Οι γιγάντιοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μπορούσαν να ακούσουν μουρμουρητά από όλο το σύμπαν
Μόλις πριν από 5 χρόνια, οι φυσικοί άνοιξαν ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν όταν εντόπισαν για πρώτη φορά βαρυτικά κύματα, κυματισμούς στο ίδιο το διάστημα όταν συγκρούονται μεγάλες μαύρες τρύπες ή αστέρια νετρονίων. Ακόμη και όταν οι ανακαλύψεις πλησιάζουν, οι ερευνητές σχεδιάζουν ήδη μεγαλύτερους, πιο ευαίσθητους ανιχνευτές. Και έχει προκύψει ένα είδος αντιπαλότητας Ford εναντίον Ferrari, με επιστήμονες στις Ηνωμένες Πολιτείες απλώς να προτείνουν μεγαλύτερους ανιχνευτές και ερευνητές στην Ευρώπη να επιδιώκουν έναν πιο ριζοσπαστικό σχεδιασμό.
«Αυτή τη στιγμή, συλλαμβάνουμε μόνο τα πιο σπάνια, πιο δυνατά γεγονότα, αλλά υπάρχουν πολλά περισσότερα, που μουρμουρίζουν στο σύμπαν», λέει η Jocelyn Read, αστροφυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Fullerton, που εργάζεται στην προσπάθεια των ΗΠΑ. Οι φυσικοί ελπίζουν να λειτουργήσουν οι νέοι ανιχνευτές στη δεκαετία του 2030, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να αρχίσουν να σχεδιάζουν τώρα, λέει ο David Reitze, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech). "Οι ανακαλύψεις βαρυτικών κυμάτων έχουν αιχμαλωτίσει τον κόσμο, επομένως τώρα είναι μια καλή στιγμή να σκεφτούμε τι θα ακολουθήσει."
Οι ανιχνευτές ρεύματος είναι όλα όργανα σχήματος L που ονομάζονται συμβολόμετρα (βλ. διάγραμμα, παρακάτω). Το φως λέιζερ αναπηδά ανάμεσα σε καθρέφτες που αιωρούνται σε κάθε άκρο κάθε βραχίονα, και μέρος του διαρρέει για να συναντήσει στην άκρη του L. Εκεί, το φως παρεμβαίνει με τρόπο που εξαρτάται από το σχετικό μήκος των βραχιόνων. Παρακολουθώντας αυτή την παρεμβολή, οι φυσικοί μπορούν να εντοπίσουν ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα, το οποίο γενικά θα κάνει τα μήκη των βραχιόνων να κυματίζουν σε διαφορετικά ποσά.
Για την εξάλειψη άλλων κραδασμών, το συμβολόμετρο πρέπει να στεγάζεται σε θάλαμο κενού και οι βαρείς καθρέφτες να κρέμονται από εξελιγμένα συστήματα ανάρτησης. Και για να ανιχνεύσετε το μικροσκοπικό τέντωμα του χώρου, οι βραχίονες του συμβολόμετρου πρέπει να είναι μακρύι. Στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO), δίδυμα όργανα στη Λουιζιάνα και την Ουάσιγκτον δηλώνουν ότι εντόπισαν το πρώτο βαρυτικό κύμα από δύο μαύρες τρύπες που στροβιλίζονται η μία μέσα στην άλλη, οι βραχίονες έχουν μήκος 4 χιλιομέτρων. Ο ανιχνευτής Virgo της Ευρώπης στην Ιταλία έχει βραχίονες μήκους 3 χιλιομέτρων. Παρά τα μεγέθη των ανιχνευτών, ένα βαρυτικό κύμα αλλάζει τα σχετικά μήκη των βραχιόνων τους κατά λιγότερο από το πλάτος ενός πρωτονίου.
Οι δεκάδες συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών που έχουν εντοπίσει το LIGO και η Παρθένος έχουν δείξει ότι οι μαύρες τρύπες αστρικής μάζας, που δημιουργούνται όταν τεράστια αστέρια καταρρέουν σε σημεία, έχουν μεγαλύτερη ποικιλία σε μάζα από ό,τι περίμεναν οι θεωρητικοί. Το 2017, το LIGO και η Παρθένος έκαναν άλλη μια αποκάλυψη, ανιχνεύοντας δύο αστέρια νετρονίων που σπειροειδώς ενώνονται και ειδοποιώντας τους αστρονόμους για τη θέση της συγχώνευσης στον ουρανό. Μέσα σε λίγες ώρες τηλεσκόπια όλων των τύπων είχαν μελετήσει τις συνέπειες της «κιλόνοβας» που προέκυψε, παρατηρώντας πώς η έκρηξη σφυρηλατούσε άφθονα βαριά στοιχεία.
Οι ερευνητές θέλουν τώρα έναν ανιχνευτή 10 φορές πιο ευαίσθητο, που λένε ότι θα είχε απίστευτες δυνατότητες. Θα μπορούσε να εντοπίσει όλες τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών μέσα στο παρατηρήσιμο σύμπαν και ακόμη και να κοιτάξει πίσω στην εποχή πριν από τα πρώτα αστέρια για να αναζητήσει αρχέγονες μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν στη Μεγάλη Έκρηξη. Θα πρέπει επίσης να εντοπίσει εκατοντάδες kilonovae, αποκαλύπτοντας τη φύση της υπερπυκνής ύλης στα αστέρια νετρονίων.
Το όραμα των ΗΠΑ για μια τέτοια ονειρική μηχανή είναι απλό. «Θα το κάνουμε πραγματικά, πολύ μεγάλο», λέει ο Read, ο οποίος βοηθά στη σχεδίαση του Cosmic Explorer, ενός συμβολόμετρου με βραχίονες μήκους 40 χιλιομέτρων — ουσιαστικά, ένας ανιχνευτής LIGO που κλιμακώνεται 10 φορές. Ο "σχεδιασμός κοπής μπισκότων" θα μπορούσε να επιτρέψει στις Ηνωμένες Πολιτείες να διαθέτουν πολλαπλούς, ευρέως διαχωρισμένους ανιχνευτές, οι οποίοι θα βοηθούσαν στον εντοπισμό πηγών στον ουρανό όπως κάνουν τώρα το LIGO και το Virgo, λέει ο Barry Barish, ένας φυσικός στο Caltech που διηύθυνε την κατασκευή του LIGO. /P>
Η τοποθέτηση τέτοιων κυμάτων μαμούθ μπορεί να είναι δύσκολη. Οι βραχίονες μήκους 40 χιλιομέτρων πρέπει να είναι ίσιοι, αλλά η Γη είναι στρογγυλή. Εάν το μέσο κάθε βραχίονα βρισκόταν στο ίδιο επίπεδο με το έδαφος, τα άκρα του βραχίονα θα έπρεπε να στηρίζονται σε ράβδους ύψους 30 μέτρων. Έτσι, οι αμερικανοί ερευνητές ελπίζουν να βρουν περιοχές που μοιάζουν με μπολ που θα μπορούσαν να φιλοξενήσουν τη δομή πιο φυσικά.
Αντίθετα, οι Ευρωπαίοι φυσικοί οραματίζονται ένα ενιαίο παρατηρητήριο υπόγειων βαρυτικών κυμάτων, που ονομάζεται Τηλεσκόπιο Αϊνστάιν (ET), που θα τα κάνει όλα. «Θέλουμε να υλοποιήσουμε μια υποδομή που θα είναι σε θέση να φιλοξενήσει όλες τις εξελίξεις [των ανιχνευτών] για 50 χρόνια», λέει ο Michele Punturo, φυσικός του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας στην Περούτζια και συμπρόεδρος της διευθύνουσας επιτροπής ET.
Το ET θα περιλαμβάνει πολλαπλά συμβολόμετρα σχήματος V με βραχίονες μήκους 10 χιλιομέτρων, διατεταγμένα σε ένα ισόπλευρο τρίγωνο βαθιά κάτω από το έδαφος για να βοηθούν στην προστασία από τους κραδασμούς. Με τα συμβολόμετρα στραμμένα προς τρεις κατευθύνσεις, το ET θα μπορούσε να προσδιορίσει την πόλωση των βαρυτικών κυμάτων—την κατεύθυνση προς την οποία τεντώνουν το διάστημα—για να βοηθήσει στον εντοπισμό των πηγών στον ουρανό και στην ανίχνευση της θεμελιώδους φύσης των κυμάτων.
Οι σήραγγες θα φιλοξενούσαν στην πραγματικότητα δύο σετ συμβολομέτρων. Τα σήματα που ανιχνεύονται από το LIGO και το Virgo βουίζουν σε συχνότητες που κυμαίνονται από περίπου 10 έως 2000 κύκλους ανά δευτερόλεπτο και ανεβαίνουν καθώς ένα ζεύγος αντικειμένων στριφογυρίζει μαζί. Αλλά η λήψη χαμηλότερων συχνοτήτων μερικών μόνο κύκλων ανά δευτερόλεπτο θα άνοιγε νέες σφαίρες. Για την ανίχνευση τους, ένα δεύτερο συμβολόμετρο που χρησιμοποιεί ένα λέιζερ χαμηλότερης ισχύος και καθρέφτες ψυγμένους σχεδόν στο απόλυτο μηδέν θα φωλιάζει σε κάθε γωνία του ET. (Τέτοιοι καθρέφτες χρησιμοποιούνται ήδη στον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων Kamioka της Ιαπωνίας (KAGRA), ο οποίος έχει βραχίονες μήκους 3 χιλιομέτρων και προσπαθεί να φτάσει το LIGO και το Virgo.)
Πηγαίνοντας σε χαμηλότερες συχνότητες, το ET θα μπορούσε να ανιχνεύσει τη συγχώνευση μαύρων οπών εκατοντάδες φορές μεγαλύτερης μάζας από τον Ήλιο. Θα μπορούσε επίσης να πιάσει ζεύγη άστρων νετρονίων ώρες πριν πραγματικά συγχωνευθούν, προειδοποιώντας εκ των προτέρων τους αστρονόμους για εκρήξεις kilonova, λέει η Marica Branchesi, αστρονόμος στο Ινστιτούτο Επιστημών Gran Sasso της Ιταλίας. "Η πρώιμη εκπομπή [του φωτός] είναι εξαιρετικά σημαντική, γιατί υπάρχει πολλή φυσική εκεί", λέει.
Το ET θα κοστίσει 1,7 δισεκατομμύρια ευρώ, συμπεριλαμβανομένων 900 εκατομμυρίων ευρώ για τη διάνοιξη σήραγγας και τη βασική υποδομή, λέει ο Punturo. Οι ερευνητές εξετάζουν δύο τοποθεσίες, μια κοντά στο σημείο όπου συναντώνται το Βέλγιο, η Γερμανία και η Ολλανδία και μια άλλη στο νησί της Σαρδηνίας. Το σχέδιο βρίσκεται υπό αναθεώρηση από το Ευρωπαϊκό Φόρουμ Στρατηγικής για τις Ερευνητικές Υποδομές, το οποίο θα μπορούσε να βάλει το ET στη λίστα υποχρεώσεών του αυτό το καλοκαίρι. "Αυτό είναι ένα σημαντικό πολιτικό βήμα", λέει ο Punturo, αλλά όχι τελική έγκριση για την κατασκευή.
Η πρόταση των ΗΠΑ είναι λιγότερο ώριμη. Οι ερευνητές θέλουν το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών να παράσχει 65 εκατομμύρια δολάρια για εργασίες σχεδιασμού, ώστε να μπορεί να ληφθεί απόφαση για τη μηχανή δισεκατομμυρίων δολαρίων στα μέσα της δεκαετίας του 2020, λέει ο Barish. Οι φυσικοί ελπίζουν να λειτουργήσουν τόσο το Cosmic Explorer όσο και το ET στα μέσα της δεκαετίας του 2030, ταυτόχρονα με τη σχεδιαζόμενη διαστημική κεραία συμβολόμετρου λέιζερ, έναν αστερισμό τριών διαστημικών σκαφών σε απόσταση εκατομμυρίων χιλιομέτρων μεταξύ τους που θα ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα πολύ χαμηλότερων συχνοτήτων από το υπερμεγέθη μαύρο τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών.
Η ώθηση για νέους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων δεν είναι απαραίτητα ανταγωνισμός. «Αυτό που πραγματικά θέλουμε είναι να έχουμε ET και Cosmic Explorer και, ιδανικά, ακόμη και έναν τρίτο ανιχνευτή παρόμοιας ευαισθησίας», λέει ο Stefan Hild, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μάαστριχτ που εργάζεται στο ET. Ο Reitze σημειώνει, ωστόσο, ότι ο χρόνος και το κόστος θα μπορούσαν να «σπρώξουν προς τη σύγκλιση και την απλότητα στα σχέδια». Αντί για ένα Ford και μια Ferrari, ίσως οι φυσικοί να καταλήξουν να κατασκευάσουν μερικά Audi.
*Διόρθωση, 29 Μαρτίου, 1:10 μ.μ.: Αυτή η ιστορία έχει ενημερωθεί για να αντικατοπτρίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια πώς η καμπυλότητα της Γης μπορεί να επηρεάσει τη διάταξη του ανιχνευτή Cosmic Explorer.
