Η πρώτη ανακοίνωση ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων

Posted on 09/02/2016

3


… δημοσιεύθηκε το 1969 και αποδείχθηκε λανθασμένη

Αναμένοντας την συνέντευξη τύπου του LIGO την Πέμπτη 11 Φεβρουαρίου 2016,

όπου σύμφωνα με τις φήμες θα ανακοινωθεί η ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων , θα μνημονεύσουμε έναν πρωτοπόρο της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων, τον Joseph Weber.

Η επίδραση των βαρυτικών κυμάτων κυμάτων σε ένα αντικείμενο (υπερτονισμένες!)

Γραμμικά πολωμένο βαρυτικό κύμα

Ο Joseph Weber ήταν ο πρώτος που αντιλήφθηκε ότι η προσπάθεια ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων δεν θα ήταν εντελώς μάταιη. Αποφοίτησε το 1940 από τη Ναυτική Ακαδημία των ΗΠΑ με πτυχίο μηχανικού και υπηρέτησε στο ναυτικό κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου.  Είχε αποκτήσει τόσο μεγάλη φήμη για τις γνώσεις του στην ραδιοτεχνολογία ώστε το 1948 του προσφέρθηκε η θέση τακτικού καθηγητή στο τμήμα ηλεκτρολόγων μηχανικών του πανεπιστημίου του Μaryland.

Το 1951 επινόησε μια παραλλαγή του μηχανισμού στον οποίο βασίζεται η λειτουργία των λέιζερ, αλλά δεν διέθετε τα οικονομικά μέσα για την ανάπτυξη της ιδέας του. Ενώ δημοσίευσε την εργασία του στην οποία ανέλυε την ιδέα του, δυο άλλες ερευνητικές ομάδες, η μία στις ΗΠΑ υπό τον Charles Townes και η άλλη στη Μόσχα με επικεφαλείς τους Nikolai Gennadievich Basov και Aleksandr Michailovich Prokharov, επινόησαν ανεξάρτητα άλλες παραλλαγές του μηχανισμού αυτού, και στη συνέχεια πραγματοποίησαν την κατασκευή πραγματικών λέιζερ. Παρότι η εργασία του Weber ήταν η πρώτη που δημοσιεύθηκε ο ίδιος δεν έτυχε σχεδόν καμίας αναγνώρισης. Απογοητευμένος, αλλά διατηρώντας στενή φιλία με τον Townes και τον Basov στράφηκε σε νέα ερευνητικά πεδία.

Ο Weber συμμετείχε στην ομάδα του John Wheeler και εκεί απέκτησε πολύ καλή γνώση πάνω σε θέματα γενικής σχετικότητας. Μαζί με τον Wheeler ασχολήθηκε με τη θεωρητική έρευνα των σχετικιστικών προβλέψεων για τις ιδιότητες των βαρυτικών κυμάτων. Το 1957 είχε ήδη επιλέξει τη νέα του ερευνητική κατεύθυνση. Θα ξεκινούσε την πρώτη στον κόσμο προσπάθεια κατασκευής μιας συσκευής για την ανίχνευση και την καταγραφή βαρυτικών κυμάτων.

Από τα τέλη του 1957 έως τις αρχές του 1959, ο Weber πάλευε να ανακαλύψει κάθε δυνατή διάταξη που θα είχε την ικανότητα να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα. Αρχικά οι προσπάθειές του δεν ήταν παρά επίπονοι αναλυτικοί υπολογισμοί και δεν είχαν σχέση με πραγματικά πειράματα. Αναζητούσε τον κατάλληλο τύπο ανιχνευτή που θα είχε την δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Ο Weber επέλεξε τελικά έναν, ο οποίος αποτελούνταν από μια κυλινδρική ράβδο αλουμινίου μήκους 2 μέτρων, διαμέτρου 50 εκατοστών και μάζας 1 τόνου, τοποθετημένη κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης των εισερχομένων κυμάτων.

Τα βαρυτικά κύματα διαδοχικά συμπιέζουν και επιμηκύνουν το σώμα μιας τέτοιας ράβδου εξαναγκάζοντάς την σε ταλάντωση. Η ράβδος έχει έναν φυσικό τρόπο ταλάντωσης κατά τον οποίο τα άκρα της κινούνται «μέσα – έξω» στη διεύθυνση του άξονά της. Αυτός ο φυσικός τρόπος ταλάντωσης – όπως οι ταλαντώσεις μιας καμπάνας, ενός διαπασών ή ενός κρυστάλλινου ποτηριού – χαρακτηρίζεται από μια πολύ συγκεκριμένη συχνότητα που ονομάζεται ιδιοσυχνότητα. Όπως ακριβώς μπορούμε να υποχρεώσουμε μια καμπάνα, ένα διαπασών ή ένα κρυστάλλινο ποτήρι να δονούνται χρησιμοποιώντας ηχητικά κύματα που έχουν την ίδια συχνότητα με τη φυσική συχνότητα αυτών των αντικειμένων (φαινόμενο συντονισμού), έτσι και τα βαρυτικά κύματα που έχουν την ίδια συχνότητα με τη φυσική συχνότητα της ράβδου μπορούν να προκαλέσουν την ταλάντωσή της.
Επομένως, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί μια τέτοια ράβδος ως ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει να επιλεγεί το μέγεθός της έτσι ώστε η φυσική της συχνότητα να συμπίπτει με εκείνη των εισερχομένων βαρυτικών κυμάτων.

Πόση πρέπει να είναι αυτή η συχνότητα;

Το 1959, όταν ο Weber ξεκίνησε να ασχολείται με τούτη την ιδέα, ελάχιστοι πίστευαν στις μαύρες τρύπες, και όσοι πίστευαν γνώριζαν πολύ λίγα πράγματα για τις ιδιότητές τους. Κανείς δεν φανταζόταν τότε ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να συγκρούονται, να συνενώνονται και να εκπέμπουν κυματίδια χωροχρονικής καμπυλότητας τα οποία θα μετέφεραν κωδικοποιημένο το χρονικό της σύγκρουσής τους. Ούτε ήταν δυνατόν να υποδείξει κανείς άλλες πηγές βαρυτικών κυμάτων, για την ανίχνευση των οποίων θα μπορούσαν ίσως να υπάρχουν κάποιες ελπίδες.

Έτσι, ο Weber ξεκίνησε την προσπάθειά του σχεδόν στα τυφλά. Μοναδικός οδηγός του ήταν το χονδρικό (αλλά σωστό ) επιχείρημα ότι τα βαρυτικά κύματα πρέπει, κατά πάσα πιθανότητα, να έχουν συχνότητες κάτω από 10.000 Ηz – η συχνότητα αυτή αντιστοιχεί στην κυκλική συχνότητα ενός σώματος που κινείται με την μέγιστη δυνατή ταχύτητα (ταχύτητα φωτός) γύρω από το πιο συμπαγές άστρο που μπορεί να υπάρχει: ένα άστρο με μέγεθος περίπου όσο η κρίσιμη περίμετρός του.
Ο Weber λοιπόν σχεδίασε όσο το δυνατό καλύτερους ανιχνευτές με ιδιοσυχνότητα όμως μικρότερη από 10.000 Hz – έχοντας την ελπίδα ότι στο σύμπαν παράγονται βαρυτικά κύματα με συχνότητες ίδιες με εκείνες που θα επέλεγε. Στάθηκε τυχερός. Οι ιδιοσυχνότητες των ράβδων ήταν περίπου 1000 Hz, και, όπως αποδεικνύεται, αυτές ακριβώς τις συχνότητες θα πρέπει να έχουν ορισμένα από τα κύματα που προέρχονται από εκρήξεις υπερκαινοφανών και από ζεύγη συνενούμενων αστέρων νετρονίων.

Η μεγαλύτερη πρόκληση που είχε να αντιμετωπίσει ο Weber ήταν η επινόηση ενός αισθητήρα για την καταγραφή των δονήσεων της ράβδου. Ο Weber ανέμενε ότι οι δονήσεις που θα προκαλούσαν τα κύματα θα ήταν εξαιρετικά μικρές: μικρότερες από τη διάμετρο του πυρήνα ενός ατόμου. Στα τέλη της δεκαετίας του 1950 και κατά τη διάρκεια του 1960, οι περισσότεροι φυσικοί θεωρούσαν αδύνατο να μετρηθεί δόνηση ακόμη και ίση με το 1 δέκατο της διαμέτρου του ατομικού πυρήνα. Δεν πίστευε το ίδιο και ο Weber που επινόησε έναν αισθητήρα ικανό να πετύχει κάτι τέτοιο.

Ο αισθητήρας του Weber βασιζόταν στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, κατά το οποίο ορισμένοι κρύσταλλοι και κεραμικά υλικά όταν πιέζονται αναπτύσσουν στα άκρα τους ηλεκτρικές τάσεις. Ο Weber θα προτιμούσε να είχε κατασκευάσει τη ράβδο του από τέτοια υλικά, όμως το υπερβολικό κόστος τους τον ανάγκασε να επιλέξει την αμέσως καλύτερη λύση: Κατασκεύασε μια ράβδο από αλουμίνιο και στη συνέχεια κόλλησε γύρω από το μέσο της πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Καθώς η ράβδος θα δονούνταν, η επιφάνειά της θα προκαλούσε μηχανικές πιέσεις στους κρυστάλλους κατά σειρά, έτσι ώστε οι εξαιρετικά μικρές ηλεκτρικές τάσεις να προστίθενται παράγοντας μια τάση αρκετά μεγάλη ώστε να μπορεί να ανιχνευθεί ηλεκτρονικά, ακόμα κι αν το πλάτος των δονήσεων της ράβδου ήταν ίσο με το 1/10 της διαμέτρου ενός ατομικού πυρήνα.

O Joseph Weber τοποθετεί τους πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους σε κύλινδρο αλουμινίου. Τα βαρυτικά κύματα θα πρέπει να αναγκάζουν τη ράβδο να δονείται κατά μήκος του α΄ξονά της, οι δονήσεις παραμορφώνουν τους κρυστάλλους δημιουργώντας μεταβαλλόμενες ηλεκτρικές τάσεις, και οι οποίες θα μπορούσαν να μετρηθούν.

O Joseph Weber τοποθετεί τους πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους σε κύλινδρο αλουμινίου. Τα βαρυτικά κύματα θα πρέπει να αναγκάζουν τη ράβδο να δονείται κατά μήκος του άξονά της, οι δονήσεις παραμορφώνουν τους κρυστάλλους δημιουργώντας μεταβαλλόμενες ηλεκτρικές τάσεις, και οι οποίες θα μπορούσαν να μετρηθούν.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, ο Weber παρέμενε μια μοναχική φυσιογνωμία – ο μοναδικός πειραματικός φυσικός στον κόσμο που αναζητούσε βαρυτικά κύματα.

Χρησιμοποιώντας δυο κυλίνδρους, σαν αυτούς που περιγράφηκαν παραπάνω, σε απόσταση 1000 χιλιομέτρων μεταξύ τους φάνηκε ότι η κατασκευή λειτουργεί. Το 1969, ανακοίνωσε ότι ανίχνευσε για πρώτη φορά βαρυτικά κύματα, περίπου 24 γεγονότα [J. Weber. «Gravitational-Wave-Detector Events«. Phys. Rev. Lett. 20, 1307 (1968)] και την επόμενη χρονιά, ανακοίνωσε άλλα 311 σήματα. Η δεύτερη κυρίως ανακοίνωση δημιούργησε σάλο. Σύμφωνα με τον Tony Tyson, τώρα στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, αποδείχθηκε ότι η στατιστική ανάλυση που έκανε ο Weber στα δεδομένα του ήταν λανθασμένη.

Παρόλα αυτά, στις αρχές της δεκαετίας του 1970 τα εντυπωσιακά επίπεδα ευαισθησίας που κατάφερε να πετύχει στους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων ο Weber, (αλλά και οι ισχυρισμοί του ότι είχε ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα) ενέπνευσαν και προσέλκυσαν δεκάδες άλλους πειραματικούς φυσικούς μέχρι τη δεκαετία του 1980 που ανταγωνίζονταν με στόχο να κάνουν πραγματικότητα την αστρονομία βαρυτικών κυμάτων.

Πηγές
1. Kip Thorne, «Μαύρες τρύπες και στρεβλώσεις του χρόνου»
2. A Fleeting Detection of Gravitational Waves
3. Joseph Weber And The Failed Search For Gravitational Waves