Πετυχημένο crash test για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων στο διάστημα

Στο πλαίσιο της αποστολής μάλιστα, η οποία ολοκληρώθηκε την 1η Ιουλίου, οι επιδόσεις του μη επανδρωμένου διαστημοπλοίου ήταν ακόμη καλύτερες από τις αναμενόμενες.

 

Έτσι, η επιτυχία της δοκιμής έπεισε στις 20 Ιουνίου την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA) να δώσει το “πράσινο φως” να προχωρήσει στη λεπτομερή σχεδίαση του LISA (Laser Interferometer Space Antenna), ενός διαστημικού τηλεσκοπίου ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων που θα χρησιμοποιεί την εν λόγω τεχνολογία και αναμένεται να εκτοξευθεί το 2034. Με στόχο, από εκείνη τη στιγμή κι έπειτα, να καταγράφει παραμορφώσεις στο χωροχρονικό συνεχές, οι οποίες δεν είναι ανιχνεύσιμες από τη Γη.

 

Η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων προβλέφθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν στο πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, και πιο συγκεκριμένα της εξήγησης του μηχανισμού της βαρύτητας. Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, κάθε υλικό σώμα προκαλεί τοπικά καμπύλωση στον “ιστό” του χωροχρόνου. Έτσι, η έλξη που δέχεται από αυτό οποιαδήποτε μάζα, η οποία θα βρεθεί στην “εμβέλεια” του βαρυτικού του πεδίου, δεν είναι τίποτε άλλο από την προσαρμογή της κίνησής της σε αυτή την καμπύλωση.

 

Απειροελάχιστες διαταραχές

 

Σύμφωνα με την παραπάνω περιγραφή αλληλεπίδρασης των υλικών σωμάτων με τον “ιστό” του χωροχρόνου, αν το σώμα δεν είναι ακίνητο, τότε καθώς αλλάζει συνεχώς θέσεις ο “ιστός” θα συμπιέζεται και θα τεντώνεται τοπικά – περίπου όπως παραμορφώνεται η επιφάνεια του νερού μιας λίμνης, όταν κανείς κινεί το χέρι του μέσα σε αυτήν. Έτσι, όπως στη λίμνη θα σχηματίζονται “ρυτιδώσεις” στην επιφάνειά της, έτσι και στην περίπτωση του χωροχρόνου θα δημιουργηθούν διαταραχές, δηλαδή βαρυτικά κύματα, τα οποία θα διαδοθούν με την ταχύτητα του φωτός.

 

Η πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων έγινε από τους επίγειους ανιχνευτές του αμερικανικού πειράματος LIGO τον Φεβρουάριο του 2016, 100 χρόνια μετά την πρόβλεψη του Αϊνστάιν. Ο λόγος είναι πως οι διαταραχές που προκαλούνται είναι εξαιρετικά μικρές ακόμη και για τεράστια σώματα που κινούνται με εντυπωσιακές ταχύτητες. Ενδεικτικό είναι πως, παρόλο που η πηγή των κυμάτων που κατέγραψε το LIGO ήταν ένα εξαιρετικό βίαιο συμπαντικό φαινόμενο, δηλαδή η συγχώνευση δύο μελανών οπών, οι παραμορφώσεις από τα κύματα που εκπέμπονται είναι 1000 φορές μικρότερες από τη διάμετρο ενός πρωτονίου.

 

Διεύρυνση του ανιχνεύσιμου φάσματος

 

Παρόλο που το LIGO έχει καταγράψει από τότε βαρυτικά κύματα και από άλλες κοσμικές “πηγές”, λόγω του “θορύβου” στη Γη, δεν μπορεί να ανιχνεύσει παραμορφώσεις κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο συχνοτήτων (μικρότερες από 10 Hz). Κάτι που θα μπορούσε να κάνει ένα “τηλεσκόπιο” βαρυτικών κυμάτων, αν βρισκόταν στο διάστημα.

 

Έτσι, στόχος του LISA Pathfinder ήταν να δείξει πως ένα τέτοιο “τηλεσκόπιο” μπορεί όντως να λειτουργήσει στο διάστημα, δοκιμάζοντας την τεχνολογία ανίχνευσης σε πραγματικές συνθήκες. Το διαστημόπλοιο εκτοξεύθηκε στα τέλη του 2015 και τα αποτελέσματα που έδωσε στους επιστήμονες δείχνουν πως όχι μόνο η τεχνολογία είναι εφαρμόσιμη, αλλά και πως η ευαισθησία της είναι 100 μεγαλύτερη από την προβλεπόμενη. Έτσι, η ESA ενέκρινε τη σχεδίαση του LISA.

 

Τρεις πανομοιότυποι δορυφόροι

 

Η τεχνολογία που δοκιμάσθηκε αφορούσε την ανίχνευση απειροελάχιστων παραμορφώσεων στον χώρο, οι οποίες προκαλούνται από τη διέλευση βαρυτικών κυμάτων, με τη μέτρηση της μεταβολής της απόσταση που διανύει μία δέσμη λέιζερ. Στόχος ήταν να αποδειχθεί πως μπορούν να ανιχνευθούν σε μηδενική βαρύτητα παραμορφώσεις του 1 δισεκατομμυριοστού του χιλιοστού του μέτρου. Ωστόσο, τα αποτελέσματα που έδωσε στους επιστήμονες δείχνουν πως όχι μόνο η τεχνολογία είναι εφαρμόσιμη, αλλά και πως η ευαισθησία της είναι 100 μεγαλύτερη από την προβλεπόμενη.

 

Στην περίπτωση του LISA, η πειραματική διάταξη θα αποτελεί από τρεις πανομοιότυπους δορυφόρους που θα κινούνται σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο και σε σταθερές θέσεις μεταξύ τους, ώστε να σχηματίζουν τρίγωνο. Οι πλευρές του τριγώνου θα έχουν μήκος 2,5 εκατομμύρια χιλιομέτρα η καθεμία και θα σχηματίζονται από δέσμες λέιζερ που θα στέλνει ο ένας δορυφόρος στον άλλο.

 

Όταν θα διέρχονται βαρυτικά κύματα μέσα από το τρίγωνο, τότε θα παραμορφώνουν τον χώρο και επομένως το σχήμα του τριγώνου. Οι δορυφόροι θα καταγράφουν αυτές τις παραμορφώσεις, από τις μικρές αυξομειώσεις στις πλευρές του τριγώνου, δηλαδή στις αποστάσεις που διανύουν οι δέσμες λέιζερ.

 

Site: Nature