Η Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία θα αποστείλει ένα τρίγωνο δορυφόρων για τη μελέτη των βαρυτικών κυμάτων στο διάστημα

Ένα με ακρίβεια διευθετημένο τρίγωνο τριών δορυφόρων που εκτοξεύουν ακτίνες λέιζερ ο ένας στον άλλο ακούγεται πραγματικά σαν επιστημονική φαντασία. Αλλά το

Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος

(ESA) πρόκειται να το κάνει πραγματικότητα μέχρι το 2035.

Το έργο, γνωστό ως το

Διαστημική κεραία συμβολόμετρου λέιζερ (LISA)

, είναι σαν το περίφημο πείραμα LIGO που ανακαλύπτει βαρυτικά κύματα — ακριβώς στο διάστημα αντί για υπόγειες σήραγγες. Με επικεφαλής την ESA, το έργο είναι μια συνεργασία με

NASA

και

μια κοινοπραξία επιστημόνων

. Η ESA έδωσε πρόσφατα στην ομάδα της αποστολής το

επίσημο πράσινο φως

να ξεκινήσει η κατασκευή του διαστημικού σκάφους τον Ιανουάριο του 2025, με την εκτόξευση να προγραμματίζεται μια δεκαετία αργότερα. Οι αστροφυσικοί που εργάζονται στην αποστολή, όπως η αστροφυσικός του Ινστιτούτου Max Planck, Sarah Paczkowski, ήταν πολύ χαρούμενοι με τα νέα, περιγράφοντας την υιοθέτηση της αποστολής ως «ανταμείβοντας» και «σούπερ συναρπαστική».

«Το LISA θα είναι ευαίσθητο σε ένα ανεξερεύνητο μέχρι στιγμής καθεστώς βαρυτικών κυμάτων» ή κυματισμών στον ιστό του χωροχρόνου, εξηγεί

Μάικλ Ζέβιν

αστροφυσικός στο Adler Planetarium και μέλος της συνεργασίας LIGO.

Βαρυτικά κύματα

αποκαλύπτουν τη φυσική των μαύρων τρυπών που συνθλίβονται μεταξύ τους, τις τεράστιες εκρήξεις σουπερνόβα, ακόμη και τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος. Η νέα προοπτική του LISA είναι «παρόμοια με την πρώτη φορά που παρατηρεί το σύμπαν στο φως εκτός του ορατού εύρους, όπως ακτίνες Χ ή υπέρυθρες, που επέτρεψαν μια τεράστια ποσότητα επιστήμης, ανακάλυψης και κατανόησης του σύμπαντος», προσθέτει.

Από την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων το 2016, οι αστρονόμοι εξερευνούν με ανυπομονησία τον κόσμο μέσα από αυτό το νέο παράθυρο. Ακούσαμε τις τελευταίες στιγμές όταν δύο μαύρες τρύπες σπειροειδώς η μία μέσα στην άλλη και μάθαμε πώς τα υψηλότερα ενεργειακά γεγονότα στον κόσμο -όπως οι σουπερνόβα και οι ακτίνες γάμμα- συμβαίνουν με ταυτόχρονη εντόπιση φωτός και βαρυτικών κυμάτων από μια κοσμική έκρηξη.

[ Related:


Gravitational waves just showed us something even cooler than black holes


]

Οι κοινές λέξεις μεταξύ LISA και LIGO είναι

συμβολόμετρο λέιζερ

, περιγράφοντας τη ρύθμιση του πειράματος. Αυτά τα έργα σημειώνουν πώς η απόσταση μεταξύ δύο αντικειμένων αλλάζει τόσο ελαφρά καθώς κυματίζει ένα βαρυτικό κύμα. Το κάνουν αυτό με δύο μακριά χέρια — στην περίπτωση του LIGO, δύο μεγάλες σήραγγες μήκους 2,5 μιλίων το καθένα. Σε αυτές τις σήραγγες, υπάρχουν τεράστιοι σωλήνες θαλάμου κενού όπου το φως λέιζερ ταξιδεύει κάτω από κάθε βραχίονα και αναπηδά πίσω από έναν καθρέφτη. Όπου το φως ανασυνδυάζεται στο κέντρο, θα φαίνεται διαφορετικό εάν το λέιζερ πρέπει να ταξιδέψει μακρύτερα σε έναν βραχίονα λόγω ενός διερχόμενου βαρυτικού κύματος.

Όμως, τα πειράματα που συνδέονται με τη Γη είναι περιορισμένα ως προς τον τύπο των βαρυτικών κυμάτων που μπορούν να ανιχνεύσουν. Με τα βαρυτικά κύματα, χρειάζεστε μακριές σήραγγες όπως το LIGO για να παρατηρήσετε τους κυματισμούς—και όσο μακρύτεροι είναι οι βραχίονες, τόσο μεγαλύτερα είναι τα κύματα που μπορείτε να ανιχνεύσετε. Οι υπόγειοι ανιχνευτές όπως το LIGO είναι καλύτεροι στο να εντοπίζουν τα μικρότερα βαρυτικά κύματα, τις δονήσεις πολύ υψηλής συχνότητας στο χωροχρόνο που προέρχονται από τα τελευταία χιλιοστά του δευτερολέπτου πριν από τη σύγκρουση των μαύρων τρυπών ή των αστέρων νετρονίων. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο ότι η Γη σφύζει από δραστηριότητα που μπορεί να διαταράξει τον ανιχνευτή. «Σεισμοί, αυτοκίνητα, κύματα του ωκεανού, ακόμη και σύννεφα που περνούν πάνω από τον ανιχνευτή» δημιουργούν θόρυβο που εμποδίζει τους αστρονόμους να ακούν τις χαμηλές συχνότητες του σύμπαντος, λέει

Σάιμον Μπαρκ

επιστήμονας LISA Charge Management Device στο εργαστήριο Precision Space Systems Laboratory του Πανεπιστημίου της Φλόριντα.

Οι επίγειοι ανιχνευτές είναι περιορισμένοι στο μέγεθος του πειράματος. απλά δεν μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα κτίριο μεγαλύτερο από τη Γη, ή ακόμη μεγαλύτερο από μερικές καταστάσεις, περιορίζοντάς μας στα μικρότερα βαρυτικά κύματα. Στο άλλο άκρο του φάσματος, οι συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ όπως το NANOGrav μπορούν να ακούσουν μόνο τις χαμηλότερες συχνότητες που προέρχονται από τεράστιες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, καθώς μετρούν τις τεράστιες αποστάσεις μεταξύ νεκρών αστέρων γνωστών ως πάλσαρ. Για οτιδήποτε ενδιάμεσο, χρειάζεστε LISA.

«Μέχρι στιγμής έχουμε ακούσει μόνο ένα πολύ στενό εύρος ήχων του χωροχρόνου», εξηγεί ο Zevin. «Οι ανιχνευτές στο έδαφος άκουγαν τα βιολιά της συμφωνίας των κυμάτων βαρύτητας. Οι συστοιχίες χρονισμού Pulsar ανακοίνωσαν πρόσφατα στοιχεία για την ακρόαση του τμήματος μπάσων από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε όλο το σύμπαν. Το LISA θα είναι το πρώτο διαστημικό όργανο βαρυτικών κυμάτων και θα ακούει συχνότητες μεταξύ αυτών των δύο καθεστώτων: των τμημάτων της βιόλας και του τσέλο της ορχήστρας».

Το LISA θα αποτελείται από τρία διαστημόπλοια, το καθένα από τα οποία θα περιέχει έναν συμπαγή κύβο χρυσού-πλατίνας, με λέιζερ που εκτείνονται στην απόσταση μεταξύ τους για να σημειωθούν τυχόν αλλαγές που προκαλούνται από τα βαρυτικά κύματα. Αυτή η ιδέα απαιτεί εκπληκτική ακρίβεια: το διαστημόπλοιο πρέπει να είναι εξαιρετικά σταθερό, διασφαλίζοντας ότι μόνο η κίνηση του χωροχρόνου επηρεάζει τις μάζες δοκιμής, για να μετρηθούν κυματισμοί μόνο μερικών δισεκατομμυριοστών του χιλιοστού. Το διαστημόπλοιο θα χωρίζεται επίσης από ένα μήκος «μεγαλύτερο από τη διάμετρο του Ήλιου», λέει ο Barke.

Αυτή η τεχνολογία θα επιτρέψει στους αστρονόμους να παρακολουθούν τις συγκρούσεις

δυαδικά αστέρια

στον Γαλαξία, χαρτογραφήστε τη βαρύτητα γύρω από τις πιο τερατώδεις μαύρες τρύπες που κρύβονται στα κέντρα των γαλαξιών και δοκιμάστε τη σχετικότητα σε ένα τόσο ακραίο περιβάλλον που «μπορεί να δούμε αποκλίσεις από την πρόβλεψη του Αϊνστάιν», λέει ο Barke. Οι επιστήμονες ελπίζουν επίσης ότι το LISA θα βοηθήσει στην επίλυση ενός μακροχρόνιου ερωτήματος στην αστρονομία: πώς οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μεγαλώνουν στα τεράστια μεγέθη τους; Το επερχόμενο πείραμα θα μπορέσει τελικά να παρατηρήσει τις λεγόμενες μαύρες τρύπες μέσης μάζας, τα «άπιαστα μεσαία παιδιά της οικογένειας της μαύρης τρύπας» σύμφωνα με τον Zevin, που ζυγίζουν χιλιάδες φορές τη μάζα του ήλιου μας και θα μπορούσαν να είναι βασικό βήμα στην πορεία προς την υπερμεγέθυνση.

Σουμεέτ Κουλκάρνι

ένας αστρονόμος βαρυτικών κυμάτων στο Πανεπιστήμιο του Μισισιπή, σημειώνει επίσης τη βαρύτητα αυτής της στιγμής για όσους από εμάς στη Γη: «Η επιβεβαίωση ότι ο LISA θα πετάξει πραγματικά στο εγγύς μέλλον ανοίγει τόσες πολλές νέες ερευνητικές ευκαιρίες και προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν για μια ολόκληρη γενιά φυσικών, αστρονόμων και μηχανικών».