Θ. Αποστολάτος: Τα μυστικά του βαρυτικού ανιχνευτή LIGO

Posted on 20/02/2016

0


Ο Θεοχάρης Αποστολάτος είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ. Γεννήθηκε στην Αθήνα το 1966. Φοίτησε στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ την περίοδο 1984-1988. Πραγματοποίησε μεταπτυχιακές σπουδές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας (Caltech) την περίοδο 1989-1994, οπότε και εκπόνησε τη διαδακτορική του διατριβή υπό την επίβλεψη του καθηγητή Kip Thorne, πρωτοπόρου ερευνητή των βαρυτικών κυμάτων. Συνέχισε τις μεταδιδακτορικές του μελέτες στη Γερμανία στο Max Planck Institute της Ιένας και από το 1998 εργάζεται εκπαιδευτικά και ερευνητικά στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ.

Ο Θεοχάρης Αποστολάτος είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ. Γεννήθηκε στην Αθήνα το 1966. Φοίτησε στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ την περίοδο 1984-1988. Πραγματοποίησε μεταπτυχιακές σπουδές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας (Caltech) την περίοδο 1989-1994, οπότε και εκπόνησε τη διαδακτορική του διατριβή υπό την επίβλεψη του καθηγητή Kip Thorne, πρωτοπόρου ερευνητή των βαρυτικών κυμάτων. Συνέχισε τις μεταδιδακτορικές του μελέτες στη Γερμανία στο Max Planck Institute της Ιένας και από το 1998 εργάζεται εκπαιδευτικά και ερευνητικά στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ.

Επί δεκαετίες, επιφανείς αστροφυσικοί προσπαθούσαν ανεπιτυχώς να επιβεβαιώσουν ή, έστω, να διαψεύσουν την πρόβλεψη του Αϊνστάιν για την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων.

Ποιο ήταν το πειραματικό «τέχνασμα» που επέτρεψε σήμερα την ανίχνευσή τους;

Το «νέο» πειραματικό εργαλείο είναι κατ’ ουσίαν μια παλιά πειραματική διάταξη (που κατά τύχη είναι στενά συνυφασμένο με τη θεωρία της σχετικότητας όπως αυτή πρωτοδιατυπώθηκε από τον Αϊνστάιν): το συμβολόμετρο.

Σε αντίθεση με προηγούμενες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων, το συμβολόμετρο παρέχει τη δυνατότητα καταγραφής κυμάτων αρκετά μεγάλου εύρους συχνοτήτων, γεγονός πολύ σημαντικό, αφού τα βαρυτικά κύματα που αναμένουμε δεν διακρίνονται από μια συγκεκριμένη συχνότητα.

Η κεντρική ιδέα πίσω από τον ανιχνευτή-συμβολόμετρο σχετίζεται με την υφή των ίδιων των βαρυτικών κυμάτων.

LIGO Livingston observatory

LIGO Livingston observatory

Όντας ρυτιδώσεις του χωροχρονικού ιστού, τα βαρυτικά κύματα στο πέρασμά τους παραμορφώνουν τον χώρο, προκαλώντας περιοδικές επιμηκύνσεις και επιβραχύνσεις των αποστάσεων μεταξύ δύο σωμάτων που αιωρούνται ελεύθερα στον χώρο.

Ένα συμβολόμετρο-ανιχνευτής, σαν τον LIGO, αποτελείται από δύο ζευγάρια κατόπτρων, τοποθετημένα στα άκρα των δύο βραχιόνων που σχηματίζουν ένα τεράστιο Γ (μήκους 4 χιλιομέτρων).

Μια ισχυρή δέσμη λέιζερ, που πηγαινοέρχεται μεταξύ των κατόπτρων, χρησιμοποιείται ως μεζούρα ακριβείας προκειμένου να μετρηθεί η παραμικρή απόκλιση του μήκους των δύο βραχιόνων.

Οι απαιτήσεις ευαισθησίας, προκειμένου να καταστεί η ανίχνευση εφικτή, είναι εξωπραγματικές: το συμβολόμετρο πρέπει να μπορεί να διακρίνει ανοιγοκλεισίματα των βραχιόνων μεγέθους μικρότερου από ένα χιλιοστό της διαμέτρου ενός πρωτονίου!

Ασύλληπτο, αν σκεφθεί κανείς ότι οι διαστάσεις του πρωτονίου είναι μόλις ένα εκατοντάκις χιλιοστό της διαμέτρου ενός ατόμου!

Τα πρώτα συμβολόμετρα που κατασκευάστηκαν δεν είχαν την αρτιότητα της τελευταίας πιο εξελιγμένης μορφής συμβολομέτρου που τελικά κατάφερε να «δει» με αρκετά μεγάλη καθαρότητα το βαρυτικό σήμα.

Έπρεπε στην πορεία να λυθούν πολλά τεχνικά ζητήματα προκειμένου ο «θόρυβος» του ίδιου του ανιχνευτή, δηλαδή οι μικροδιαταραχές στο εσωτερικό του ανιχνευτή, να τιθασευτούν.

Πολλοί άνθρωποι μελέτησαν εξονυχιστικά για τουλάχιστον δύο δεκαετίες όλους αυτούς τους «θορύβους» και κατάφεραν να βρουν ευφάνταστες λύσεις για να τους παρακάμψουν.

Το εύρος των πεδίων της φυσικής που καλύπτουν οι μελέτες αυτές είναι εντυπωσιακό: οπτικά συστήματα εξαιρετικής ποιότητας, λέιζερ πολύ υψηλής ισχύος, συστήματα σεισμικής μόνωσης, ογκώδη συστήματα πολύ υψηλού κενού, υλικά με ακραίες οπτικές ιδιότητες, τεχνικές περιορισμού κβαντικών διαταραχών, για να αναφέρουμε μερικά.

Με λίγα λόγια, τα συμβολόμετρα-ανιχνευτές αποτελούν ένα πραγματικό πανηγύρι Φυσικής, το οποίο κατάφερε να κάνει πραγματικότητα, κάτι που ο ίδιος ο Αϊνστάιν, όπως και πολλοί φυσικοί του περασμένου αιώνα, δεν θα μπορούσαν ούτε καν να ονειρευτούν.

Η πρόσφατη ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από το πείραμα LIGO περιγράφεται από τους ειδικούς ως ένα «νέο παράθυρο» για την ουσιαστικότερη γνώση του Σύμπαντος και από τα ΜΜΕ ως η «ανακάλυψη του αιώνα».

Ποιες νέες πειραματικές και θεωρητικές εξελίξεις δρομολογεί για τη Φυσική αυτή η ιδιότυπη «ακουστική» προσέγγιση των κοσμικών συμβάντων;

Η ευαισθησία του ήδη υπάρχοντος ανιχνευτή έχει περιθώρια να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο. Ένα πιο ευαίσθητο συμβολόμετρο θα μπορούσε να ανιχνεύσει πιο αμυδρά σήματα, δηλαδή σήματα που έρχονται από πιο μακριά.

Αυξάνοντας όμως την απόσταση που μπορεί να «ακούσει» ο ανιχνευτής κατά έναν παράγοντα 10, μεγαλώνει το πλήθος των ανιχνεύσιμων σημάτων κατά 1.000.

Περισσότερα σήματα συνεπάγονται πιο πολλά δεδομένα, τα οποία θα καλύπτουν ενδεχομένως κάθε δυνατή μορφή πηγής βαρυτικών κυμάτων.

Γιατί, όμως, θέλουμε να ανιχνεύσουμε πολλά κύματα από διαφορετικές πηγές; Κατ’ αρχάς πρέπει να ξεκαθαρίσουμε ότι, όταν λέμε ότι τα βαρυτικά κύματα «ακούγονται», δεν εννοούμε ότι είναι κάποιου είδους ηχητικά κύματα.

Το «ακούω» χρησιμοποιείται εδώ ως αντιδιαστολή με τις πληροφορίες που συλλέγουμε για το Σύμπαν μέχρι στιγμής μέσω των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Όσο διαφορετική είναι η πληροφορία που φτάνει στον εγκέφαλό μας από τα αυτιά και τα μάτια μας για τον κόσμο που μας περιβάλλει τόσο –και ίσως ακόμη περισσότερο– διαφορετική είναι η πληροφορία που μπορούμε να συλλέξουμε για τον Κόσμο από τα βαρυτικά σε σχέση με αυτές που συλλέγουμε από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Ανιχνεύσιμα ισχυρά βαρυτικά κύματα εκπέμπονται μόνο από σώματα εξαιρετικά συμπαγή (μαύρες τρύπες, αστέρες νετρονίων, εκρήξεις υπερκαινοφανών, βαρυτικές διακυμάνσεις του πρώιμου Σύμπαντος) που κινούνται με ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

Τέτοια κοσμικά αντικείμενα όχι μόνο είναι συνήθως παντελώς σκοτεινά, αλλά εμπεριέχουν ένα εξωτικό άυλο «υλικό»: ισχυρότατες στρεβλώσεις του ίδιου του χωροχρόνου. Η θεωρία της Σχετικότητας μας λέει πώς συμπεριφέρεται αυτό το «υλικό» και τα βαρυτικά κύματα είναι ο μοναδικός τρόπος να διαπιστώσουμε αν πράγματι αυτό συμπεριφέρεται σύμφωνα με τις προβλέψεις της Σχετικότητας.

Επιπλέον, οι μαύρες τρύπες, αν και σήμερα είναι απολύτως αποδεκτές οντότητες από την κοινότητα των αστροφυσικών, μέσω των βαρυτικών κυμάτων μπορούν πλέον να παρατηρηθούν αυτές καθεαυτές και όχι να συνάγεται έμμεσα η ύπαρξή τους, όπως συνήθως γίνεται.

Η άμεση παρατήρηση πολλών μαύρων τρυπών θα μας δώσει σημαντικές πληροφορίες για τα δημογραφικά τους στοιχεία ως προς την κατανομή τους και την εξέλιξή τους στο Σύμπαν.

Τέλος, η παρατήρηση βαρυτικών σημάτων από το πρώιμο Σύμπαν θα μπορέσει να μας δώσει πληροφορίες για τις απαρχές του Σύμπαντός μας, πολύ πιο πίσω στο χρόνο από αυτές που μπορούμε να έχουμε μέσω των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
(διαβάστε περισσότερα στο άρθρο του Σπύρου Μανουσέλη «Τα βαρυτικά κύματα τελικά υπάρχουν!«  στην efsyn.gr)

Υπενθυμίζεται ότι την Τρίτη 23 Φεβρουαρίου 2016, ώρα 19:00 στο Ίδρυμα Ευγενίδου ο Θεοχάρης Αποστολάτος θα δώσει διάλεξη με τίτλο«Βαρυτικά Κύματα: Πλέον μπορούμε να ακούσουμε τη μελωδία του Κόσμου». Λεπτομέρειες ΕΔΩ