Επιστήμονες από τα πανεπιστήμια Birmingham και Sussex παρουσίασαν μια επαναστατική πρόταση που μπορεί να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο μελετάμε το Σύμπαν. Πρόκειται για έναν νέο τύπο ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων που λειτουργεί σε μια συχνότητα μέχρι τώρα «αόρατη» για την επιστήμη: τη ζώνη των milli-Hertz. Εκεί κρύβονται σήματα από εξωτικά αστροφυσικά φαινόμενα και από γεγονότα του μακρινού κοσμικού παρελθόντος, τα οποία δεν μπορούν να καταγράψουν οι σημερινοί ανιχνευτές.
Από τον Einstein στα σύγχρονα εργαστήρια
Τα βαρυτικά κύματα, οι διάσημες «ρυτιδώσεις» στον χωροχρόνο που είχε προβλέψει ο Albert Einstein, έγιναν πραγματικότητα για την επιστημονική κοινότητα το 2015, όταν ο ανιχνευτής LIGO κατέγραψε για πρώτη φορά τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών. Έκτοτε, όργανα όπως το LIGO και το Virgo έχουν ανιχνεύσει δεκάδες παρόμοια γεγονότα, αλλά όλα σε σχετικά υψηλές συχνότητες. Στον αντίποδα, οι ακραία χαμηλές συχνότητες μελετώνται μέσω των pulsar timing arrays. Ανάμεσα σε αυτές τις δύο περιοχές, όμως, υπάρχει μια «νεκρή ζώνη», η μεσαία μπάντα, όπου η επιστήμη δεν είχε μέχρι σήμερα εργαλεία να κοιτάξει.
Ακριβώς σε αυτήν τη ζώνη έρχεται να ρίξει φως ο νέος ανιχνευτής, ανοίγοντας ένα παράθυρο σε σήματα που μέχρι τώρα χάνονταν στο σκοτάδι.
Ο ανιχνευτής που χωρά σε ένα τραπέζι
Σε αντίθεση με τους τεράστιους ανιχνευτές μήκους χιλιομέτρων, το νέο σύστημα είναι εξαιρετικά μικρό: μπορεί να στηθεί πάνω σε ένα απλό εργαστηριακό τραπέζι. Η τεχνολογία του βασίζεται σε οπτικές κοιλότητες (optical resonators) και σε ατομικά ρολόγια ακριβείας, αξιοποιώντας εξελίξεις που μέχρι πρόσφατα αφορούσαν αποκλειστικά τη χρονομέτρηση και τη μέτρηση ατομικών συχνοτήτων.
Η αρχή λειτουργίας του στηρίζεται στην ανίχνευση απειροελάχιστων μετατοπίσεων φάσης στο φως των laser που διέρχεται μέσα από τις κοιλότητες. Αυτές οι μικροσκοπικές διακυμάνσεις μπορούν να προδοθούν από τη διέλευση ενός βαρυτικού κύματος.
Ανθεκτικός σε «γήινο θόρυβο»
Ένα ακόμη πλεονέκτημα του νέου ανιχνευτή είναι ότι δεν επηρεάζεται τόσο από τις σεισμικές δονήσεις ή από τον λεγόμενο «θόρυβο του Νεύτωνα», που αποτελεί σοβαρό εμπόδιο για τα σημερινά όργανα. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να καταγράφει σήματα με μεγαλύτερη καθαρότητα και αξιοπιστία, ακόμα και από επίγειες εγκαταστάσεις, χωρίς να χρειάζεται τις δαπανηρές υποδομές των παραδοσιακών ανιχνευτών.
«Με την αξιοποίηση της τεχνολογίας που έχει ήδη ωριμάσει στο πεδίο των οπτικών ατομικών ρολογιών, μπορούμε να επεκτείνουμε την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων σε μια εντελώς νέα συχνοτική περιοχή, με όργανα που χωρούν σε ένα εργαστήριο», τόνισε η Dr Vera Guarrera από το University of Birmingham. Όπως εξήγησε, το σχέδιο ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία ενός παγκόσμιου δικτύου μικρών ανιχνευτών, το οποίο θα μπορούσε να ξεκινήσει το «κυνήγι» πολύ πριν τεθούν σε λειτουργία διαστημικές αποστολές όπως η LISA, που προγραμματίζεται για τη δεκαετία του 2030.
Από την πλευρά του, ο καθηγητής Xavier Calmet του University of Sussex επεσήμανε ότι η νέα τεχνολογία μπορεί να δοκιμάσει μοντέλα αστρικών δυαδικών συστημάτων στον γαλαξία μας, να εξερευνήσει συγχωνεύσεις τεράστιων μαύρων τρυπών και ακόμη να αναζητήσει κοσμικά απομεινάρια από τα πρώτα στάδια του σύμπαντος.
Τι μπορούμε να μάθουμε από τη μεσαία ζώνη
Η συχνότητα των milli-Hertz φιλοξενεί φαινόμενα που ξεφεύγουν τόσο από τους ανιχνευτές υψηλής συχνότητας όσο και από τους υπερ-χαμηλής. Εκεί αναμένονται σήματα από λευκούς νάνους σε τροχιά, από συγχωνεύσεις υπερμεγέθων μαύρων τρυπών και πιθανώς από στοχαστικά υπόβαθρα που δημιουργήθηκαν λίγο μετά το Big Bang.
Η αποστολή LISA υπόσχεται να εξερευνήσει αυτή τη μπάντα με εξαιρετική ευαισθησία, αλλά η εκτόξευσή της απέχει ακόμη πολλά χρόνια. Οι νέοι ανιχνευτές με οπτικές κοιλότητες θα μπορούσαν να ξεκινήσουν να συλλέγουν στοιχεία άμεσα, προσφέροντας μια «πρόγευση» των μυστικών του σύμπαντος.
Μια νέα γενιά ανιχνευτών
Η προτεινόμενη διάταξη κάθε μονάδας περιλαμβάνει δύο ορθογώνιες υπερσταθερές οπτικές κοιλότητες και μια αναφορά συχνότητας βασισμένη σε ατομικό ρολόι. Ο συνδυασμός αυτός δίνει τη δυνατότητα για πολυκαναλική ανίχνευση, καλύτερη ευαισθησία και την ικανότητα να προσδιορίζεται όχι μόνο η ύπαρξη του κύματος, αλλά και η πολικότητά του και η κατεύθυνση προέλευσής του.
Συμπλήρωμα στα μεγάλα παρατηρητήρια
Αν και οι μελλοντικές διαστημικές αποστολές θα προσφέρουν πολύ ανώτερη ακρίβεια, το νέο σύστημα παρέχει μια άμεση, οικονομικά αποδοτική λύση για την εξερεύνηση της «χαμένης» συχνοτικής ζώνης. Επιπλέον, η ενσωμάτωσή του σε υπάρχοντα δίκτυα ατομικών ρολογιών θα μπορούσε να επεκτείνει τις δυνατότητές του ακόμη περισσότερο, φτάνοντας σε συχνότητες που σήμερα είναι απρόσιτες.
Το επόμενο βήμα στην κατανόηση του σύμπαντος
Η πρόταση που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Classical and Quantum Gravity δείχνει ότι δεν χρειάζεται πάντα ένας ανιχνευτής χιλιομέτρων για να ξεκλειδώσουμε τα μυστικά του Σύμπαντος. Μερικές φορές, η απάντηση μπορεί να βρίσκεται σε μια συσκευή που χωρά σε ένα γραφείο. Αν όλα πάνε καλά, αυτή η μικροσκοπική τεχνολογία ίσως αποδειχθεί το κλειδί για να ακούσουμε βαρυτικά κύματα που το Σύμπαν ψιθυρίζει εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, αλλά εμείς μέχρι σήμερα αγνοούσαμε.
[via]
