Οι σεισμογράφοι στη Σελήνη ως ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων
Οι αστροναύτες των αποστολών “Απόλλων” τοποθέτησαν σεισμογράφους στην επιφάνεια της Σελήνης με σκοπό την μελέτη της σεισμικής της δραστηριότητας. Τώρα οι αστροφυσικοί ψάχνουν στα δεδομένα που συνέλλεξαν οι σεισμογράφοι αποδείξεις για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων
Ένα από τα μεγάλα αναπάντητα ερωτήματα της επιστήμης είναι αν το σύμπαν είναι γεμάτο από βαρυτικά κύματα, και αν ναι, το κατά πόσο μπορούμε να τα εντοπίσουμε. Η ερώτηση αυτή έρχεται κατευθείαν από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein, σύμφωνα με την οποία ο χωροχρόνος μπορεί να παραμορφωθεί, να λυγίσει και να ταλαντωθεί σαν ένα λαστιχένιο φύλλο.
Κάμψεις και στρεβλώσεις που οφείλονται στη βαρύτητα έχουν μετρηθεί λεπτομερώς. Τις δονήσεις όμως των βαρυτικών κυμάτων οι φυσικοί δεν κατάφεραν ακόμα να τις παρατηρήσουν απευθείας. Ωστόσο είναι βέβαιοι ότι τα βαρυτικά κύματα διαποτίζουν το σύμπαν μας και έχουν ξοδέψει εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια για να κατασκευάσουν ανιχνευτές που θα τα εντοπίσουν – δυστυχώς όμως μέχρι σήμερα ανεπιτυχώς.
Τα τελευταία χρόνια πολλοί επιστήμονες άρχισαν να επισημαίνουν πως υπάρχουν πολύ φθηνότεροι τρόποι για να ανιχνεύσουμε τα βαρυτικά κύματα.
Μια ιδέα είναι να ερευνηθεί πώς επηρεάζονται τα σήματα ακριβείας που στέλνουν τα πάλσαρ από το «πέρασμα» των βαρυτικών κυμάτων. Μια άλλη σκέψη είναι να εξετάσουμε την ίδια τη Γη, εφόσον πρέπει να δονείται σαν καμπάνα όταν διέρχονται βαρυτικά κύματα. Τα σήματα τέτοιων δονήσεων θα μπορούσαν να βρίσκονται στα δεδομένα που συλλέγει το παγκόσμιο δίκτυο σεισμογράφων που δημιουργήθηκε για να μετράει τις σεισμικές δονήσεις σε ολόκληρο τον πλανήτη.
Πράγματι, πρόσφατα ο Michael Coughlin από το πανεπιστήμιο Harvard στο Cambridge και ο Jan Harms, έψαξαν σ’ αυτά τα δεδομένα για αποτυπώματα βαρυτικών κυμάτων, χωρίς όμως κανένα θετικό αποτέλεσμα. Μπορεί να μην βρήκαν αυτό που έψαχναν, η δουλειά τους όμως δεν πήγε χαμένη, διότι έθεσαν περιορισμούς στην ενεργειακή πυκνότητα των βαρυτικών κυμάτων που διαδίδονται στη γειτονιά μας. Στην πραγματικότητα, η έρευνά τους βελτίωσε τα όρια που έδιναν τα εργαστηριακά πειράματα κατά εννέα τάξεις μεγέθους.
Τώρα οι Coughlin και Harms ισχυρίζονται ότι έχουν κάτι ακόμα καλύτερο.
Ένα πρόβλημα που σχετίζεται με τα γήινα σεισμικά δεδομένα είναι ότι περιέχουν αρκετό θόρυβο υποβάθρου που οφείλεται σε τεκτονικές μετατοπίσεις, την συνεχή κίνηση των υδάτων των ωκεανών και ατμοσφαιρικές διακυμάνσεις. Συνεπώς απαιτείται ένα καλύτερο μέρος, χωρίς ωκεανούς, χωρίς ατμόσφαιρα και χωρίς μετακινήσεις του τεκτονικού φλοιού.
Ακριβώς ένα τέτοιο μέρος υπάρχει και μάλιστα όχι πολύ μακριά μας: πρόκειται για τη Σελήνη.
Οι πλανητικοί γεωλόγοι έχουν συγκεντρώσει κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970 μια σημαντική ποσότητα δεδομένων από την σεισμική δραστηριότητα στη Σελήνη, χάρη στους σεισμογράφους που τοποθέτησαν στην επιφάνειά της οι διάφορες αποστολές Apollo.
Οι Coughlin και Harms έψαξαν για σημάδια βαρυτικών κυμάτων σ’ αυτά. Μπορεί και πάλι να μην βρήκαν κανένα ίχνος τους, έθεσαν όμως νέα όρια για το είδος των βαρυτικών κυμάτων που μπορεί να υπάρχουν.
Τα βαρυτικά κύματα οφείλονται σε μερικά από τα πιο ακραία φαινόμενα στο σύμπαν, όπως οι συγκρούσεις μεταξύ των μαύρων τρυπών, ή το θάνατο των άστρων με ισχυρές εκρήξεις κ.λπ. Οι αστροφυσικοί περιμένουν οι δονήσεις τους να έχουν ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων που κυμαίνονται σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων στο υψηλότερο επίπεδο των χιλιάδων κύκλων ανά δευτερόλεπτο μέχρι τα κύματα πολύ χαμηλής συχνότητας του ενός κύκλου ανά 10000 χρόνια περίπου. Και ασφαλώς απαιτούνται διαφορετικοί ανιχνευτές για διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων. Η δυσκολία γίνεται ακόμα μεγαλύτερη δεδομένου ότι η παραμόρφωση του χώρου εξαιτίας των βαρυτικών κυμάτων που πρέπει να εντοπίσουν οι ανιχνευτές συγκρίνεται με το μέγεθος ενός πρωτονίου.
Αλλά ένας τρόπος για να γίνει πιο εύκολος αυτός ο εντοπισμός είναι να ψάξει κανείς για φαινόμενα συντονισμού. Αν η συχνότητα των βαρυτικών κυμάτων ταυτίζεται με την συχνότητα συντονισμού ενός αντικειμένου, τότε το αντικείμενο θα ταλαντώνεται με το μέγιστο πλάτος του και η ανίχνευση γίνεται ευκολότερη. Κι αυτό ακριβώς έκαναν οι Coughlin και Harms ψάχνοντας τα σεισμικά γεγονότα από τη Σελήνη.
Τα δεδομένα που αναλύθηκαν είχαν συλλέξει οι σεισμογράφοι που τοποθέτησαν οι αποστολές Aπόλλων 12, 14, 15 και 16, από το 1969 έως το 1972. Η συστοιχία των σεισμογράφων παρέμεινε ενεργή μέχρι το 1977, όταν η NASA διέκοψε το πρόγραμμα. Τα όργανα αυτά είναι τοποθετημένα με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν ισόπλευρο τρίγωνο με πλευρά περίπου 1100 km.
Οι Coughlin και Harms μελέτησαν τα δεδομένα για τους σεληνιακούς σεισμούς που συγκεντρώθηκαν από τον Ιούλιο του 1975 μέχρι τον Μάρτιο του 1977, όπου καταγράφηκαν 12.000 σεισμοί. Τα δεδομένα αυτά βοήθησαν τους πλανητικούς γεωλόγους να κατανοήσουν την εσωτερική δομή της Σελήνης, η οποία αποδεικνύεται ότι έχει ένα στερεό εσωτερικό πυρήνα που περιβάλλεται από έναν ρευστό εξωτερικό πυρήνα και από ένα μερικώς λιωμένο στρώμα.
Όμως αυτά τα δεδομένα περιέχουν κι άλλα στοιχεία σχετικά με το σεισμικό περιβάλλον. Ειδικότερα, οι δυο ερευνητές έψαξαν για την υπογραφή βαρυτικών κυμάτων στη μορφή σεισμικής δραστηριότητας σε όλους τους ανιχνευτές ταυτόχρονα.
Εφόσον γνώριζαν την ευαισθησία αυτών των ανιχνευτών, η απουσία τέτοιου είδους σήματος θέτει σημαντικά όρια στο πόσο δραστικά μπορούν να είναι τα βαρυτικά κύματα.
«Βρήκαμε ένα πάνω όριο περίπου τρεις τάξεις μεγέθους μικρότερο από τα καλύτερα προηγούμενα όρια, στην περιοχή των συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει», δηλώνουν οι ερευνητές.
Και κοιτάζοντας τις συσχετίσεις μεταξύ των σεισμικών δραστηριοτήτων στη Σελήνη και τη Γη αποκλείονται περιπτώσεις τυχαίων συμπτώσεων με μεγαλύτερη βεβαιότητα. Και αυτό βελτιώνει τα δεδομένα των γήινων σεισμογράφων που υποφέρουν από σήματα υποβάθρου σε σχέση με τα δεδομένα της Σελήνης.
Πρόκειται για ένα σημαντικό αποτέλεσμα που συμπληρώνει το παζλ της φύσης των βαρυτικών κυμάτων. Τα σεληνικά σεισμικά δεδομένα θέτουν τα καλύτερα όρια σχετικά με την δραστηριότητα των βαρυτικών κυμάτων για την περιοχή συχνοτήτων γύρω στο 1 Hz. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα όρια σε άλλες συχνότητες είναι πολύ ισχυρότερα από αυτά, οπότε υπάρχει μεγάλο περιθώριο βελτίωσης σ’ αυτό το εύρος συχνοτήτων.
Αλλά η βελτίωση αυτή δεν θα έρθει αναλύοντας τα υπάρχοντα σεληνιακά σεισμικά δεδομένα. Η παρούσα εργασία βασίζεται σε τεχνολογία που αναπτύχθηκε στις δεκαετίες του 1960 και 70 και προσπαθεί να δώσει απαντήσεις σε προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι κοσμολόγοι του 21ου αιώνα.
Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πως οι μηχανικοί των αποστολών Apollo θα περίμεναν οι σεισμογράφοι τους να είναι χρήσιμοι το 2014. Η ποιότητα όμως της εργασίας τους αποδεικνύεται από το γεγονός ότι τα στοιχεία που συνέλλεξαν τα όργανα αυτά είναι σημαντικά ακόμα και σήμερα. Οι αποστολές στη Σελήνη είναι από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της ανθρωπότητας και τα οφέλη τους είναι δύσκολο να αποτιμηθούν, όταν τα δεδομένα τους χρησιμοποιούνται ακόμα και μετά από μισό αιώνα.
Δημιουργείται επομένως ένα ερώτημα το κατά πόσον είναι απαραίτητη μια νέα γενιά σεληνιακών σεισμικών μετρήσεων. Οι Coughlin και Harm ισχυρίζονται ότι ένα μοντέρνο δίκτυο θα βελτίωνε την ποιότητα των δεδομένων και ως εκ τούτου την ισχύ των ορίων, πιθανώς όμως όχι περισσότερο από μια τάξη μεγέθους. Αλλά αυτό από μόνο του, δύσκολα θα δικαιολογούσε το μεγάλο κόστος ενός τέτοιου προγράμματος.
Εν τω μεταξύ οι αστροφυσικοί, και όχι μόνο αυτοί, θα περιμένουν την πρώτη απευθείας ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από ανιχνευτές, όπως ο LIGO, με κομμένη την ανάσα.
Πηγή: physicsgg.me
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου