CERN: Ένας νέος τρόπος αναζήτησης βαρυτικών κυμάτων

Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, η Valerie Domcke από το CERN και ο Camilo Garcia-Cely από το DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) παρουσιάζουν μια νεα τεχνική αναζήτησης για βαρυτικά κύματα – τις πτυχώσεις της υφής του χωρόχρονου, που ανιχνεύτηκαν για πρώτη φορά από τις συνεργασίες LIGO και Virgo το 2015 και έδωσαν στους Rainer Weiss, Barry Barish και Kip Thorne το βραβείο Nobel για τη Φυσική, το 2017.

Η τεχνική των Domcke και Garcia-Cely βασίζεται στην μετατροπή των βαρυτικών κυμάτων υψηλής συχνότητας (που εκτείνονται από megahertz μέχρι gigahertz) σε ραδιοκύματα. Η μετατροπή αυτή λαμβάνει χώρα με την παρουσία μαγνητικού πεδίου και παραμορφώνει την ακτινοβολία που έμεινε από το πρώιμο σύμπαν, γνωστή ως κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο, η οποία διαχέεται στο σύμπαν.

Το ερευνητικό ζευγάρι δείχνει ότι η παραμόρφωση αυτή, που συνάγεται από τα δεδομένα του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου που ελήφθησαν με ραδιοτηλεσκόπια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναζητήσουμε για βαρυτικά κύματα υψηλής συχνότητας που παράγονται από κοσμικές πηγές, όπως οι πηγές από τους σκοτεινούς χρόνους ή ακόμη πιο πίσω στην κοσμική μας ιστορία. Οι σκοτεινοί χρόνοι είναι η περίοδος μεταξύ του χρόνου όταν διαμορφώνονταν τα άτομα του υδρογόνου και της στιγμής όταν άναψαν τα πρώτα άστρα στον Κόσμο.

«Οι πιθανότητες ότι αυτά τα υψηλής συχνότητας βαρυτικά κύματα μετατρέπονται σε ραδιοκύματα είναι πολύ μικρή, όμως αντισταθμίζουμε αυτές τις πιθανότητες χρησιμοποιώντας ένα τεράστιο ανιχνευτή, τον Κόσμο», εξηγεί η Domcke. «Το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο παρέχει ένα πάνω όριο στο πλάτος των υψηλής συχνότητας βαρυτικών κυμάτων που μετατρέπονται σε ραδιοκύματα. Αυτά τα υψηλής συχνότητας κύματα είναι πέρα από το εύρος των συμβολομέτρων λειζερ LIGO, Virgo και KAGRA».

Οι Domcke και Garcia-Cely παρήγαγαν δυο τέτοια άνω όρια, χρησιμοποιώντας μετρήσεις του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου από δυο τηλεσκόπια: τη μεταφερόμενη σε μπαλόνι συσκευή ARCADE 2 και το τηλεσκόπιο EDGES που βρίσκεται στο Ραδιο-αστρονομικό Παρατηρητήριο Murchison, στη Δυτική Αυστραλία. Οι ερευνητές βρήκαν ότι, για τα πιο αδύναμα δυνατά κοσμικά μαγνητικά πεδία, που προσδιορίζονται από τα τρέχοντα αστρονομικά δεδομένα, οι μετρήσεις του EDGES οδηγούν σε ένα μέγιστο πλάτος ενός μέρους στα 10^12 για ένα βαρυτικό κύμα με μια συχνότητα των περίπου 78 MHz, ενώ οι μετρήσεις της ARCADE 2 αποδίδουν ένα μέγιστο πλάτος του ενός μέρους στα 10^14 σε μια συχνότητα των 3 – 30 MHz. Για τα ισχυρότερα δυνατά κοσμικά μαγνητικά πεδία, τα όρια αυτά είναι πιο στενά – ένα μέρος στα 10^21 (EDGES) και ένα μέρος στα 10^24 (ARCADE 2) – και είναι περίπου επτά τάξεις μεγέθους πιο αυστηρά από τα τρέχοντα όρια που παράγονται από τα υπάρχοντα πειράματα που βασίζονται στα εργαστήρια.

Οι Domcke και Garcia-Cely λένε ότι τα δεδομένα από τα ραδιοτηλεσκόπια της επόμενης γενιάς όπως η Συστοιχία Τετραγωνικού Χιλιόμετρου (Square Kilometre Array ή SKA) [εικόνα κειμένου], καθώς η βελτιωμένη ανάλυση δεδομένων, θα στένευαν περαιτέρω τα όρια αυτά και θα μπορούσαν ίσως ακόμη να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα από τη σκοτεινή περίοδο και τους πρώιμους κοσμικούς χρόνους.