Το φιλόδοξο πρόγραμμα που σχεδιάζουν Ευρώπη και ΗΠΑ για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, τα οποία μπορεί να προέρχονται από διπλά αστρικά συστήματα και μαύρες τρύπες του γαλαξία μας, ή ακόμη και από τα πιο απόμακρα σημεία του διαστήματος, αναμένεται με ιδιαίτερο ενδιαφέρον από τους επιστήμονες, καθώς θα ανοίξει ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν.
Το πρόγραμμα αυτό ονομάζεται LISA (Laser Interferometer Space Antenna) και βασίζεται στην εκτόξευση τριών δορυφόρων σε τριγωνικό σχηματισμό το 2018. Προτού όμως συμβεί αυτό, θα εκτοξευθεί το 2013 ο πειραματικός δορυφόρος LISA Pathfinder, με στόχο να ελέγξει τις νέες τεχνολογίες που θα απαιτηθούν για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, ώστε αυτές να ενσωματωθούν στο πρόγραμμα LISA.
Ο βασικός στόχος του προγράμματος λοιπόν είναι να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα και να επιβεβαιώσει έτσι μια από τις βασικές προβλέψεις της Γενικής θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein. Σύμφωνα με αυτή, σώματα που επιταχύνουν εκπέμπουν βαρυτικά κύματα, ακριβώς όπως επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία δημιουργούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Ενώ όμως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι ταλαντώσεις που διαδίδονται μέσα στο χώρο και το χρόνο, τα βαρυτικά κύματα είναι κυματισμοί ή διακυμάνσεις της ίδιας της υφής του χωροχρόνου. Στη θεωρία της Σχετικότητας, η παρουσία μάζας καμπυλώνει τον τετραδιάστατο χωροχρόνο, κάτι που, τηρουμένων των αναλογιών, μπορεί να οπτικοποιηθεί με μια ελαστική δισδιάστατη μεμβράνη. Αν τοποθετήσουμε στη μεμβράνη ένα σώμα, θα δούμε να σχηματίζεται μια κοιλότητα ανάλογη με τη μάζα του σώματος. Αν το σώμα αυτό τεθεί σε ταλάντωση – φανταστείτε, για παράδειγμα, κάποιον που αναπηδά σε ένα τραμπολίνο –, οι ταλαντώσεις διαδίδονται σε όλη τη μεμβράνη.
Με τον ίδιο περίπου τρόπο, σύμφωνα πάντα με τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας, ένα σώμα με μάζα που επιταχύνεται δημιουργεί βαρυτικά κύματα. Τα βαρυτικά κύματα είναι διακυμάνσεις στην υφή του χωροχρόνου που διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός και μεταβάλλουν την απόσταση μεταξύ διαφορετικών αντικειμένων. Οι μεταβολές αυτές όμως είναι τόσο μικρές, που οριακά και μόνο μπορούν να μετρηθούν. Η μέτρηση τόσο μικρών αποστάσεων είναι μια από τις προκλήσεις που θα κληθεί να αντιμετωπίσει το LISA Pathfinder.
Δορυφόροι αναπηδούν στο χωροχρόνο
Ο ESA μαζί με τη NASA θα προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν τα βαρυτικά κύματα μετρώντας τις μεταβολές της απόστασης μεταξύ τριών δορυφόρων που θα κινούνται στο διάστημα σε απόλυτα συγχρονισμένο σχηματισμό. Μόλις διέλθει ένα βαρυτικό κύμα από το ηλιακό μας σύστημα, οι τρεις δορυφόροι θα αναπηδήσουν, όπως τρεις φελλοί στο νερό. Με τη βοήθεια ενός συστήματος λέιζερ θα μετρηθεί η μεταβολή στις αποστάσεις μεταξύ των τριών δορυφόρων.
Ακούγεται εύκολο, ουσιαστικά όμως πρόκειται για μια μεγάλη τεχνολογική πρόκληση. Γι’ αυτό και όλα γίνονται βήμα βήμα. Το πρώτο βήμα θα είναι η εκτόξευση του LISA Pathfinder, που προγραμματίζεται για το 2013. Ο LISA Pathfinder είναι ένας πειραματικός δορυφόρος που θα ελέγξει για πρώτη φορά στο διάστημα την τεχνολογία που απαιτείται για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Ο δορυφόρος έχει βάρος 420 κιλών και στο εσωτερικό του υπάρχουν δύο μικροί κύβοι από πλατίνα και χρυσό. Έχουν μήκος πλευράς 46 χιλιοστά και ο καθένας βρίσκεται και σε ένα θάλαμο κενού. Επιπλέον, ο Pathfinder είναι εξοπλισμένος με ένα σύστημα διορθωτικής μικροπροώθησης, δηλαδή, μια σειρά εξαιρετικά ευαίσθητων μικροπυραύλων, οι οποίοι μπορούν να διορθώνουν τη θέση του δορυφόρου με νανομετρική ακρίβεια.
Στόχος του πειράματος είναι να αποδειχθεί ότι οι δύο κύβοι μπορούν να παραμείνουν «ελευθέρως αιωρούμενοι». Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι ο δορυφόρος θα πρέπει να κινείται κατά τέτοιον τρόπο ώστε οι κύβοι να αιωρούνται μονίμως στο κέντρο του, ανεπηρέαστοι από δυνάμεις που προέρχονται από μηχανικές επαφές. Αυτού του είδους ο έλεγχος και η συνεχής διόρθωση της θέσης ενός δορυφόρου ονομάζεται «drag-free».
Ο LISA Pathfinder θα τεθεί σε τροχιά γύρω από το πρώτο σημείο Lagrange (L1), που απέχει 1,5 εκατομμύριο χλμ. από τη Γη, προς την πλευρά του Ήλιου. Αρχικά, ένας πύραυλος Vega θα εκτοξεύσει το δορυφόρο σε μια ελλειπτική τροχιά ως προς τη Γη, με περίγειο στα 200 και απόγειο στα 600 χλμ. πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Στη συνέχεια, και με ένα άλλο σύστημα προώθησης, ο δορυφόρος θα αυξάνει σταδιακά το απόγειό του, ώσπου σε τρεις εβδομάδες θα διαφύγει από τη βαρυτική έλξη της Γης και θα συνεχίσει την πορεία του προς το σημείο L1, γύρω από το οποίο θα αρχίσει να περιφέρεται με ελλειπτική τροχιά και με ακτίνα που θα κυμαίνεται από 500.000 έως 800.000 χλμ.
Αν όλα πάνε κατ’ ευχήν όσον αφορά στον LISA Pathfinder, ο ESA σε συνεργασία με τη NASA θα περάσουν στο επόμενο βήμα, υλοποιώντας τη διαστημική αποστολή LISA για την απευθείας ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Η αποστολή θα αποτελείται από τρεις πανομοιότυπες διαστημοσυσκευές, βασισμένες στην τεχνολογία του LISA Pathfinder, οι οποίες θα κινούνται σε σχηματισμό ισόπλευρου τριγώνου και με απόσταση 5 εκατομμυρίων χλμ. η μία από την άλλη.
Λεζάντα: Οι τρεις δορυφόροι LISA θα στέλνουν ο ένας στον άλλον ακτίνες λέιζερ, προκειμένου να εντοπίσουν απειροελάχιστες μεταβολές στη μεταξύ τους απόσταση, κάτι που θα αποδεικνύει τη διέλευση ενός βαρυτικού κύματος.
