσε να ανιχνευθεί. Κατά συνέπεια, οι ανιχνευτές κύματος βαρύτητας κατασκευάζονται όσο το δυνατόν μεγαλύτεροι.
Οι τρέχοντες επίγειοι ανιχνευτές καλύπτουν αποστάσεις λίγων χιλιομέτρων και πρέπει να είναι σε θέση να μετρήσουν τις περιόδους χιλιοστών του δευτερολέπτου αντικειμένων που περιστρέφονται γρήγορα, όπως αστέρια νετρονίων που έχουν απομείνει από αστρικές εκρήξεις ή συγκρούσεις μεταξύ αντικειμένων στην τοπική γαλαξιακή γειτονιά μας. Υπάρχει, ωστόσο, έντονο ενδιαφέρον για την κατασκευή ανιχνευτών για αναζήτηση των συγκρούσεων μεταξύ τεράστιων μαύρων τρυπών που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια συγχωνεύσεων πλήρων γαλαξιών. Αυτά τα βίαια γεγονότα θα δημιουργούσαν σήματα με πολύ χαμηλές συχνότητες - πολύ χαμηλά για να παρατηρηθούν πάνω από τον τυχαίο σεισμικό θόρυβο της Γης.
Η απάντηση είναι να πάει στο διάστημα, μακριά από τέτοιες διαταραχές. Στην περίπτωση της LISA, τα τρία διαστημόπλοια θα πετάξουν σε σχηματισμό, σε απόσταση 5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων. Οι ακτίνες λέιζερ που ταξιδεύουν μεταξύ τους θα μετρήσουν τις αλλαγές στο διαχωρισμό που προκαλούνται από τα κύματα βαρύτητας με ακρίβεια περίπου 10 picometres (εκατό χιλιοστό του εκατομμυρίου του ενός μέτρου). Δεδομένου ότι οι δοκιμαστικές μάζες σε κάθε διαστημικό σκάφος θα πρέπει να προστατεύονται από διάφορες διαταραχές που προκαλούνται από φορτισμένα σωματίδια στο διάστημα, πρέπει να στεγάζονται σε θάλαμο κενού στο διαστημικό σκάφος. Η απαιτούμενη ακρίβεια είναι 1.000 φορές πιο απαιτητική από ό, τι έχει επιτευχθεί ποτέ στο διάστημα και έτσι η ESA προετοιμάζει μια δοκιμαστική πτήση του συστήματος μέτρησης λέιζερ σε μια αποστολή που ονομάζεται LISA Pathfinder, η οποία πρόκειται να κυκλοφορήσει το 2008.
Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, το Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης και το Imperial College London προετοιμάζουν επί του παρόντος τα όργανα για το LISA Pathfinder σε συνεργασία με την ESA και συναδέλφους σε Γερμανία, Ιταλία, Ολλανδία, Γαλλία, Ισπανία και Ελβετία. Όταν η LISA λειτουργεί σε τροχιά, αναμένουμε να παρατηρήσουμε το Σύμπαν μέσω του νέου παραθύρου που προσφέρεται από τα κύματα βαρύτητας, δήλωσε ο Cruise. Εκτός από τα αστέρια νετρονίων και τις τεράστιες μαύρες τρύπες, ενδέχεται να είμαστε σε θέση να ανιχνεύσουμε τους ηχώ του Big Bang από τα κύματα βαρύτητας που εκπέμπονται μικροσκοπικά κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το γεγονός που ξεκίνησε το Σύμπαν μας με την τρέχουσα εξέλιξή του.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων RAS
