Πιο κοντά στην ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων …

… από τον αναβαθμισμένο ανιχνευτή LIGO

Η πειραματική διάταξη που φέρει το όνομα LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) έχει ως στόχο την άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που προβλέπονται από την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν κυματισμούς στον ιστό του χωρόχρονου και δημιουργούνται σε κάθε βαρυτική αλληλεπίδραση, όπως για παράδειγμα την κίνηση ενός πλανήτη γύρω από τον Ήλιο. Όμως αυτά είναι πολύ ασθενή και σχεδόν αδύνατον να ανιχνευθούν.

Αντίθετα τα βαρυτικά κύματα που προκαλούνται από κατακλυσμικά γεγονότα στο σύμπαν, όπως συγκρούσεις αστέρων νετρονίων ή συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών είναι εφικτό να ανιχνευθούν.

Η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων έχει αποδειχθεί έμμεσα, από τις παρατηρήσεις του διπλού πάλσαρ PSR 1913+16, που έκαναν το 1975 οι Taylor και Hulse. Απέδειξαν ότι η περίοδος περιφοράς μειώνεται με ρυθμό σύμφωνο με αυτόν που προβλέπεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας εξαιτίας της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων. Το 1993 βραβεύθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής γι’ αυτή τους την ανακάλυψη.

Ο σχεδιασμός του ανιχνευτή LIGO ξεκίνησε την δεκαετία του 1980, από τους Kip Thorne, Ronald Drever και Rainer Weiss και η κατασκευή του άρχισε το 1992.

Το LIGO αποτελείται από δυο συστήματα σε σχήμα L, εκ των οποίων το ένα βρίσκεται στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον και το δεύτερο στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα. Αποτελείται από σωλήνες κενού μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων με κάτοπτρα στις άκρες και χρησιμοποιεί παλμούς λέιζερ.

Οι πρώτες μετρήσεις ξεκίνησαν το 2002, αλλά μέχρι το 2010 δεν αναφέρθηκαν παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων. Θα επαναλειτουργήσει αναβαθμισμένος το 2014.

Μια από τις βελτιώσεις που πρόκειται να εφαρμοστούν στον αναβαθμισμένο ανιχνευτή αναφέρεται στη δημοσίευση που έκανε η ομάδα LIGO περιοδικό στο Νature Photonics , (η εργασία με τίτλο «Enhanced sensitivity of the LIGO gravitational wave detector by using squeezed states of light» βρίσκεται ΕΔΩ: carleton.edu.pdf)

Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg είναι αδύνατον να προσδιορίσουμε ακριβώς και την θέση και την ορμή ενός σωματιδίου. Οι αβεβαιότητες στη θέση και την ορμή θα πρέπει να ικανοποιούν την εξίσωση: .

Στην κβαντομηχανική υπάρχουν κάποιες καταστάσεις, οι ονομαζόμενες σύμφωνες καταστάσεις, που μεταξύ άλλων είναι και καταστάσεις ελάχιστης αβεβαιότητας.

Γι αυτές ισχύει:  και .
Οι καταστάσεις ελάχιστης αβεβαιότητες, για τις οποίες ισχύει , ονομάζονταισυμπιεσμένες καταστάσεις (squeezed states)

Για τα κύματα φωτός η αρχή του Heisenberg μας λέει ότι υπάρχουν αναπόφευκτες αβεβαιότητες μεταξύ πλάτους και φάσης, που συνδέονται με παρόμοιο τρόπο. Μια από τις παράξενες συνέπειες της κβαντικής θεωρίας είναι ότι στην κατάσταση του κενού το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο αδυνατεί να ηρεμήσει. Ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο έχουν μέση τιμή μηδέν στην κατάσταση αυτή, αλλά παρουσιάζουν ισχυρές κβαντικές διακυμάνσεις γύρω απ’ αυτή. Σε μια κανονική κατάσταση κενού, αυτές οι «μηδενικού σημείου» διαταραχές είναι εντελώς τυχαίες και η συνολική αβεβαιότητα κατανέμεται εξίσου μεταξύ πλάτους και φάσης.

Σύμφωνα με την νέα τεχνική που αναφέρεται στην δημοσίευση της ερευνητικής ομάδας LIGO, χρησιμοποιώντας κρυστάλλους με μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες, είναι δυνατή η δημιουργία ειδικών καταστάσεων του φωτός («συμπιεσμένων» καταστάσεων), όπου η μεγαλύτερη αβεβαιότητα συγκεντρώνεται σε μια από τις δυο μεταβλητές.

Έτσι ένας τέτοιος κρύσταλλος μπορεί να μετατρέψει το σύνηθες κενό σε «συμπιεσμένο κενό», στο οποίο οι διακυμάνσεις φάσης είναι ΜΙΚΡΟΤΕΡΕΣ σε σχέση με αυτές του συνηθισμένου κενού! Ταυτόχρονα, οι διακυμάνσεις του πλάτους θα είναι μεγαλύτερες, αλλά ο θόρυβος της φάσης είναι αυτό που έχει σημασία για τον LIGO.
Εφαρμόζοντας αυτή την στρατηγική o θόρυβος μειώθηκε σημαντικά σε σχέση με το παρελθόν, αυξάνοντας τις πιθανότητες να ανιχνευθούν τα βαρυτικά κύματα.

Σύμφωνα με τον David Blair, μέλος της ερευνητικής ομάδας LIGO: «Έχουμε τα καλύτερα κάτοπτρα που έχουν κατασκευαστεί ποτέ, το πιο ισχυρό λέιζερ που χρησιμοποιήθηκε ποτέ και ένα κενό τόσο καλό που θα χρειάζονταν 300 χρόνια για να μπει στον LIGO αέρας που χωράει σε ένα κουταλάκι του γλυκού. Η νέα μέθοδος θα μας επιτρέψει σε λίγα μόνο χρόνια να μετρήσουμε τις μικρότερες δυνατές ποσότητες ενέργειας».
www.ligo.org – phys.org

ΠΗΓΗ:http://physicsgg.me