Οι πρώτες απόπειρες παρατήρησης βαρυτικών κυμάτων

Η πρώτη άμεση παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων (Εικόνα 1) έγινε το 2015 από τα δύο παρατηρητήρια LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) στις ΗΠΑ. Το 2017 η παρατήρηση αυτή βραβεύτηκε με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής, και αποτέλεσε το επιστέγασμα μιας συνεχούς προσπάθειας δεκαετιών. Ήταν όμως η πραγματικά πρώτη άμεση* παρατήρηση;

Ο Τζόζεφ Βέμπερ και οι ανιχνευτές ράβδοι (bar detectors)

Ο Τζόζεφ Βέμπερ (Joseph Weber) αποτελεί έναν από τους πρωτοπόρους φυσικούς που προσπάθησαν να ανιχνεύσουν πειραματικά τα βαρυτικά κύματα. Για τον σκοπό αυτό, στις αρχές της δεκαετίας του ‘60, ξεκινάει την κατασκευή ενός κυλινδρικού “ανιχνευτή ράβδου” από αλουμίνιο. Η λειτουργία των ανιχνευτών αυτών, οι οποίοι συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται στις μέρες μας, είναι διαφορετική από τους ανιχνευτές συμβολομετρίας λέιζερ, όπως το LIGO. Η βασική ιδέα είναι παρόμοια με τα φαινόμενα “συντονισμού” σε ένα ελατήριο: όταν σε ένα ελατήριο που είναι αρχικά στάσιμο, εφαρμόσουμε εμείς μια περιοδική δύναμη – για παράδειγμα, το σπρώχνουμε μπρος-πίσω με το χέρι μας – αυτό θα αρχίσει να ταλαντώνεται με τη συχνότητα της κίνησης μας. Όταν η συχνότητα αυτή είναι κοντά στη λεγόμενη “συχνότητα συντονισμού” του ελατηρίου, μια συχνότητα που εξαρτάται από το υλικό του, τότε το ελατήριο ταλαντώνεται με το μέγιστο δυνατό πλάτος, ή αλλιώς τη μέγιστη δυνατή μετατόπιση από το φυσικό του μήκος. Η ουσία που πρέπει να κρατήσουμε από τα παραπάνω είναι ότι υπάρχει ένα στενό εύρος συχνοτήτων που οδηγεί το ελατήριο στη μέγιστη ταλάντωση του. Παρόμοια λογική βρίσκεται και πίσω από τους ανιχνευτές ράβδου: κατασκευάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι ευαίσθητοι, και άρα να ταλαντώνονται περισσότερο, στην περιοχή συχνοτήτων που ελπίζουμε να παρατηρήσουμε βαρυτικά κύματα (Εικόνα 2).

Επιστρέφοντας στην ιστορία μας, ο Βέμπερ όχι μόνο κατασκευάζει έναν τέτοιον ανιχνευτή, αλλά το 1969 ανακοινώνει την πρώτη παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων! Αρχικά επικρατεί ενθουσιασμός, ωστόσο εξετάζοντας πιο προσεκτικά τις παρατηρήσεις του Βέμπερ οι φυσικοί προβληματίζονται. Είναι σημαντικό να αναφέρουμε εδώ ότι, όπως και οι ανιχνευτές λέιζερ, οι ανιχνευτές ράβδου έχουν μια σειρά από πηγές “θορύβου” (θερμοκρασία δωματίου, σεισμοί κτλ) που μπορεί να επηρεάσουν το αποτέλεσμα και να οδηγήσουν σε αληθοφανή σήματα. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό και με τις δυνατότητες της τεχνολογίας της εποχής οδηγεί πολλούς φυσικούς να αμφισβητήσουν το αποτέλεσμα και να αρχίσουν να σχεδιάζουν παρόμοιους, ή και καλύτερους, ανιχνευτές για να το αναπαράγουν. Επιπλέον, τα σήματα που βλέπει ο Βέμπερ προκαλούν δυσπιστία και στους αστροφυσικούς, οι οποίοι υπολογίζουν ότι αν τα σήματα είναι αληθινά, αυτό θα απαιτούσε έναν πολύ μεγάλο αριθμό πηγών βαρυτικών κυμάτων μέσα στον ίδιο μας το Γαλαξία, κάτι που δεν ταίριαζε με τα υπόλοιπα παρατηρησιακά δεδομένα. Τελικά, οι προσπάθειες αναπαραγωγής του αποτελέσματος από άλλα εργαστήρια δεν είναι επιτυχείς και η “παρατήρηση” του Βέμπερ ξεχνιέται. Ο ίδιος θα συνεχίσει να υποστηρίζει τα αποτελέσματα του, μέχρι το θάνατο του.

Το αίνιγμα της Γλασκώβης

Μπορεί ο Βέμπερ να μην παρατήρησε τελικά τα πρώτα βαρυτικά κύματα, ωστόσο οι προσπάθειες του ανοίγουν το δρόμο στη μελέτη όλων των τεχνικών ζητημάτων που πρέπει να λυθούν για μια επιτυχή παρατήρηση, αλλά δίνουν και κίνητρο σε μια σειρά φυσικών να ακολουθήσουν τα βήματα του για την κατασκευή ισχυρότερων ανιχνευτών.

Οδηγούμαστε λοιπόν στη Γλασκώβη του 1972. Εκεί οι φυσικοί Τζειμς Χιου (Sir James Hough) και Ρόναλντ Ντρέβερ (Ronald Drever – ο Ντρέβερ αργότερα θα αποτελέσει έναν από τους πρωτεργάτες του ανιχνευτή LIGO) κατασκευάζουν έναν πιο ανεπτυγμένο ανιχνευτή, που αποτελείται από δύο ράβδους συνδεδεμένες μεταξύ τους με πιεζοηλεκτρικούς μορφοτροπείς** (Εικόνα 3) και είναι ευαίσθητος σε μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων (και άρα έχει μεγαλύτερη πιθανότητα κάποιο βαρυτικό κύμα με παρόμοια συχνότητα να τον διεγείρει).

Μετά από πολλές μετρήσεις, ανάλυση δεδομένων και προσπάθεια ελαχιστοποίησης των διάφορων πηγών θορύβου, η ομάδα τους βλέπει ένα σήμα (Εικόνα 4) που μοιάζει πολύ με αυτό που αναμενόταν για ένα βαρυτικό κύμα! Επικοινωνούν με άλλα εργαστήρια που ανέπτυσσαν ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, αλλά κανένας από αυτούς δεν ήταν σε λειτουργία την αντίστοιχη περίοδο. Εκτιμούν ότι το σήμα τους μοιάζει με βαρυτικά κύματα που προέρχονται από έκρηξη σουπερνόβα, και ενημερώνουν διάφορες παρατηρησιακές ομάδες να “έχουν τα μάτια τους στον ουρανό”.

Δυστυχώς, παρ’ όλες τις ενδείξεις για την παρατήρηση του πρώτου βαρυτικού κύματος, τα δεδομένα τους δεν αρκούν για την τελική επιβεβαίωση. Για αυτήν, έπρεπε να κατασκευάσουμε νέα είδη ανιχνευτών, και να περιμένουμε άλλα περίπου 45 χρόνια!

* Να υπενθυμίσουμε εδώ ότι έμμεσα, βαρυτικά κύματα είχαν παρατηρηθεί αρκετά χρόνια νωρίτερα (τη δεκαετία του ‘70). Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα εδώ.

** Μορφοτροπέας λέγεται μία συσκευή που μετατρέπει ένα σήμα ενέργειας από μία μορφή σε μία άλλη. Στην πιεζοηλεκτρική περίπτωση, αυτό γίνεται από μηχανική ενέργεια (όταν κάτι πιέζεται, όπως λέει και το όνομα) σε ηλεκτρική.

Περαιτέρω διάβασμα:

• Ένα αρκετά εισαγωγικό βιβλίο σχετικά με την ιστορία της παρατήρησης των βαρυτικών κυμάτων είναι (στα αγγλικά) το “Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space” της Janna Levin.
• (Τεχνικό άρθρο): Evidence for Discovery of Gravitational Radiation (1969), J. Weber.
• (Τεχνικό άρθρο): Search for Short Bursts of Gravitational Radiation (1973), R. W. P. Drever, J. Hough, R. Bland & G. W. Lessnoff.