Πώς λειτουργεί η βαθμονόμηση των βαρυτικών ανιχνευτών;

Σίγουρα θα έχετε δει σε άλλα άρθρα στη σελίδα μας μια εικόνα όπως η παρακάτω (Εικόνα 1). Πρόκειται για την πρώτη άμεση παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων από τους ανιχνευτές LIGO!

Για τον τρόπο που ανιχνεύονται τέτοια σήματα βαρυτικών κυμάτων, έχουμε αναφερθεί παλιότερα εδώ: Στην πιο απλή περιγραφή, αυτό που μετράμε (έμμεσα, ως αποτέλεσμα των βαρυτικών κυμάτων) είναι απλώς ένταση φωτός. Το φως αυτό προέρχεται από δύο πανίσχυρα λέιζερ. Το πέρασμα ενός βαρυτικού κύματος από τον ανιχνευτή, αλλάζει τις αποστάσεις που πρέπει να ταξιδέψει το φως των λέιζερ – τα βαρυτικά κύματα δεν είναι τίποτα άλλο από παραμορφώσεις του χωροχρόνου σε τελική ανάλυση – με αποτέλεσμα όταν τα δύο φωτεινά σήματα συναντιούνται πάλι στον ανιχνευτή, αυτά μπορεί να “αλληλοακυρώνουν” το ένα το άλλο. Πρόκειται για το φαινόμενο της “συμβολής κυμάτων”!  Το σημαντικό που πρέπει να μας μείνει από όλα τα παραπάνω, είναι ότι για τη μέτρηση των βαρυτικών κυμάτων τελικά μετράμε φως!

Στο άρθρο αυτό θέλουμε λοιπόν να απαντήσουμε την εξής ερώτηση: πώς από ένα φωτεινό σήμα, καταλήγουμε στην ανίχνευση ενός βαρυτικού κύματος;

Στην πραγματικότητα, αυτό είναι ένα πολύ πιο γενικό ερώτημα στις επιστήμες: Πώς μετράμε πράγματα ή ποσότητες; Παρότι το ζήτημα έχει και ενδιαφέρουσες φιλοσοφικές προεκτάσεις, εδώ θα παραμείνουμε σε πιο εμπειρικές διαστάσεις. Ξεκινάμε λοιπόν!

Η πολυπλοκότητα των βαρυτικών ανιχνευτών!

Για να μετρήσουμε ένα βαρυτικό κύμα, ή στην πράξη το πόσο αλλάζει η απόσταση που διένυσαν τα λέιζερ μας, οφείλουμε να είμαστε εξαιρετικοί στη μέτρηση αποστάσεων. Πόσο εξαιρετικοί; Τόσο ώστε να μπορούμε να αντιληφθούμε μια αλλαγή στην απόσταση του λέιζερ, μικρότερη από το 1/10,000 της διαμέτρου ενός πρωτονίου! Με άλλα λόγια, χρειαζόμαστε τρομακτική ακρίβεια.

Για να το πετύχουμε αυτό, οι πιο ανεπτυγμένοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων χρησιμοποιούν πολύ πιο εξεζητημένες τεχνολογικές εγκαταστάσεις και τεχνικές, από την απλή εικόνα με τα δύο λέιζερ που δώσαμε παραπάνω. Για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται ειδικές τεχνικές “ανακύκλωσης” των λέιζερ¹ για μεγαλύτερη σταθερότητα και ευαισθησία, και ένα πολύπλοκο σύστημα καθρεφτών για μείωση εξωτερικών θορύβων, πχ σεισμικών δονήσεων (Εικόνα 2). Επίσης, το σύστημα βρίσκεται μέσα σε μία κατάσταση “απόλυτου κενού”, ώστε μόρια του αέρα να μην εμποδίζουν την πορεία των λέιζερ ή την κίνηση των καθρεφτών.  Επιπλέον, όλα τα παραπάνω συνοδεύονται από ένα σύστημα φωτοανιχνευτών και ηλεκτρονικών, που έχουν στόχο να μετατρέψουν τις παραμικρές αλλαγές στην κίνηση των καθρεφτών, ή στη φωτεινότητα του σήματος, σε ψηφιακές μετρήσεις που θα μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν από τους επιστήμονες.

Η βαθμονόμηση των βαρυτικών ανιχνευτών

Το κόλπο είναι να μπορέσουμε να καταλάβουμε πως η κίνηση των καθρεφτών και οι αλλαγές φωτεινότητας μετατρέπονται σε ηλεκτρικά, και τελικά ψηφιακά σήματα, και πως μέσα σε αυτά τα σήματα θα μπορέσουμε να εντοπίσουμε εκείνα που οφείλονται σε αληθινά βαρυτικά κύματα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται “βαθμονόμηση” των βαρυτικών ανιχνευτών.

Ένα εύκολο παράδειγμα βαθμονόμησης είναι μια ζυγαριά. Έχετε ποτέ αναρωτηθεί πως μπορείτε εύκολα να διαβάσετε τα κιλά σας ανεβαίνοντας απλώς σε ένα λεπτό, τετράγωνο αντικείμενο; Οι πιο κλασικές ζυγαριές περιλαμβάνουν ελατήρια που οι ιδιότητες τους έχουν μελετηθεί λεπτομερώς. Κάθε συμπίεση έχει συνδεθεί με μια δράση γνωστής ποσότητας δύναμης (έχουν δηλαδή βαθμονομηθεί). Οπότε κάθε νέα συμπίεση στο κάθε ζύγισμα, μπορεί να μετατραπεί σε μια μέτρηση κιλών (εδώ χρειάζεται και γνώση της βαρύτητας). Η βαθμονόμηση δεν είναι μια εύκολη διαδικασία – απαιτείται ενδελεχής μελέτη του συστήματος μέτρησης, από τα υλικά που έχει φτιαχτεί, μέχρι το πως αντιδράει σε κάθε μορφή αλληλεπίδρασης. Μπορείτε λοιπόν να φανταστείτε πόσο δύσκολη είναι η βαθμονόμηση των βαρυτικών ανιχνευτών!

Σε ένα τέτοιο πολύπλοκο σύστημα πρέπει να ελεγχθεί ότι σε κάθε επιμέρους βήμα, η μία μέτρηση μετατρέπεται σωστά στην επόμενη, αλλά και ότι το σύστημα συνολικά βρίσκεται σε μία “ελεγχόμενη” κατάσταση. Για παράδειγμα, τα λέιζερ “σπρώχνουν” τους καθρέφτες που βρίσκονται στις άκρες των βραχιόνων: θέλουμε να είμαστε σίγουροι ότι το πόσο κινήθηκαν οι καθρέφτες μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμα και μετράται σωστά, και ότι μπορούμε να διατηρήσουμε τους ανιχνευτές σε μια (ελεγχόμενη) κατάσταση όπου η ισχύς των λέιζερ είναι σταθερή, η απόσταση που διανύουν είναι σταθερή κτλ.

Για να γίνει αυτό, στην πράξη γίνονται μια σειρά από βήματα: 1) ελέγχονται μεμονωμένα όλα τα ηλεκτρονικά συστήματα, οι φωτοανιχνευτές και τα  λέιζερ, ώστε να γνωρίζουμε λεπτομερώς τη λειτουργία τους: τι μετρήσεις δίνουν σε γνωστά σήματα, πως αντιδρούν σε διαφορετικές συνθήκες κτλ., 2) αναπτύσσονται μοντέλα για το πως αντιδρά κάθε μέρος του ανιχνευτή, καθώς και συστήματα που μπορούν να τον μεταφέρουν στην “κατάσταση ελέγχου”, δηλαδή την κατάσταση που είναι ιδανική για παρατηρήσεις, 3) χρησιμοποιούνται συστήματα δοκιμών, που μετράνε πως ανταποκρίνεται το σύστημα σε γνωστές διαταραχές, και τελικά 4) δημιουργούνται αλγόριθμοι που μπορούν να απομονώσουν τα σήματα που προέρχονται από αστροφυσικές πηγές από σήματα λόγω θορύβων (Εικόνα 3). Μόνο μετά από όλη αυτή τη σειρά ελέγχων και δοκιμών, μπορούμε να αρχίσουμε να κοιτάμε τα δεδομένα, και να μαθαίνουμε από αυτά!

Διαβάστε περισσότερα:
– Τι είναι η Ηχοποίηση (sonification) ή αλλιώς πως γίνεται να ακούμε αστροφυσικά φαινόμενα; Μέρος Α– Κάπως πιο τεχνικά άρθρα (στα αγγλικά): Εδώ και εδώ.

1. Με τον όρο “ανακύκλωση” λέιζερ αναφερόμαστε στη διαδικασία όπου ένα σήμα λέιζερ ανακλάται πολλαπλές φορές μεταξύ κάποιων καθρεφτών. Βοηθάει στην ενίσχυση της ισχύος του σήματος. Στους ανιχνευτές LIGO τα λέιζερ εισέρχονται στον ανιχνευτή με ισχύ περίπου 40 Watt και μέσω της “ανακύκλωσης” τους φτάνουν τα 750000 Watt! ↩︎