Αστροφυσική

Αν συγκεντρώναμε σε έναν κατάλογο τους πόθους των αστροφυσικών, μία από τις πρώτες θέσεις του θα καταλάμβανε αναμφίβολα η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων ―των ρυτιδώσεων του χωροχρόνου που προκαλούνται από φαινόμενα εξαιρετικής κοσμικής βιαιότητας, όπως είναι οι υπερκαινοφανείς εκρήξεις και οι συνενώσεις μαύρων τρυπών. Οι ερευνητές στηρίζουν τις ελπίδες τους σε ανιχνευτές μήκους αρκετών χιλιομέτρων. Ο μεγαλύτερος στον κόσμο τέτοιος ανιχνευτής, ο αξίας 371 εκατομμυρίων δολαρίων Ανιχνευτής Βαρυτικών Κυμάτων μέσω Συμβολομετρίας Λέιζερ (LIGO), άρχισε να συλλέγει δεδομένα πέρυσι. Τον Ιούλιο που μόλις μας πέρασε, μια γαλλοϊταλική συνεργασία εγκαινίασε ένα καινούργιο αστεροσκοπείο βαρυτικών κυμάτων, το VIRGO, το οποίο, αν και υστερεί σε μέγεθος απέναντι στο LIGO, ίσως τελικά αποδειχτεί ικανότερο στο κυνήγι των φευγαλέων ρυτιδώσεων. Και κοστίζοντας μόνο 75 περίπου εκατομμύρια ευρώ, είναι οπωσδήποτε σημαντικά φτηνότερο.

Όπως και το LIGO, το VIRGO είναι ένα συμβολόμετρο Michelson, όπως έχει καθιερωθεί να λέγεται: φως από μια πηγή λέιζερ διέρχεται από έναν διαχωριστή δέσμης και διαδίδεται κατά μήκος δύο κάθετων αερόκενων σωλήνων. Οι δέσμες ανακλώνται πάνω σε κάτοπτρα τοποθετημένα στα άκρα των σωλήνων και συμβάλλουν η μία με την άλλη. Συγκεκριμένα, μάλιστα, συμβάλλουν καταστρεπτικά ―δηλαδή, τα δύο κύματα αλληλοαναιρούνται. Οποιαδήποτε ελαφρά μεταβολή του χρόνου άφιξης (της φάσης) καθίσταται εμφανής με τη μορφή μιας αμυδρής δέσμης, η οποία μπορεί να ανιχνευθεί με τη βοήθεια ενός οπτικού αισθητήρα.

Οι βραχίονες του συμβολομέτρου LIGO έχουν μήκος 4 χιλιομέτρων, ενώ εκείνοι του VIRGO 3. Και στις δύο περιπτώσεις, το «ενεργό» μήκος των βραχιόνων είναι πολύ μεγαλύτερο, καθότι οι δέσμες διανύουν τους βραχίονες ανακλώμενες από τα κάτοπτρα μπρος-πίσω περίπου 50 φορές. Σε τέτοιες αποστάσεις, οι παραμορφώσεις του χώρου υπολογίζονται σε περίπου 1 εκατομμυριοστό της διαμέτρου του ατόμου, δηλαδή αρκετά μεγάλες ώστε να προκαλέσουν αισθητές διαφορές στη φάση των συμβαλλουσών φωτεινών δεσμών. Ώς τώρα, η μεγάλη πρόκληση συνίστατο στη βελτίωση της ευαισθησίας των ανιχνευτών: υπάρχει κίνδυνος οι δονήσεις των κατόπτρων να «πνίξουν» τυχόν ασθενή σήματα.

Η σεισμικότητα αντιπροσωπεύει ένα μείζον πρόβλημα για το LIGO [βλ. W. Wayt Gibbs, “Ripples in Spacetime”, Scientific American, Απρίλιος 2002]. Και τούτο διότι περιορίζει την ανίχνευση σημάτων με συχνότητα κάτω των 60 Hz, στην περιοχή δηλαδή όπου οι αστροφυσικοί νιώθουν πιο σίγουροι ότι γνωρίζουν πώς θα πρέπει να μοιάζει ένα βαρυτικό κύμα και πού αναμένεται να εντοπιστούν τα ισχυρότερα σήματα.

Το VIRGO διαθέτει σεισμικούς μονωτήρες για κάθε τμήμα της οπτικής διάταξης του συμβολομέτρου. Ο κάθε «υπεραποσβεστήρας» αποτελείται από έξι σύνολα συνεζευγμένων ελατηρίων και βαρών που στεγάζονται σε έναν πύργο ύψους 10 μέτρων. Τα βάρη δρουν σαν εκκρεμή, αποσβεννύοντας την οριζόντια παλινδρομική κίνηση, ενώ οι συνδυασμοί ελατηρίων και βαρών περιορίζουν τις κατακόρυφες κινήσεις. Οι αποσβεστήρες εξασθενίζουν τις σεισμικές κινήσεις κατά έναν παράγοντα 1012, αναφέρει ο Adalber Giazotto, εκπρόσωπος του VIRGO, μέλος του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας, που συμμετέχει στο VIRGO με μια ομάδα ερευνητών. Αυτή η απόσβεση επιτρέπει στον ανιχνευτή να λειτουργεί αξιόπιστα ώς τα 10 Hz, που είναι και η συχνότητα αποκοπής του.

Ένα δεύτερο πρόβλημα είναι ο θερμικός θόρυβος, και ιδιαίτερα εκείνος που προκαλείται από την ίδια τη δέσμη λέιζερ. Οι δέσμες λέιζερ χτυπούν τα κάτοπτρα ακριβώς στο κέντρο τους, θερμαίνοντάς τα άνισα και παραμορφώνοντάς τα. Εν όψει μελλοντικών αναβαθμίσεων που θα αύξαναν την ένταση της δέσμης (και την ευαισθησία της ανίχνευσης), οι σχεδιαστές του VIRGO προτίθενται να εγκαταστήσουν κρυογονικές ψυκτικές διατάξεις, αν και η υπερβολική ψύξη θα προσθέσει έναν μηχανικό θόρυβο στις χαμηλές συχνότητες, λέει ο φυσικός Flavio Vetrano του Πανεπιστημίου του Ουρμπίνο, ο εκπρόσωπος της Ιταλίας στο VIRGO.

Το LIGO σκοπεύει να εισαγάγει μελλοντικά σεισμική μόνωση και θερμικό έλεγχο (με τον οποίο τα κάτοπτρα δεν θα ψύχονται, αλλά θα θερμαίνονται περιφερειακά, έτσι ώστε να εξισορροπείται η θέρμανση που υφίστανται στο κέντρο τους). Σύμφωνα με τον Lee Samuel Finn, που διευθύνει το Κέντρο για τη Φυσική των Βαρυτικών Κυμάτων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσιλβανίας, αυτές οι βελτιώσεις σχεδιάζονται για την επόμενη γενιά ανιχνευτών του LIGO, οι οποίοι πρόκειται να εγκατασταθούν περί το 2006.

Ο Finn πιστεύει ότι τα πρώτα αντικείμενα που πρόκειται να ανιχνευθούν θα είναι οι υπέρμαζες συνενούμενες μαύρες τρύπες. Επειδή όμως οι πηγές βαρυτικής ακτινοβολίας δεν εκπέμπουν πολύ φως, ουδόλως αποκλείεται να έχουν διαφύγει από τους αστρονόμους ολόκληρες κατηγορίες αντικειμένων. «Το πρώτο αντικείμενο που θα παρατηρήσουμε ίσως να είναι κάτι το ολότελα απροσδόκητο. Είμαι αισιόδοξος από αυτή την άποψη» σχολιάζει ο Finn.

Το VIRGO έρχεται να προστεθεί σε μια ολοένα πληθυνόμενη οικογένεια μικρότερων ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων που απλώνονται σε ολόκληρο τον πλανήτη, όπως το GEO στη Γερμανία και το TAMA στην Ιαπωνία. Η ταυτόχρονη ανίχνευση κάποιου απροσδόκητου σήματος από τα απανταχού της Γης συμβολόμετρα θα απέβαινε καθοριστικής σημασίας για την απόδειξη της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων. Μολονότι οι επαφές ανάμεσα στα αστεροσκοπεία αυτού του είδους παραμένουν μέχρι στιγμής σε άτυπο επίπεδο, ο Vetrano προσδοκά ότι θα έρθει κάποτε ο καιρός που θα λειτουργούν σαν μια ενιαία μηχανή.

Επιστημονικά Νέα - Νοέμβριος, 2003