Υπόγειο τηλεσκόπιο.

[Δροσος Γεωργιος]

Υπόγειο τηλεσκόπιο βαρυτικών κυμάτων για την εξερεύνηση του Big Bang και μαύρων οπών.

Ερευνητές έχουν καταρτίσει σχέδια για την επόμενη γενιά παρατηρητηρίων βαρυτικών κυμάτων που θα είναι 100 φορές πιο ευαίσθητα από τα σημερινά όργανα. Το τηλεσκόπιο Αϊνστάιν, όπως ονομάστηκε, υπολογίζεται να κοστίσει γύρω στα 790 εκατομμύρια και να ολοκληρωθεί έως το 2025. Θα επιδιώξει να ανιχνεύει άμεσα τα κύματα βαρύτητας και συγχρόνως θα προσπαθήσει να επιλύσει την προέλευση και τη φύση τους. Θα διαφέρει βεβαίως από τους υπάρχοντες ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων στο ότι θα είναι κατασκευασμένο κάτω από το έδαφος.

Οι ερευνητές θα ξεκινήσουν τώρα να κάνουν μια λεπτομερή τεχνική μελέτη για το τηλεσκόπιο Αϊνστάιν, η οποία αναμένεται να ολοκληρωθεί έως το 2017, καθώς και την επιλογή της θέσης του. Το τηλεσκόπιο είναι ένα από τα επτά σχέδια που έχουν προταθεί σε ένα Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Οργανισμό (ASPERA), που χρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή, το CERN και από 17 χώρες.

Τα βαρυτικά κύματα είναι κυματισμοί στον ιστό του χωροχρόνου που η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει ότι πρέπει να διαποτίζουν όλο το σύμπαν. Το τηλεσκόπιο Αϊνστάιν – ένα παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων τρίτης γενιάς – θα είναι παρόμοιο στο σχεδιασμό με τα υφιστάμενα, όπως το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων LIGO στην Ουάσιγκτον, και το Livingston στη Λουιζιάνα.

Το LIGO λειτουργεί με δύο συμβολόμετρα σε γωνία 90° και μήκους 4 km, στα οποία μοιράζεται μια δέσμη λέιζερ στα δύο. Οι ακτίνες στο τέλος κάθε βραχίονα γυρίζουν πίσω στην αφετηρία τους, όπου συμβάλουν μεταξύ τους. Αν πράγματι υπάρχουν βαρυτικό κύμα τότε θα αλλάξουν ελαφρώς προς τα πάνω το χρονικό διάστημα που διαδίδεται στον ένα και ελαφρώς προς τα κάτω στον άλλο βραχίονα. Αλλάζοντας έτσι το σχέδιο συμβολής με μετρήσιμο τρόπο.

Το τηλεσκόπιο Αϊνστάιν θα μελετήσει όλο το φάσμα των συχνοτήτων των βαρυτικών κυμάτων – από 1 Hz έως 10 kHz – από αστρονομικές πηγές που μπορεί να μετρηθούν στη Γη. Το παρατηρητήριο θα κατασκευαστεί υπόγεια σε ένα βάθος περίπου 100-200 μέτρων. και θα αποτελείται από τρεις υπόγειους ανιχνευτές, που ο κάθε ένας θα συνδέεται με δύο βραχίονες συμβολομέτρων μήκους 10 χιλιομέτρων.

Ένα από τα συμβολόμετρα θα ανιχνεύσει σήματα βαρυτικά κύματα χαμηλής συχνότητας 2 έως 40 Hz, ενώ το άλλο θα εντοπίσει σήματα υψηλότερης συχνότητας.

"Το γεγονός ότι το τηλεσκόπιο αυτό θα είναι υπόγεια μας επιτρέπει να επεκτείνουμε την ευαισθησία του ‘παράθυρου’ σε πολύ χαμηλές συχνότητες, ακόμα και κάτω από 10 Hz", λέει ο Andreas Freise από το Πανεπιστήμιο του Birmingham στην Αγγλία, ο οποίος ηγείται του οπτικού σχεδιασμού του τηλεσκοπίου . "Πολλά σήματα βαρυτικών κυμάτων από, για παράδειγμα, μαύρες τρύπες που συντρίβονται μεταξύ τους, θα έχει μια σημαντική υπογραφή στην εν λόγω περιοχή συχνοτήτων."

Το LIGO αυτή τη στιγμή αναβαθμίζεται στο Advanced LIGO, που θα γίνει 10 φορές πιο ευαίσθητο. Σύμφωνα με τον Freise, οι φυσικοί περιμένουν το Advanced LIGO να κάνει την πρώτη άμεση ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας, αλλά επειδή το τηλεσκόπιο Αϊνστάιν θα είναι επιπλέον 10 φορές πιο ευαίσθητο, θα είναι σε καλύτερη θέση να εκτιμήσει την προέλευση των βαρυτικών κυμάτων και να δώσει πληροφορίες για το βαρυτικό περιβάλλον γύρω τους.

Αναπαράσταση για το σχεδιαζόμενο τηλεσκόπιο Αϊνστάιν για τα βαρυτικά κύματα.

[Tsaprazi]

Σίγουρα ένα ελπιδοφόρο εγχείρημα, το οποίο θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τη δομή του χωρόχρονου και θα προσφέρει τα μέγιστα στη μελέτη συστημάτων, όπως το Cyg X-1. Από τέτοιου είδους ημιαποχωρισμένα συστήματα αναμένεται κυρίως να ανιχνευθούν βαρυτικά κύματα, λόγω βίαιων ταχύρρυθμων εκλάμεψων και άλλων παρόμοιων μηχανισμών παραγωγής ακτινών Χ. Ας ελπίσουμε λοιπόν ότι η επανάσταση στην κοσμολογία μόλις άρχισε.

 

Προτείνω και το εξής ενδιαφέρον:

http://www.tovima.gr/culture/article/?aid=84719

[Δροσος Γεωργιος]

Η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από τη Γη μπορεί να βελτιωθεί.

Γερμανοί ερευνητές από το Ινστιτούτο Albert Einstein (AEI) λένε ότι η πιθανότητα εντοπισμού των κυμάτων βαρύτητας από τη Γη,

θα μπορούσε να αυξηθεί σημαντικά εάν εγκατασταθεί στη Γη ένας μόνο νέος ανιχνευτής.

Μέχρι στιγμής, δεν έχουν εντοπιστεί αυτοί οι κυματισμοί του χωροχρόνου, αλλά οι ανιχνευτές που χτίζονται τώρα πιστεύεται ότι θα μπορούν. Ο αναμενόμενος ρυθμός ανίχνευσης τους θα μπορούσε θεωρητικά να αυξηθεί αν κτιστούν πρόσθετοι ανιχνευτές στις τρεις χώρες.

Αυτά τα κύματα – που έχουν προταθεί από τη Γενική Σχετικότητα του Άλμπερτ Αϊνστάιν είναι στρεβλώσεις στον ιστό του χωροχρόνου. Μερικές από αυτές τις στρεβλώσεις πιστεύεται ότι έχουν παραμείνει από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης, ενώ άλλες ότι παράγονται ακόμη και σήμερα.

Γεγονότα όπως είναι η συγχώνευση δύο μαύρων οπών μπορούν να γεννήσουν τέτοια κύματα. Ωστόσο, η ανίχνευση τους αποδεικνύεται ότι είναι μία εξαιρετικά περίπλοκη αποστολή. Η νέα όμως πρόταση των Γερμανών φυσικών, αποσκοπεί στο να καταστήσει τα πράγματα απλούστερα για τη διεθνή επιστημονική κοινότητα.

Λεπτομέρειες των προτεινόμενων ανιχνευτών δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Classical and Quantum Gravity.

Η ερευνητική ομάδα αποδεικνύει ότι έστω και ένας, επιπλέον ανιχνευτής θα μπορούσε να κάνει μια αξιοσημείωτη διαφορά.

Μέχρι σήμερα στη Γη υπάρχει ένα δίκτυο από τέσσερις ανιχνευτές που ψάχνουν στους ουρανούς για τα κύματα της βαρύτητας.

Αυτοί οι ανιχνευτές αναμένεται να προσδιορίσουν όχι λιγότερο από 40 συγχωνεύσεις μεταξύ αστέρων νετρονίων κάθε χρόνο μέχρι το 2016. Οι συγχωνεύσεις αυτές μπορεί να παράγουν βαρυτικούς κυματισμούς επειδή αυτά τα αντικείμενα είναι εξαιρετικά πυκνά.

Αν γίνει μια πολύ καλή ανάλυση των δεδομένων, τότε ο ρυθμός ανίχνευσης θα μπορούσε να ενισχυθεί κατά 400 τοις εκατό.

Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την εγκατάσταση ενός νέου ανιχνευτή στην Ιαπωνία, ή στην Αυστραλία ή την Ινδία, λένε οι φυσικοί του Ινστιτούτου Αϊνστάιν.

Εάν οι ανιχνευτές εγκατασταθούν και στις τρεις αυτές θέσεις, τότε ο ρυθμός ανίχνευσης θα μπορούσε να αυξηθεί κατά μέσο όρο σε 370 ετησίως, από 40. Υποστηρίζουν δε οι ερευνητές ότι θα μπορούσαν να ανιχνευτούν μετά από μερικά χρόνια συνεχούς βελτίωσης, ακόμα και 500 συγκρούσεις/συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων ή μαύρων οπών ετησίως

«Οι βελτιώσεις που θα επέφεραν οι νέοι ανιχνευτές είναι πολύ μεγαλύτερες από τις απαιτούμενες πρόσθετες επενδύσεις," εξηγεί ο καθηγητής Bernard Schutz.

"Ακόμα και η μετακίνηση του υπάρχοντος ανιχνευτή LIGO στην Αυστραλία θα αυξήσει κατά 2 με 4 φορές τον αριθμό των καλών ανιχνεύσεων, όπως επίσης θα βελτιώσει σημαντικά τις πληροφορίες για την κατεύθυνση που βρίσκονται αυτά τα γεγονότα στον ουρανό”, τονίζει ο Schutz.

«Ο νέος ανιχνευτής στην Ιαπωνία, που εγκρίθηκε πέρυσι, θα προσθέσει μια επιπλέον ευαισθησία και αξιοπιστία και μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την κάλυψη του ουρανού», προτείνει ο ερευνητής.

“Όχι μόνο θα ήμασταν πιο σίγουροι από ποτέ για τις ανιχνεύσεις, αλλά θα είμαστε σε θέση να μελετήσουμε τα αστέρια νετρονίων και τις εκρήξεις των ακτίνων γάμμα, που με κανένα άλλο τρόπο δεν μπορούμε", καταλήγει ο Schutz.

Στην εικόνα παραμορφώσεις του χωροχρόνου που παράγονται από τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών.

[Δροσος Γεωργιος]

Τα βαρυτικά κύματα και οι ιδιότητές τους.

Τα βαρυτικά κύματα με τη μεγαλύτερη ένταση προέρχονται από περιοχές όπου τεράστιες ποσότητες ύλης ή χωροχρονικής καμπυλότητας κινούνται με ταχύτητα παραπλήσια του φωτός, όπως είναι η Μεγάλη Έκρηξη ή οι συγκρούσεις μαύρων οπών. Επειδή οι περιοχές αυτές περιβάλλονται συνήθως από πυκνά στρώματα ύλης που απορροφούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, δεν μπορούμε αυτά τα γεγονότα να τα παρατηρήσουμε στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Τα βαρυτικά κύματα όμως διαπερνούν την ύλη και γι αυτό είναι δυνατή η ανίχνευση τους.

Ξέρουμε από τη Γενική Σχετικότητα ότι η χωροχρονική καμπύλωση είναι ταυτόσημη ως προς τη δράση της με την παλιρροϊκή δράση της βαρύτητας. Η χωροχρονική καμπύλωση που δημιουργεί για παράδειγμα η Σελήνη, προκαλεί τις παλίρροιες των ωκεανών της Γης. Ομοίως τα βαρυτικά κύματα της χωροχρονικής καμπυλότητας, από μαύρες τρύπες για παράδειγμα, θα πρέπει κι αυτές να προκαλούν ωκεάνιες παλίρροιες.

Σύμφωνα πάλι με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, οι ωκεάνιες παλίρροιες που προκαλεί η Σελήνη και αυτές που προκαλεί ένα βαρυτικό κύμα, διαφέρουν σε τρία σημαντικά σημεία.

Η πρώτη διαφορά αφορά τον τρόπο διάδοσης. Οι παλιρροϊκές δυνάμεις των βαρυτικών κυμάτων συνοδεύουν τα βαρυτικά κύματα κατά τη διάδοσή τους. Τα τελευταία ταξιδεύουν από την πηγή τους ως τη Γη με την ταχύτητα του φωτός και καθώς ταξιδεύουν ταλαντώνονται. Πηγές τους είναι οι περιοχές του σύμπαντος όπου συμβαίνουν απότομες μεταβολές της καμπυλότητας του χωροχρόνου, όπως π.χ. η περιοχή όπου συμβαίνει μια συνένωση δύο μαύρων οπών.

Αντίθετα, οι παλιρροϊκές δυνάμεις της Σελήνης μοιάζουν με το ηλεκτρικό πεδίο ενός φορτισμένου σώματος. Όπως το ηλεκτρικό πεδίο ενός φορτισμένου σώματος είναι αναπόδραστα συνδεδεμένο μαζί του και μεταφέρεται από το σώμα κατά την κίνησή του, έτσι και οι παλιρροϊκές δυνάμεις είναι αναπόδραστα συνδεδεμένες με τη Σελήνη, μεταφέρονται από αυτήν και επιδρούν σε οτιδήποτε εισέλθει στη γειτονιά της Σελήνης, συμπιέζοντάς το ή επιμηκύνοντάς το. Έτσι, οι παλιρροϊκές δυνάμεις συμπιέζουν και επιμηκύνουν τους ωκεανούς της Γης κατά τρόπο που φαίνεται να μεταβάλλεται με περίοδο λίγων ωρών, επειδή η Γη περιστρέφεται. Αν η Γη δεν περιστρεφόταν η επιμήκυνση και η συμπίεση θα παρέμεναν αμετάβλητες.

Η δεύτερη διαφορά αφορά την διεύθυνση των παλιρροιών. Οι παλιρροϊκές δυνάμεις της Σελήνης ασκούνται προς όλες τις χωρικές διευθύνσεις. Επιμηκύνουν τους ωκεανούς στη διαμήκη διεύθυνση (τη διεύθυνση Γης-Σελήνης) και συμπιέζουν τους ωκεανούς στις εγκάρσιες διευθύνσεις (κάθετα στη διεύθυνση Γης-Σελήνης.)

Αντίθετα ένα βαρυτικό κύμα δεν δημιουργεί παλιρροϊκές δυνάμεις κατά τη διαμήκη διεύθυνση (τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος). Στο εγκάρσιο επίπεδο όμως, το βαρυτικό κύμα επιμηκύνει τους ωκεανούς κατά μήκος της μιας διεύθυνσης (της διεύθυνσης πάνω-κάτω στο σχήμα) και τους συμπιέζει κατά μήκος της άλλης διεύθυνσης (αυτής που είναι κάθετη στο επίπεδο σχεδίασης). Η επιμήκυνση και η συμπίεση εναλλάσσονται: Όταν ένα όρος του κύματος φτάνει στη Γη, η επιμήκυνση ασκείται στο επίπεδο σχεδίασης ενώ η συμπίεση στη διεύθυνση την κάθετη προς το επίπεδο σχεδίασης, όταν φτάνει η κοιλάδα του κύματος, τότε η επιμήκυνση ασκείται κάθετα στο επίπεδο σχεδίασης και η συμπίεση επί του επιπέδου σχεδίασης. Όταν φτάνει το επόμενο όρος του κύματος τα πράγματα αντιστρέφονται και ο κύκλος επαναλαμβάνεται από την αρχή.

Η τρίτη διαφορά μεταξύ των παλιρροιών της Σελήνης και εκείνων ενός βαρυτικού κύματος, αφορά το μέγεθός τους. Η Σελήνη προκαλεί παλίρροιες ύψους περίπου 1 μέτρου και επομένως η υψομετρική διαφορά των κυμάτων στην πλημμυρίδα και την άμπωτη ισούται με 2 μέτρα περίπου. Αντίθετα τα βαρυτικά κύματα των συνενούμενων μαύρων οπών θα προκαλούν στους γήινους ωκεανούς παλίρροιες με ύψος όχι μεγαλύτερο από 10-14 μέτρα, μέγεθος ίσο με 10-21 φορές τη διάμετρο της Γης (ή ισοδύναμα 10-4 φορές τη διάμετρο ενός ατόμου). Εφόσον οι παλιρροϊκές δυνάμεις είναι ανάλογες με το μέγεθος του αντικειμένου πάνω στο οποίο δρουν, τα κύματα θα παραμορφώνουν παλιρροϊκά κάθε αντικείμενο κατά 10-21 φορές το μέγεθός του. Υπό την έννοια αυτή η ένταση των παλιρροϊκών κυμάτων όταν φτάνουν στη Γη ισούται αριθμητικά με 10-21 .

Ο λόγος που τα βαρυτικά κύματα είναι τόσο ασθενή είναι επειδή οι μαύρες τρύπες που τα δημιουργούν βρίσκονται σε πολύ μεγάλη απόσταση από τη Γη. Η ένταση των βαρυτικών κυμάτων εξασθενεί με την απόσταση όπως και η ένταση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Όταν τα κύματα βρίσκονται κοντά στις τρύπες, η έντασή τους ισούται αριθμητικά με 1 (δηλαδή συμπιέζουν και επιμηκύνουν ένα αντικείμενο περίπου όσο και το μέγεθός του.)

Είναι εντελώς μάταιο να ελπίζουμε ότι μπορούμε να μετρήσουμε παλίρροια τόσο μικρού ύψους στα ταραγμένα νερά των ωκεανών μας. Εντούτοις πιστεύουμε ότι θα μπορέσουμε να μετρήσουμε τις παλιρροϊκές δυνάμεις ενός βαρυτικού κύματος με τη βοήθεια μιας προσεκτικά σχεδιασμένης συσκευής – ενός ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων.

Στο σχίτσο οι διαφορές ανάμεσα στις παλίρροιες της Σελήνης και των βαρυτικών κυμάτων.