 |
| Εικαστική απεικόνιση βαρυτικών κυμάτων γύρω από δύο μαύρες τρύπες σε τροχιά. |
Επιστήμονες στην Καλιφόρνια έχουν προτείνει ένα νέο είδος βαρυτικών κυμάτων που δεν επηρεάζεται από θόρυβο λέιζερ - ένα πρόβλημα που προστίθεται σε βάρος των σημερινών ανιχνευτών. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η πρότασή τους - που μια τροποποιημένη μορφή της είναι το ατομικό συμβολόμετρο - θα είναι φθηνότερο και ευκολότερο για τη λειτουργία του στο διάστημα από τα κοινά συμβολόμετρα λέιζερ.
Τα βαρυτικά κύματα είναι μικροσκοπικές διαταραχές στην καμπυλότητα του χωροχρόνου που προκύπτουν από επιταχυνόμενες μάζες - σύμφωνα με την γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Η πρώτη ένδειξη ότι υπάρχουν τα κύματα εθεάθη το 1974 ως μια σταδιακή μείωση της τροχιακής περιόδου του πάλσαρ PSR B1913 +16, το οποίο περιβάλλει ένα αστέρι νετρονίων. Ωστόσο, κανείς δεν έχει ανιχνεύσει άμεσα ένα βαρυτικό κύμα. Μια τέτοια ανακάλυψη θα έκανε την επιβεβαίωση της γενικής σχετικότητας, αλλά και θα ανοίξει ένα νέο πεδίο της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων, στην οποία τα μακρινά αντικείμενα θα μπορούσαν να μελετηθούν από τα κύματα που εκπέμπουν.
Τεράστιο και δαπανηρό
Ο συμβατικός τρόπος για να προσπαθήσει να ανιχνεύσει κανείς τα βαρυτικά κύματα είναι με ένα μεγάλο συμβολόμετρο λέιζερ. Το πέρασμα ενός βαρυτικού κύματος προκαλεί διόδους ανάμεσα σε δύο δοκάρια για να αλλάξει ελαφρώς, προκαλώντας μια μετατόπιση στις παρυφές της παρεμβολής. Κανένας από αυτούς τους ανιχνευτές δεν έχει ακόμη καταφέρει να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα. Για να αυξηθεί η ευαισθησία, οι αστρονόμοι πρέπει να βάλουν τους ανιχνευτές στο διάστημα. Για να κατασκευάσουμε ένα παραδοσιακό συμβολόμετρο L-σχήματος, στο διάστημα θα απαιτήσει τρεις δορυφόρους, γεγονός που δημιουργεί σοβαρές τεχνολογικές και οικονομικές προκλήσεις. Το προτεινόμενο συμβολόμετρο λέιζερ Antenna (LISA), που είχε αρχικά προγραμματιστεί να λειτουργήσει το 2015, έχει αναθεωρηθεί, λόγω του υψηλού κόστους της.
Ένα συμβολόμετρο μιας γραμμής, που μετρά την αλλαγή στο μήκος μιας ενιαίας διαδρομής με την παρεμβολή εκπεμπόμενων και ανακλώμενων κυμάτων σε μία ανακλώμενη κοιλότητα, θα απαιτούσε μόνο δύο δορυφόρους. Αλλά σε αυτό το set-up θα ήταν δύσκολο να διακρίνει κανείς αλλαγές στο μήκος της διαδρομής από τυχαίες διακυμάνσεις στη συχνότητα του λέιζερ - ένα φαινόμενο που ονομάζεται θόρυβος φάσης.
Τα συμβολόμετρα Atom προτάθηκαν στα τέλη του 1980 και το πρώτο που χτίστηκε στις αρχές του 1990 ήταν από τους φυσικούς συμπεριλαμβανομένων των Mark Kasevich και Steven Chu στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Αντί της μέτρησης της διαφοράς φάσης μεταξύ δύο ακτίνων φωτός, ένα ατομικό συμβολόμετρο μετρά τη μεταβολή της φάσης ενός κύματος ύλης από άτομα σε μια υπέρθεση κβαντικών καταστάσεων. Ένα ατομικό συμβολόμετρο μπορεί να δημιουργηθεί από μια επανειλημμένη ημιπερίοδο της κυματοσυνάρτηση χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ, ενώ κρατώντας την άλλη ημιπερίοδο σε κατάσταση ακινησίας. Το μήκος κύματος ενός ατόμου μικραίνει όταν το άτομο είναι σε διεγερμένη κατάσταση, δημιουργώντας μία μετατόπιση φάσης μεταξύ των δύο ημιπεριόδων της κυματοσυνάρτησης που εξαρτάται από το πόσο χρόνο η πρώτη ημιπερίοδος έχει περάσει σε κατάσταση διέγερσης.
Σε αυτή τη τελευταία δουλειά, ο Kasevich και οι συνεργάτες του, με επικεφαλής τον θεωρητικό φυσικό Peter Graham στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, προτείνει την τοποθέτηση δύο άτομικών συμβολόμετρων σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους και με τα ίδια παλμικά λέιζερ να διεγείρουν και να αποδιεγείρουν τα άτομα και στα δύο συμβολόμετρα. Ο χρόνος που κάθε άτομο περνά σε κατάσταση διέγερσης εξαρτάται από το χρόνο του ταξιδιού των παλμών laser μεταξύ των δύο άτομικών συμβολόμετρων. "Κάθε ατομικό σύννεφο είναι σαν ένα χρονόμετρο," εξηγεί ο Kasevich. "Όταν ο παλμός λέιζερ έρχεται από μία κατεύθυνση, ξεκινά το ρολόι. Όταν προέρχεται από την άλλη κατεύθυνση, σταματά."
Ο συμβατικός τρόπος για να προσπαθήσει να ανιχνεύσει κανείς τα βαρυτικά κύματα είναι με ένα μεγάλο συμβολόμετρο λέιζερ. Το πέρασμα ενός βαρυτικού κύματος προκαλεί διόδους ανάμεσα σε δύο δοκάρια για να αλλάξει ελαφρώς, προκαλώντας μια μετατόπιση στις παρυφές της παρεμβολής. Κανένας από αυτούς τους ανιχνευτές δεν έχει ακόμη καταφέρει να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα. Για να αυξηθεί η ευαισθησία, οι αστρονόμοι πρέπει να βάλουν τους ανιχνευτές στο διάστημα. Για να κατασκευάσουμε ένα παραδοσιακό συμβολόμετρο L-σχήματος, στο διάστημα θα απαιτήσει τρεις δορυφόρους, γεγονός που δημιουργεί σοβαρές τεχνολογικές και οικονομικές προκλήσεις. Το προτεινόμενο συμβολόμετρο λέιζερ Antenna (LISA), που είχε αρχικά προγραμματιστεί να λειτουργήσει το 2015, έχει αναθεωρηθεί, λόγω του υψηλού κόστους της.
Ένα συμβολόμετρο μιας γραμμής, που μετρά την αλλαγή στο μήκος μιας ενιαίας διαδρομής με την παρεμβολή εκπεμπόμενων και ανακλώμενων κυμάτων σε μία ανακλώμενη κοιλότητα, θα απαιτούσε μόνο δύο δορυφόρους. Αλλά σε αυτό το set-up θα ήταν δύσκολο να διακρίνει κανείς αλλαγές στο μήκος της διαδρομής από τυχαίες διακυμάνσεις στη συχνότητα του λέιζερ - ένα φαινόμενο που ονομάζεται θόρυβος φάσης.
Τα συμβολόμετρα Atom προτάθηκαν στα τέλη του 1980 και το πρώτο που χτίστηκε στις αρχές του 1990 ήταν από τους φυσικούς συμπεριλαμβανομένων των Mark Kasevich και Steven Chu στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Αντί της μέτρησης της διαφοράς φάσης μεταξύ δύο ακτίνων φωτός, ένα ατομικό συμβολόμετρο μετρά τη μεταβολή της φάσης ενός κύματος ύλης από άτομα σε μια υπέρθεση κβαντικών καταστάσεων. Ένα ατομικό συμβολόμετρο μπορεί να δημιουργηθεί από μια επανειλημμένη ημιπερίοδο της κυματοσυνάρτηση χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ, ενώ κρατώντας την άλλη ημιπερίοδο σε κατάσταση ακινησίας. Το μήκος κύματος ενός ατόμου μικραίνει όταν το άτομο είναι σε διεγερμένη κατάσταση, δημιουργώντας μία μετατόπιση φάσης μεταξύ των δύο ημιπεριόδων της κυματοσυνάρτησης που εξαρτάται από το πόσο χρόνο η πρώτη ημιπερίοδος έχει περάσει σε κατάσταση διέγερσης.
Σε αυτή τη τελευταία δουλειά, ο Kasevich και οι συνεργάτες του, με επικεφαλής τον θεωρητικό φυσικό Peter Graham στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, προτείνει την τοποθέτηση δύο άτομικών συμβολόμετρων σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους και με τα ίδια παλμικά λέιζερ να διεγείρουν και να αποδιεγείρουν τα άτομα και στα δύο συμβολόμετρα. Ο χρόνος που κάθε άτομο περνά σε κατάσταση διέγερσης εξαρτάται από το χρόνο του ταξιδιού των παλμών laser μεταξύ των δύο άτομικών συμβολόμετρων. "Κάθε ατομικό σύννεφο είναι σαν ένα χρονόμετρο," εξηγεί ο Kasevich. "Όταν ο παλμός λέιζερ έρχεται από μία κατεύθυνση, ξεκινά το ρολόι. Όταν προέρχεται από την άλλη κατεύθυνση, σταματά."
Κάνοντας τα άτομα να δουλέψουν
Εάν το μήκος της γραμμής βάσης μεταξύ των συμβολόμετρων είναι σταθερό, τα άτομα και στα δύο συμβολόμετρα θα συσσωρεύουν την ίδια μετατόπιση φάσης. Αλλά αν ένα συμβολόμετρο επιταχύνει σε σχέση με το άλλο, ο χρόνος μεταξύ της διέγερσης και αποδιέγερσης της μισής κυματοσυνάρτησης θα διαφέρει στις δύο θέσεις και τα άτομα θα αποκτήσουν μία διαφορετική σχετική μετατόπιση φάσης. Ο ίδιος παλμός λέιζερ διεγείρει και αποδιεγείρει τα άτομα και στα δύο συμβολόμετρα, έτσι ώστε ο θόρυβος του λέιζερ επηρεάζει και τα δύο άτομα με τον ίδιο τρόπο και δεν επηρεάζει τη διαφορά φάσεως από τη μετατόπιση να ανιχνεύεται στα δύο συμβολόμετρα. "Το φως απλά λειτουργεί σαν πύλη για να απενεργοποιήσει το ρολόι", λέει ο Kasevich. "Το άτομο που κάνει όλη τη σκληρή δουλειά."
Εάν το μήκος της γραμμής βάσης μεταξύ των συμβολόμετρων είναι σταθερό, τα άτομα και στα δύο συμβολόμετρα θα συσσωρεύουν την ίδια μετατόπιση φάσης. Αλλά αν ένα συμβολόμετρο επιταχύνει σε σχέση με το άλλο, ο χρόνος μεταξύ της διέγερσης και αποδιέγερσης της μισής κυματοσυνάρτησης θα διαφέρει στις δύο θέσεις και τα άτομα θα αποκτήσουν μία διαφορετική σχετική μετατόπιση φάσης. Ο ίδιος παλμός λέιζερ διεγείρει και αποδιεγείρει τα άτομα και στα δύο συμβολόμετρα, έτσι ώστε ο θόρυβος του λέιζερ επηρεάζει και τα δύο άτομα με τον ίδιο τρόπο και δεν επηρεάζει τη διαφορά φάσεως από τη μετατόπιση να ανιχνεύεται στα δύο συμβολόμετρα. "Το φως απλά λειτουργεί σαν πύλη για να απενεργοποιήσει το ρολόι", λέει ο Kasevich. "Το άτομο που κάνει όλη τη σκληρή δουλειά."
Ο εμπειρογνώμονας στα βαρυτικά κύματα B.S. Sathyaprakash από το Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ είναι συγκρατημένα αισιόδοξος. "Το σύστημα είναι προφανώς πολύ συναρπαστικό", λέει. "Αλλά νομίζω ότι το μεγάλο ερώτημα είναι τι είδους τεχνολογία απαιτείται στο διάστημα για να λειτουργήσει αυτό το σύστημα για τρία έως πέντε χρόνια; Δεν λέω τίποτα αρνητικό ή θετικό, αλλά θα ήθελα να δω αριθμούς."Σε μια προσπάθεια για την παροχή αυτών των δεδομένων, η ομάδα του Στάνφορντ αυτή τη στιγμή σχεδιάζει να κατασκευάσει ένα πρωτότυπο στο εργαστήριο για να διαπιστωθεί αν υπάρχουν ή όχι τυχόν απρόβλεπτα τεχνικά προβλήματα με αυτή τη πρόταση.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δ. Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου