Αρκεί ένας μόνο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων για να “ακούσουμε” το Σύμπαν;

Αρκεί ένας μόνο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων για να “ακούσουμε” το Σύμπαν;

Για να δει κάποιος τον ουρανό, στο οπτικό, μπορεί να στήσει ένα τηλεσκόπιο στον κήπο (ή την ταράτσα) του. Αν θέλει να δει τον ουρανό καλύτερα, δηλαδή να διακρίνει τα πιο αμυδρά σώματα, χρειάζεται ένα μεγαλύτερο τηλεσκόπιο, καλύτερες τεχνολογίες και σίγουρα καλύτερη τοποθεσία. Τα πράγματα όμως είναι λίγο διαφορετικά για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων1.

Για να είμαστε ακριβείς, και ένας μεμονωμένος ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων μπορεί να παρατηρήσει τη διέλευση ενός βαρυτικού κύματος, αλλά όχι χωρίς σημαντική αβεβαιότητα2. Για αυτό και οι επιστήμονες έχουν κατασκευάσει ένα δίκτυο τέτοιων ανιχνευτών. Το 2025 έχουμε τους εξής ανιχνευτές σε λειτουργία, ή υπό ενεργή κατασκευή:

  • Τους δύο ανιχνευτές LIGO στη Βόρεια Αμερική, στο Hanford της Ουάσινγκτον και στο Livingston της Λουιζιάνα.
  • Τον ανιχνευτή Virgo στην Ιταλία. Παρόμοιος με τους ανιχνευτές LIGO, αλλά μικρότερης ευαισθησίας.
  • Τον ανιχνευτή KAGRA στην Ιαπωνία. Ο πρώτος ανιχνευτής που λειτουργεί υπόγεια και χρησιμοποιεί κρυογενή κάτοπτρα (δηλαδή σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες).
  • Τον ανιχνευτή GEO600 στη Γερμανία. Πολύ μικρότερος από τους υπόλοιπους. Χρησιμοποιείται κυρίως για ανάπτυξη και έλεγχο νέων τεχνολογιών.
  • Τον ανιχνευτή LIGO-India, στην Ινδία. Παρόμοιος με τους ανιχνευτές LIGO, αλλά ακόμα υπό κατασκευή.
Εικόνα 1: Το δίκτυο βαρυτικών ανιχνευτών ανά τον κόσμο. Με κίτρινο, οι εν ενεργεία ανιχνευτές, με πορτοκαλί ο υπό κατασκευή ανιχνευτής στην Ινδία. Image Credit: LIGO

Γιατί χρειάζονται τελικά τόσοι ανιχνευτές, και κυρίως γιατί είναι χρήσιμο, αν όχι απαραίτητο, να λειτουργούν ταυτόχρονα;

  1. Ανάλυση πειραματικού θορύβου

Κάθε ανιχνευτής είναι ευαίσθητος στις τοπικές συνθήκες, από καταιγίδες σε σεισμικές δονήσεις. Συγκρίνοντας δεδομένα από διαφορετικές τοποθεσίες, οι επιστήμονες μπορούν πιο εύκολα να απομονώσουν τα σήματα πραγματικών, αστροφυσικών βαρυτικών κυμάτων, από πιθανούς πειραματικούς θορύβους.

  1. Ποιοτικός έλεγχος των παρατηρήσεων και τεστ της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

Σε συνέχεια του προηγούμενου σημείου, αν οι επιστήμονες γνωρίζουν την απόσταση μεταξύ δύο ανιχνευτών, τότε μπορούν να εκτιμήσουν και σε πόσο χρονικό διάστημα ένα βαρυτικό σήμα θα χρειαστεί για να ταξιδέψει από τον έναν στον άλλο. Για παράδειγμα, οι δύο ανιχνευτές LIGO στις ΗΠΑ απέχουν περίπου 3000 χμ μεταξύ τους. Αν το βαρυτικό κύμα ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός, θα χρειαστεί περίπου 10 milliseconds (χιλιοστά του δευτερολέπτου) για να διασχίσει αυτήν την απόσταση, Άρα αν οι δύο ανιχνευτές παρατηρήσουν σήματα με χρονική διαφορά μεγαλύτερη από αυτή, τότε μπορούν να τα αποκλείσουν σαν αστροφυσικές πηγές.

Την ίδια στιγμή, μια τέτοια μέτρηση μπορεί να προσφέρει ένα πρόχειρο τεστ για τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Αυτή υποστηρίζει ότι τα βαρυτικά κύματα πρέπει να ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Αν και οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πιο ενδελεχείς μεθόδους για τέτοιους ελέγχους, η διαφορά χρόνου παρατήρησης δυο επιβεβαιωμένων βαρυτικών κυμάτων μεταξύ των ανιχνευτών, επιτρέπει μια πρώτη εκτίμηση της ταχύτητας τους.

  1. Εντοπισμός της πηγής και πολυμηνυματική αστρονομία

Ένα από τα βασικότερα πλεονεκτήματα των πολλαπλών ανιχνευτών είναι ο εντοπισμός της πηγής των βαρυτικών κυμάτων στον ουρανό. Ένας μεμονωμένος ανιχνευτής ουσιαστικά μπορεί να περιορίσει τη θέση της πηγής σε έναν ουράνιο δακτύλιο – όχι και τόσο χρήσιμο, αν θέλεις να στρέψεις τηλεσκόπια του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος προς την πηγή. Η πρόσθεση επιπλέον ανιχνευτών μπορεί να περιορίσει σημαντικά τις πιθανές θέσεις στον ουράνιο θόλο – δείτε την Εικόνα 2, για ένα παράδειγμα. Σαν αποτέλεσμα, αυτό επιτρέπει την επακόλουθη παρακολούθηση της πηγής και στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, ή και με άλλους τρόπους (όπως π.χ. τα νετρίνα). Ένα τέτοιο γεγονός είναι “θησαυρός” για τους αστροφυσικούς καθώς μπορούν να μελετήσουν από τις ιδιότητες των πηγών μέχρι κοσμολογικά μοντέλα!

Εικόνα 2: Η θέση στον ουρανό της πηγής του βαρυτικού κύματος GW10814. Οι διάφορες ελλείψεις περικλύουν κατά 90% την πιθανή τοποθεσία της πηγής. Η αρχική, κίτρινη περιοχή προέρχεται από την ανάλυση των δύο ανιχνευτών LIGO (περίπου 1200 τετραγωνικές μοίρες). Η παρατήρηση του ίδιου βαρυτικού κύματος από το Virgo, συρρικνώνει τις πιθανές θέσεις της πηγής, δίνοντας το πράσινο σχήμα. Τελικά, η απαλή γκρί/μωβ περιοχή, που είναι η πιο ακριβής στην ανάλυση του σήματος, περιλαμβάνοντας ανάλυση των χαρακτηριστικών του σήματος (πιθανή μάζα μελανών οπών κτλ), αντιστοιχεί σε μόλις 60 τετραγωνικές μοίρες (οι διορθώσεις οδήγησαν και σε επαναπροσδιορισμό του επίκεντρου της περιοχής της πηγής, οπότε είναι λίγο μετατοπισμένη σε σχέση με την πράσινη)!  Image Credit: GW170814: A Three-Detector Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Coalescence

Σημειώσεις

Με παρατηρήσεις ενός μόνο ανιχνευτή υπάρχουν πολλά πράγματα που μπορεί να πάνε λάθος: Το σήμα μπορεί να είναι απλώς θόρυβος ή/και η ανίχνευση να είναι λιγότερο ακριβής. Ωστόσο, οφείλουμε να επισημάνουμε ότι υπάρχουν γεγονότα που έχουν ανιχνευθεί μόνο από έναν από όλους τους ανιχνευτές (για παράδειγμα το GW190425). Ωστόσο, σε τέτοιες περιπτώσεις οι επιστήμονες είναι πάντα πολύ πιο προσεκτικοί για τα αστροφυσικά συμπεράσματα που εξάγουν.

Παρόμοια, πολλές παρατηρήσεις στα ραδιοκύματα, όπως τα διάσημα “πορτραίτα μαύρων τρυπών” [δείτε παραπάνω, εδώ και εδώ], απαιτούν τη συνεργασία αριθμού ραδιοτηλεσκοπίων, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της συμβολομετρίας.

Tags: Μαύρες Τρύπες, βαρυτικά κύματα, LIGO