Bunele vibrații: cum să prinzi o undă gravitațională Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Undele gravitaționale sunt printre cei mai subtili mesageri care ajung la noi din cosmos. Dar cum pot fi detectate efectele lor infinitezimale?

Reprezentare artistică a două
găuri negre pe măsură ce ele
spiralează una spre alta
înainte de fuziune, şi emiţând
unde gravitaţionale

Imagine obţinută de la ESA / C
Carreau

În 2015 au fost în cele din urmă detectate câteva semnale extrem de slabe din undele gravitaționale care traversează cosmosul. Prezisă acum un secol de însuşi Albert Einstein, această primă detectare a undelor gravitaționale a marcat o culme a celor câteva zeci de ani de muncă experimentală și teoretică – dar a constituit și începutul unei noi şi incitante ere în cosmologie.

Deci, ce sunt undele gravitaționale și de ce detectarea lor a fost o provocare aşa de mare? Undele gravitaționale sunt ondulări ale continuum-ului spațiu-timp cauzate de accelerarea unei mase. De fapt, ele sunt echivalentul gravitațional al undelor electromagnetice – și, precum acestea, ele călătoresc tot cu viteza luminii.

Motivul pentru care aceste semnale evazive sunt atât de greu de receptat constă în faptul că efectele lor sunt foarte, foarte slabe: doar o mică distorsiune în spațiu-timp, chiar dacă evenimentul care le-a produs este atât de vast precum coliziunea a două găuri negre (îndepărtate), așa cum a fost în cazul detectărilor din 2015. Această distorsiune înseamnă că distanța dintre două puncte de pe Pământ va fi întinsă sau contractată cu o fracțiune absolut infimă la trecerea undei gravitaționale. Și aici, ‘infim’ înseamnă cu un factor de 10-21 (a miliarda parte dintr-o miime de miliardime) – adică aproximativ diametrul unui atom în comparația cu distanța dintre Pământ și Soare: cu siguranță o provocare pentru măsurători!

De la începutul anilor 1960, o mulţime de fizicieni, ingineri și tehnicieni din lumea întreagă au răspuns la această provocare, rezultând într-o serie de instrumente uriașe destinate detectării undelor gravitaționale, precum LIGOw1, Virgow2 și GEO600w3. În acest articol, ne focalizăm pe instrumentul Virgo (localizat în Italia), dar conceptele se aplică în egală măsură şi celorlalte detectoare – toate făcând parte dintr-o rețea internațională mai puternică decât oricare dintre detectoare considerate individual. De fapt, analiza datelor de la primele detectări din 2015 a fost efectuată prin colaborarea oamenilor de știință de la instalaţiile LIGO și Virgo.

Măsurând lumina

Concepotul instalaţiei Virgo se bazează pe un dispozitiv numit interferometrul Michelson, ce are şi el un pedigriu remarcabil: a fost folosit pentru prima dată în 1887 de fizicienii Albert Michelson și Edward Morley într-un experiment faimos de căutare a variațiilor în viteza luminii cauzate de ipoteticul eter (figura 1).
 

Figure 1: Interferometrul Michelson – conceptul de bază al detectorului Virgo. 1: sursa de lumină; 2: divizorul razei de lumină; 3: fascicole în unghi drept; 4: oglinzi reflectând raza înapoi pe acelaşi traseu; 5: raze reflectate recombinându-se la divizor; 6: detector
Imagine obţinută de la LIGO / T Pyle
 

Aici, lumina dintr-o singură sursă este împărțită în două fascicule (raze) ce se deplasează de-a lungul căilor perpendiculare (braţele interferometrului) și apoi sunt reflectate înapoi de oglinzi, astfel încât ele se recombină în final. Dacă ar apărea o schimbare în lungimea căii unui fascicul (ca și cum ar fi cauzată de o undă gravitațională trecătoare), aceasta ar determina o infimă modificare a timpului de propagare, și astfel ar apărea o defazare a unui fascicul în raport cu celălalt. O asemenea schimbare de fază afectează modul în care cele două fascicule vor interacționa atunci când se întâlnesc la întoarcere, ceea ce va influenţa puterea măsurată la ieșirea detectorului.

Însă chiar şi combinând acest concept clasic cu cele mai actuale tehnologii, provocările experimentului pentru detectarea undelor gravitaţionale sunt considerabile.

Virgo: depăşirea provocărilor

În detectorul Virgo, conceptul de bază al interferometrului Michelson a fost făcut să fie mult mai complex – şi mai mare – datorită stabilităţii şi a preciziei necesare.

Braţe lungi

Fiecare braț al detectorului Virgo are lungimea de 3 kilometri. Dimensiunea braţelor trebuie să fie mare deoarece acea modificare infimă a timpului de propagare a fasciculelor, cauzată de unda gravitațională, crește odată cu lungimea brațului. Însă lungimi mai mari de 3 km nu sunt fezabile practic; un impediment la construirea brațelor perfect drepte l-ar constitui însăşi curbura Pământului.

Pentru a preîntâmpina interacțiunile dintre fotonii razelor și moleculele de gaze, interiorul brațelor este vidat la aproximativ o miime de miliardime (10-12) dintr-o atmosferă de presiune, deci similar cu presiunea din spațiul cosmic la altitudinea Stației Spațiale Internaționale. Acest lucru face ca tuburile Virgo să fie în Europa cele mai mari incite cu vid ultra-înalt (vedeţi figura 2). La capătul fiecărui braț, peretele tubului este răcit la temperaturi criogenice cu azot lichid, pentru a capta eventuale molecule reziduale (precum apa).
 

Figura 2: Interiorul unui tunel al braţului Virgo, constituind tubul de vid
Imagine obţinută de la Cyril Fresillon / Virgo / CNRS Photothèque

Oglindă-oglinjoară

Oglinzile din instalaţia Virgo sunt o componentă cheie a detectorului. Acestea sunt realizate cu cea mai mare precizie: suprafețele lor sunt lustruite pentru a fi perfect plane (până la nivel nanometric), iar acoperirile speciale optimizează modul în care oglinzile reflectă și transmit lumina, menținând la minimum pierderile din fascicule (în jur de câteva părți per milion). Aranjamentul oglinzilor este mult mai complicat decât într-un interferometru Michelson simplu, cu oglinzi folosite pentru a forma ‘cavități optice’ adiționale prin care se propagă fasciculul, şi cu funcţia de a ‘curăța’ fasciculul laser (vedeţi figura 3).

Oglinzile din Virgo recurg şi la un truc pentru a face căile fasciculului mai lungi decât par: un dispozitiv numit ‘cavitate optică Fabry-Perot’, instalat în fiecare braț, mărește lungimea căii cu un factor de aproximativ 300 de ori, mărind proporţional şi timpul de călătorie al razelor, şi astfel crescând sensibilitatea întregului detector cu un factor similar.

Figura 3: Schema optică a detectorului Virgo (o versiune mai complexă a interferometerului Michelson), arătând componentele principale şi căile de propagare a fasciculelor. 1: sursa de lumină; 2: oglinda de reciclare a energiei; 3: divizorul de raze (beam splitter); 4: cavităţile optice Fabry-Perot din tuburile cu vid; 5: oglinda intrării nordice; 6: oglinda ieşirii nordice; 7: oglinda intrării vestice; 8: oglinda ieşirii vestice; 9: detector
Imagine obţinută de la The Virgo Collaboration

Izolarea vibraţiilor

Detectorul Virgo trebuie să fie sensibil la schimbările foarte mici ale lungimii traseelor fasciculului induse de undele gravitaționale, așa că trebuie izolat cât mai mult de perturbaţii din mediul înconjurător – activități umane, vânt, furtuni și așa mai departe. Deşi concepţia detectorului urmărește să-l protejeze de astfel de perturbații, una dintre cele mai mari probleme este aceea că oglinzile (care reflectă fasciculele laser) sunt atașate de sol, iar solul se mișcă mai mereu – prea ușor pentru a-l simţi noi, dar de departe mai mult decât ar face-o modificările datorate undelor gravitaționale.

Aceasta înseamnă că oglinzile trebuie izolate faţă de pământ – o performanţă realizată în Virgo prin suspendarea fiecărei oglinzi la capătul unui lanț de pendul numit ‘super-atenuator’, şi care face din oglinzile sale suspendate unele dintre cele mai nemișcate obiecte de pe planetă (vedeţi figura 4). Dar cum de suspendarea unui obiect îl izolează de vibrații?

Orice pendul simplu are propria frecvenţă naturală, sau ‘frecvenţă de rezonanţă’ – adică frecvenţa la care el va oscila după primirea unui impuls. Dacă scuturăm vârful pendulului la o frecvență mai mică decât frecvența de rezonanță, capătul pendulului se va mișca. Dar dacă mișcarea de intrare are o frecvență mai mare decât frecvenţa de rezonanță a pendulului, atunci capătul inferior va rămâne aproape neclintit. În Virgo, pendulurile care susțin oglinzile au frecvențe de rezonanță cât mai scăzute posibil (câţiva hertzi). Acest lucru înseamnă că ele nu sunt, în esență, deranjate de mișcări la frecvențe mai mari, permițând astfel detectarea undelor gravitaționale cu frecvențe de peste câteva zeci de hertzi.

Figura 4: Un ‘super-attenuator’ Virgo: o cascadă de pendule pentru stabilizarea unei oglinzi.
1: fir de pendul; 2: lanţ de pendule; 3: oglindă
Imagine obţinută de la The Virgo Collaboration

Menţinerea preciziei

Pentru a fi sensibil la undele gravitaționale atunci când acestea sosesc, instalaţia Virgo trebuie menținută în mod constant într-o stare de lucru foarte precis controlată. De exemplu, fasciculul laser (un laser cu infraroșu având lungimea de undă de 1064 nm) trebuie păstrat ultra-stabil pentru a menține un nivel de putere constant la ieșirea din detector. Frecvența laserului trebuie să fie de asemenea stabilizată, astfel încât să varieze cu mai puțin de o parte în 1014.

Senzorii situaţi de-a lungul aparatului Virgo îi monitorizează continuu starea și permit controlarea lungimilor de cavități optice la nivel de precizie femtometrică (10-15 m), în timp ce abaterea de aliniere a unghiurilor de oglindă este menținută în domeniul câtorva nanoradieni (mai puțin de o milionime dintr-un grad). În plus, mii de alte sonde monitorizează în permanență mediul și starea lui Virgo, furnizând date ce vor trebui verificate ori de câte ori se observă un semnal potențial de undă gravitațională.

Pentru a afla mai multe

Ar mai fi multe de explicat despre experimentul Virgo – de exemplu, cum sunt analizate datele pentru a afla dacă într-adevăr a fost detectată o undă gravitațională? Dacă doriți să aflați mai multe, vă rugăm să vizitați site-ul nostruw2 sau să citiți articolul recent din Science in School care descrie cum au fost detectate pentru prima oară undele gravitaționale (Kwon, 2017) – dar și descoperirile pe care această nouă abilitate le poate aduce astrofizicii.

Recunoştinţă

Autorul doreşte să îi mulţumească lui Dan Hoak (de la Observatorul Gravitaţional European) pentru ajutorul oferit în pregătirea acestui articol.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Pentru un articol anterior din Science in School despre detectarea undelor gravitaţionale, vedeţi:

Web References

Resources

Author(s)

Nicolas Arnaud este fizician la Centrul Naţional pentru Cercetare Ştiinţifică (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) din Franţa. După finalizarea doctoratului său la experimentul Virgo pe durata fazei de construcţie, Nicolas a lucrat în fizica particulelor pentru o perioadă de zece ani, înainte de a reveni la Virgo, în 2014. Din septembrie 2016 el a lucrat la Observatorul Gravitaţional European din Italia, în aceeaşi locaţie cu detectorul Virgo. Nicolas a fost implicat în diverse activităţi educaţionale şi de comunicare începând cu anul 2003 şi este coordonatorul unor astfel de activităţi la nivel naţional.


Review

Articolul descrie funcția detectoarelor de unde gravitaționale – mașini uriașe dar foarte sensibile, pe care elevii le pot găsi ca fiind foarte interesante. Detaliile despre cum funcționează aceste mașini, dar și problemele care au trebuit rezolvate pentru a-și atinge sensibilitatea ridicată, sunt descrise într-un mod ușor de înțeles, descrierile fiind realizate chiar de către un om de știință din domeniul undelor gravitaționale.

Întrebările de sprijin pot include:

  • Ce sunt undele gravitaţionale?
  • De ce detectarea undelor gravitaţionale este aşa dificilă?
  • Cum funcţionează detectoarele gravitaţionale?
  • Detectoarele de unde gravitaţionale sunt senzori foarte sensibili. De ce sunt aceste maşini aşa de mari?
  • Construirea detectoarelor de unde gravitaţionale este o adevărată provocare. Descrieţi dificultăţile majore şi modul cum au fost ele rezolvate.

Gerd Vogt, Şcoala Secundară Înaltă pentru Mediu şi Economie, Austria




License

CC-BY