Bunele vibrații: cum să prinzi o undă gravitațională

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 LIGO^w1, Virgo^w2 și GEO600^w3. 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).
 

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).
 

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.

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.

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 nostru^w2 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.