Ο ευρωπαϊκός ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων παραπαίει

Στις 20 Φεβρουαρίου, αξιωματούχοι θα κατέβουν στον Virgo, τον κορυφαίο ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων της Ευρώπης κοντά στην Πίζα της Ιταλίας, για μια τελετή αφιερώματος για τον εορτασμό μιας 5ετούς αναβάθμισης, ύψους 24 εκατομμυρίων ευρώ. Αλλά η μεγαλοπρέπεια θα διαψεύσει τα ενοχλητικά προβλήματα που είναι πιθανό να εμποδίσουν την Παρθένο να ενταχθεί στο αντίστοιχο των ΗΠΑ, το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO), σε ένα κυνήγι για πηγές βαρυτικών κυμάτων που επρόκειτο να ξεκινήσει τον επόμενο μήνα. Αυτό που έχει στριμώξει το μήκους 3 χιλιομέτρων παρατηρητήριο:γυάλινες κλωστές πάχους μόλις 0,4 χιλιοστών, οι οποίες έχουν αποδειχθεί απροσδόκητα εύθραυστα. Η καθυστέρηση, η οποία μπορεί να διαρκέσει ένα χρόνο, είναι "πολύ απογοητευτική για όλους", λέει το μέλος της ομάδας LIGO Bruce Allen, διευθυντής του Ινστιτούτου Max Planck για τη Βαρυτική Φυσική στο Ανόβερο της Γερμανίας.

Πριν από ένα χρόνο, το LIGO επιβεβαίωσε μια πρόβλεψη που έκανε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν έναν αιώνα νωρίτερα:ότι τα βίαια κοσμικά γεγονότα, όπως η συγχώνευση δύο μαύρων οπών, θα τσάκιζαν τον ιστό του χωροχρόνου και θα εκπέμπουν κυματισμούς. Αλλά το LIGO, με δύο όργανα στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα και στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον, δεν μπορεί να εντοπίσει τις πηγές των κυμάτων, κάτι που θα επέτρεπε στους αστρονόμους να εκπαιδεύσουν άλλα τηλεσκόπια σε αυτά. Ο τριγωνισμός στις πηγές απαιτεί έναν τρίτο ανιχνευτή:Virgo.

Όλοι οι ανιχνευτές βασίζονται σε οπτικές συσκευές που ονομάζονται παρεμβολόμετρα:δύο ευθείες βραχίονες, μήκους πολλών χιλιομέτρων, τοποθετημένοι σε ορθή γωνία. Μέσα σε κάθε βραχίονα μια δέσμη λέιζερ αναπηδά μπρος-πίσω μεταξύ των κατόπτρων σε κάθε άκρο ενός σωλήνα κενού, αντηχώντας σαν ήχος σε σωλήνα οργάνου. Το φως λέιζερ συνδυάζεται εκεί όπου συναντώνται οι δύο βραχίονες έτσι ώστε η κορυφή από το ένα κύμα λέιζερ να συναντά την κοιλότητα του άλλου και να αλληλοεξουδετερώνονται. Αλλά αν κάτι, όπως ένα βαρυτικό κύμα, τεντώσει το διάστημα και αλλάξει το μήκος των δύο βραχιόνων κατά διαφορετικά ποσά, τα κύματα δεν θα ταιριάζουν πλέον και η ακύρωση θα είναι ατελής. Λίγο φως θα περάσει μέσα από μια έξοδο γνωστή ως σκοτεινή θύρα και σε έναν ανιχνευτή.

Οι πιο μικροσκοπικές δονήσεις - δονήσεις της γης, το βουητό των τρένων, ακόμη και το σερφ που συντρίβεται σε μακρινές παραλίες - μπορούν να βάλουν το σήμα των βαρυτικών κυμάτων. Έτσι, οι μηχανικοί πρέπει να απομονώνουν επιμελώς τους ανιχνευτές από το θόρυβο. Στην Παρθένο, για παράδειγμα, οι καθρέφτες κρέμονται στην άκρη μιας αλυσίδας επτά εκκρεμών. Για την αναβάθμιση, τα χαλύβδινα καλώδια που συνδέουν τον καθρέφτη με το βάρος πάνω από αυτό αντικαταστάθηκαν με καθαρές ίνες γυαλιού για μείωση του θερμικού και μηχανικού θορύβου.

Αλλά πριν από ένα χρόνο, οι γυάλινες κλωστές άρχισαν να θρυμματίζονται, μερικές φορές μέρες ή εβδομάδες μετά την ανάρτηση των καθρεφτών των 40 κιλών από πάνω τους. Μετά από μήνες έρευνας, η ομάδα βρήκε τον ένοχο:μικροσκοπικά σωματίδια συντριμμιών από τις αντλίες του αναβαθμισμένου συστήματος κενού. Όταν αυτά τα σωματίδια κατακάθισαν στις γυάλινες ίνες δημιούργησαν μικρορωγμές, οι οποίες διευρύνθηκαν με τις μέρες και τις εβδομάδες έως ότου οι ίνες απέτυχαν. «Οι ίνες είναι πολύ ανθεκτικές μέχρι να αγγίξει κάτι στην επιφάνειά τους», λέει ο Giovanni Losurdo, επικεφαλής του έργου Advanced Virgo στο Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας στην Πίζα.

Κατά τη διάρκεια της έρευνας, η ομάδα αντικατέστησε προσωρινά τις ίνες γυαλιού με χαλύβδινα σύρματα —όπως στο αρχικό Virgo— και προχώρησε. Αλλά άλλα προβλήματα επιδείνωσαν τις καθυστερήσεις. Μια εξέταση μικρών τριγώνων από χάλυβα που λειτουργούν ως ελατήρια απόσβεσης κραδασμών αποκάλυψε ότι 13 από τα 350 ήταν ραγισμένα ή σπασμένα. Το γιατί παραμένει μυστήριο, αλλά η ομάδα αντικατέστησε εκείνα που έδειξαν σημάδια ζημιάς - 40% του συνόλου. Δεδομένης της πολυπλοκότητας του ανιχνευτή, "δεν προκαλεί έκπληξη ότι ορισμένα πράγματα δεν λειτουργούν όπως αναμενόταν", λέει το μέλος της ομάδας Virgo Benoit Mours του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής της Γαλλίας στο Annecy.

Η ομάδα της Παρθένου έχει πλέον επιτύχει «κλείδωμα» στους δύο βραχίονες ανιχνευτή, που σημαίνει ότι το φως αντηχεί σταθερά. Ελπίζουν σύντομα να φέρουν την κεντρική οπτική και να συνδυάσουν τις δέσμες. Στη συνέχεια, πρέπει να κυνηγήσουν και να εξαλείψουν τις εναπομείνασες πηγές θορύβου για να δουν ποιο επίπεδο ευαισθησίας μπορούν να επιτύχουν με τα χαλύβδινα σύρματα ακόμα στη θέση τους.

Για να κάνει μια χρήσιμη συνεισφορά η Παρθένος, πρέπει να είναι τουλάχιστον το ένα τέταρτο τόσο ευαίσθητη όσο το LIGO. Οι ερευνητές ορίζουν την ευαισθησία ως την απόσταση στην οποία ένας ανιχνευτής θα μπορούσε να εντοπίσει τη συγχώνευση δύο άστρων νετρονίων με μάζα 1,4 φορές μεγαλύτερη από αυτή του ήλιου. Ο ανιχνευτής Livingston του LIGO μπορεί επί του παρόντος να ανιχνεύσει ένα τέτοιο συμβάν σε περίπου 80 megaparsecs (260 εκατομμύρια έτη φωτός). Θεωρητικά, με όλες τις αναβαθμίσεις, αλλά τους καθρέφτες εξακολουθούν να αιωρούνται με χαλύβδινα σύρματα, η Virgo θα πρέπει να μπορεί να φτάσει τα 50 megaparsec, λέει ο Losurdo. "Μόλις ο Advanced Virgo φτάσει στην ευαισθησία να συμμετάσχει, θα ξεκινήσουμε."

Απογοητευτικά για την ομάδα του Virgo, τα χαλύβδινα σύρματα αναμένεται να έχουν τον μεγαλύτερο αντίκτυπο στην ευαισθησία στα βαρυτικά κύματα με χαμηλότερες συχνότητες από τις συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων, όπως αυτές από τις συγχωνεύσεις μαύρων οπών. Και οι συγχωνεύσεις μαύρων οπών είναι ακριβώς τα γεγονότα που εντόπισε το LIGO πέρυσι.

Το έργο της εξάλειψης των πηγών θορύβου είναι βέβαιο ότι θα διαρκέσει αρκετούς μήνες, λέει η Lisa Barsotti του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ, συμπρόεδρος της LIGO-Virgo Joint Run Planning Committee. Αυτό καθιστά την ένταξη στο LIGO όπως είχε προγραμματιστεί τον Μάρτιο σχεδόν αδύνατη. Η τρέχουσα σειρά LIGO, η οποία ξεκίνησε στις 30 Νοεμβρίου 2016, αναμενόταν να συνεχιστεί για περίπου 6 μήνες, μέχρι τα τέλη Μαΐου του 2017, αλλά ακόμη και αυτό μπορεί να είναι ένα τέντωμα για το Virgo. Ο Barsotti λέει ότι το LIGO θα μπορούσε να παρατείνει τη λειτουργία του κατά έναν ή δύο μήνες, "για να δώσει στην Παρθένο την ευκαιρία να συμμετάσχει."

Είτε η Virgo καταφέρει να λάβει μέρος στην τρέχουσα σειρά, η ομάδα θα πρέπει να είναι σε θέση να εγκαταστήσει ξανά τις ίνες γυαλιού και να εξαλείψει άλλες πηγές θορύβου μέχρι την άνοιξη του 2018, όταν το LIGO θα ξεκινήσει μια νέα παρακολούθηση παρατήρησης. Αμέσως μετά, ένας τέταρτος ανιχνευτής είναι έτοιμος να συμμετάσχει στο κυνήγι:ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων Kamioka, ή KAGRA, κοντά στην πόλη Hida στην Ιαπωνία, ο οποίος σχεδιάζει να ξεκινήσει τη λειτουργία του το 2019. Οι βραχίονες του KAGRA θα είναι υπόγειοι, κάτω από 200 μέτρα βράχου και καθρέφτες παγωμένοι στους 20 K—δύο κόλπα που θα μειώσουν τον θόρυβο και θα ενισχύσουν την ευαισθησία.