Παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων: Σε νέα αναζήτηση συγχωνεύσεων μαύρων τρυπών, παρά τα τεχνικά προβλήματα

Καλλιτεχνική απεικόνιση δύο μαύρων τρυπών, λίγο πριν τη συγχώνευσή τους

Μετά από τρία χρόνια διακοπής της λειτουργίας τους για την πραγματοποίηση κρίσιμων αναβαθμίσεων, τα τρία παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων, που υπάρχουν σήμερα στη Γη, επρόκειτο να ξαναλειτουργήσουν με αυξημένη ευαισθησία, ώστε να ανιχνεύουν ακόμη μικρότερες παραμορφώσεις του χωροχρόνου. Ωστόσο, σοβαρά τεχνικά προβλήματα ματαίωσαν αυτό το αισιόδοξο σενάριο και επέτρεψαν μόνο μια πολύ πιο αδύναμη επανέναρξη στις 24 Μάη. Οι προσδοκίες για τη νέα, διάρκειας 20 μηνών εκστρατεία, που ονομάστηκε «Φάση Παρατήρησης 4», είναι πια χαμηλότερες. Ο ανιχνευτής VIRGO, που βρίσκεται στην Ιταλία, δεν θα επαναλειτουργήσει πριν επιδιορθωθούν οι ζημιές που προκλήθηκαν από μια σπασμένη γυάλινη ίνα. Επιπρόσθετα, ο ανιχνευτής KAGRA στην Ιαπωνία απέχει πολύ ακόμη από την επιθυμητή ευαισθησία και θα λειτουργήσει για ένα μήνα, πριν ξαναδιακόψει τη λειτουργία του για να λυθούν τα προβλήματα, με προοπτική επαναλειτουργίας προς το τέλος του 2024. Έτσι απομένουν σε κανονική λειτουργία μόνο τα δύο αμερικανικά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων LIGO, στο Χάνφορντ και στο Λίβινγκστον.

Κιλονόβα

Παρ΄ όλα αυτά οι επιστήμονες περιμένουν πολλά από τη «Φάση Παρατήρησης 4». Οποιαδήποτε προσθήκη στις μέχρι σήμερα 100 ανιχνευμένες συγχωνεύσεις ανάμεσα σε μαύρες τρύπες και αστέρες νετρονίων θα είναι σημαντική πρόοδος. Οι ερευνητές ευελπιστούν ότι ακόμη και χωρίς τη βοήθεια των VIRGO και KAGRA, το αναβαθμισμένο LIGO θα επιτρέψει την ανακάλυψη τουλάχιστον άλλων 300 συγχωνεύσεων, με ρυθμό μία κάθε δεύτερη μέρα, κατά μέσο όρο. Η πλειοψηφία αυτών των ανιχνεύσεων θα αφορούν τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται όταν ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών τελικά συγχωνεύεται, κύματα που είναι φυσικά αόρατα από όλα τα συμβατικά αστεροσκοπεία. Κάποια κύματα μπορεί να προέλθουν από τις δονήσεις που προκαλεί η συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων, ή μιας μαύρης τρύπας και ενός αστέρα νετρονίων, κατά τις οποίες εκπέμπονται όχι μόνο βαρυτικά κύματα, αλλά και μεγάλες ποσότητες φωτός, με τα φαινόμενα αυτά να ονομάζονται κιλονόβα (κιλο-καινοφανείς).

Μια τέτοια παρατήρηση κιλονόβα είχε γίνει τον Αύγουστο του 2017, λίγο μετά την έναρξη λειτουργίας του Virgo. Τώρα που το Virgo δεν λειτουργεί, ο εντοπισμός κιλονόβα από το LIGO θα είναι δύσκολο να επιβεβαιωθεί, όπως ήδη διαπιστώθηκε από την παρατήρηση ενός τέτοιου φαινομένου κατά τη διαδικασία δοκιμαστικής επαναλειτουργίας του LIGO. Να σημειωθεί ότι ειδοποιήσεις σε πραγματικό χρόνο για την παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων είναι διαθέσιμες στον καθένα, μέσω εφαρμογών έξυπνων κινητών τηλεφώνων.

Βιμπράτο

Τα βαρυτικά κύματα είναι στρεβλώσεις του χωροχρόνου, τα «απόνερα» από την κίνηση σωμάτων πολύ μεγάλης και πυκνής μάζας, όπως οι μαύρες τρύπες και οι αστέρες νετρονίων. Όταν τα βαρυτικά κύματα φτάνουν στη Γη είναι πολύ εξασθενημένα, αλλά τα τρία τεράστια παρατηρητήρια μπορούν να τα ανιχνεύσουν. Η διαδικασία ανίχνευσης απαιτεί ένα εξαιρετικά ρυθμισμένο όργανο, που έχει αναλογίες με ένα πολύ καλά κουρδισμένο βιολί. Η διάταξη στέλνει ακτίνες λέιζερ μέσα σε δύο κάθετους μεταξύ τους σωλήνες, που ο καθένας έχει μήκος αρκετών χιλιομέτρων. Κάθε ακτίνα ανακλάται σε κάτοπτρα 300 φορές, μέχρι και οι δύο ακτίνες να επανασυνδυαστούν σε μια, κοντά στην πηγή τους, όπου και εξετάζονται για τυχόν επιδράσεις βαρυτικών κυμάτων. Τα βαρυτικά κύματα που διαπερνούν τη διάταξη μεταβάλλουν ανεπαίσθητα το μήκος της διαδρομής των ακτίνων (περίπου όσο το ένα χιλιοστό της διαμέτρου του πρωτονίου!). Αυτή η επιμήκυνση και συρρίκνωση γίνεται με ρυθμό 10 έως 100 Χερτζ (κύκλων ανά δευτερόλεπτο) και δημιουργεί μια πολύ μικρή, αλλά μετρήσιμη καθυστέρηση στη μία ακτίνα σε σχέση με την άλλη.

Η αναλογία είναι με το βιμπράτο στο παίξιμο του βιολιού, δηλαδή τη ρυθμική κίνηση μπρος – πίσω του δακτύλου του βιολιστή που πατάει τη χορδή, αλλάζοντας το μήκος της, ώστε να δημιουργηθεί μια περιοδική διακύμανση της συχνότητας του παραγόμενου ήχου. Ενας ακροατής με καλό αυτί εύκολα αναγνωρίζει τον ρυθμό του βιμπράτο. Τα βαρυτικά κύματα εκτείνουν και συρρικνώνουν τον χώρο, δημιουργώντας ένα βιμπράτο των λέιζερ. Επειδή όμως αυτό είναι πολύ πιο ανεπαίσθητο από του βιολιού, οι ερευνητές χρειάζεται να συγκρίνουν την ακτίνα που λόγω της θέσης της δέχεται τη μεγαλύτερη επίδραση των βαρυτικών κυμάτων, με την κάθετη σε αυτή, που είναι πιο σταθερή.

Υπερευαισθησία

Η ακριβής ανίχνευση απαιτεί τα όργανα των παρατηρητηρίων βαρυτικών κυμάτων να απομονωθούν από οποιαδήποτε εξωτερική επίδραση, είτε αυτή είναι τα κύματα ενός μακρινού σεισμού, είτε είναι το χτύπημα του ράμφους του τρυποκάρυδου στον κορμό του δέντρου, στο παρακείμενο δάσος. Μάλιστα το LIGO και το VIRGO είναι τόσο ευαίσθητα, που πρέπει να μπορούν να μην επηρεάζονται ούτε από τον θόρυβο που προκαλεί η πρόσκρουση των φωτονίων των ακτίνων λέιζερ στα κάτοπτρα! Σε αυτό επικεντρώθηκαν και οι αναβαθμίσεις που έγιναν στα όργανα. Χάρη σ΄ αυτές, το LIGO που μπορούσε να ανιχνεύσει μέχρι πρότινος συγχωνεύσεις σε απόσταση μέχρι 330 εκατομμυρίων ετών φωτός, τώρα μπορεί να κάνει το ίδιο έως τα 500 εκατομμύρια έτη φωτός. Επειδή αυτή η επέκταση γίνεται στις τρεις διαστάσεις, η βελτίωση της ευαισθησίας του αναμένεται να τριπλασιάσει τον ρυθμό ανιχνεύσεων.

Αιτία για το σπάσιμο μιας από τις γυάλινες ίνες που συγκρατούν ένα από τα κάτοπτρα στο VIRGO, ήταν η επικάθηση κόκκων σκόνης πάνω στις ίνες κατά τη διάρκεια της αναβάθμισης, με αποτέλεσμα οι ίνες να εξασθενήσουν! Τα προβλήματα με το KAGRA είναι πιο δομικά, καθώς αποτελεί μια εντελώς νέα σχεδίαση, με χρήση κρυογονικών μεθόδων για μείωση του θορύβου. Οι σχεδιαστές δεν έχουν καταφέρει να απαλλαγούν από μια λεπτή στρώση πάγου που δημιουργείται κατά την ψύξη των κατόπτρων σε θερμοκρασία 20 βαθμών πάνω από το απόλυτο μηδέν, που τα κάνει σχεδόν εντελώς άχρηστα.

Ερωτήματα

Οι επιστήμονες περιμένουν εναγωνίως την κανονική λειτουργία όλων των αναβαθμισμένων παρατηρητηρίων βαρυτικών κυμάτων, καθώς υπάρχουν πολλά ερωτήματα στα οποία περιμένουν απαντήσεις: Πώς μεγαλώνουν οι μαύρες τρύπες με διαδοχικές συνενώσεις, φτάνοντας να γίνουν ορισμένες απ΄ αυτές οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που συναντώνται στο κέντρο των γαλαξιών; Πού ακριβώς και πώς συνέβησαν οι παρατηρούμενες συγχωνεύσεις; Ο χρυσός, ο λευκόχρυσος, το ουράνιο και άλλα βαριά χημικά στοιχεία, που δεν παράγονται στις συνήθεις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό των άστρων, προέρχονται μόνο από τις συγκρούσεις αστέρων νετρονίων; Τι ακριβώς συμβαίνει στις εκρήξεις υπερκαινοφανών, όταν η πυκνότητα της ύλης ξεπερνά τα 100 εκατομμύρια τόνους σε υλικό, που χωρά σε ένα κουταλάκι του γλυκού; Υπάρχουν κάποιες συνθήκες όπου η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν παρουσιάζει κενά; Τι άλλο απρόσμενο μπορεί να εντοπιστεί μελετώντας τα βαρυτικά κύματα;

Ακόμη κι αν τα VIRGO και KAGRA λειτουργούσαν τέλεια μαζί με το LIGO, δεν θα μπορούσαν να συγκριθούν με τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων επόμενης γενιάς, όπως αυτοί που σχεδιάζονται τώρα: Το Τηλεσκόπιο Αϊνστάιν και ο Κοσμικός Ερευνητής. Αποσκοπούν να είναι τόσο ευαίσθητα, ώστε να μπορούν να ακούν τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών οπουδήποτε στο παρατηρήσιμο μέρος του σύμπαντος κι αν συμβαίνουν, και γι΄ αυτό προβλέπεται ότι θα εντοπίζουν μια συγχώνευση ανά δευτερόλεπτο! Θα μπορούν να ανιχνεύουν άνετα ακόμη και τα μικροσκοπικά λοφάκια στα οποία καταρρέουν – κάτω από την επίδραση της τεράστιας βαρύτητας – τα υπέρπυκνα βουνά ύλης των άστρων, τα οποία συγχωνεύονται με αστέρες νετρονίων, καθώς η γρήγορη περιστροφή των αστέρων νετρονίων με τα μικροσκοπικά εξογκώματα που δημιουργούνται πάνω τους προκαλεί ένα βαρυτικό βουητό διαρκείας.

Επιμέλεια: Σταύρος Ξενικουδάκης – Πηγή: «Scientific American»

(Αναδημοσίευση από τον Ριζοσπάστη του Σαββατοκύριακου 2-4 Ιουνίου 2023)