Ψαρεύοντας νετρίνα...

Αποστολή των 12.000 αισθητήρων του υποβρύχιου ολλανδικού τηλεσκόπιου ΚΜ3ΝeΤ (ανοιχτά της Πελοποννήσου) θα είναι να εντοπίζουν νετρίνα, πολύ δύσκολα στην ανίχνευση υποατομικά σωματίδια που μπορούν να μας δώσουν απαντήσεις σε πολλά από τα αινίγματα του Σύμπαντος.

Επιτέλους, έπεσε ο αέρας. Η ώρα είναι εννιά το πρωί και ο Χανς βαν Άρεν, φορώντας παντελόνι και μακό μπλουζάκι, είναι όρθιος στην καμπίνα του καπετάνιου του Πελαγία. Αυτό το ερευνητικό σκάφος πλέει οχτώ χιλιόμετρα ανοιχτά της Πελοποννήσου. Η θέα από εκεί που στέκεται ο Χανς είναι μαγευτική: μπορεί να δει κανείς τα βουνά και τα χωριά της ηπειρωτικής Ελλάδας - αυτός όμως έχει μάτια μόνο για τα σφαιρικά αντικείμενα που κρέμονται από μια τροχαλία πάνω στο κατάστρωμα. Είναι μια συγκινητική στιγμή για τον αρχηγό της αποστολής του Ολλανδικού Βασιλικού Ινστιτούτου Θαλασσίων Ερευνών.

Μπάλες θαλάσσης με οπτικούς αισθητήρες
Οι σφαίρες αυτές αντιπροσωπεύουν στην πραγματικότητα μήνες δουλειάς, όπως και η περίπλοκη κατασκευή από την οποία είναι εξαρτημένες. Η κάθε μια από αυτές έχει το σχήμα μιας μεγάλης μπάλας θαλάσσης και στο εσωτερικό της έχουν τοποθετηθεί οπτικοί αισθητήρες των οποίων η αποστολή είναι να ανιχνεύουν πολύ ισχνά φωτεινά σήματα στο σκοτεινό βυθό του ωκεανού. Οι αισθητήρες αυτοί είναι καλυμμένοι από παχύ κρύσταλλο, ικανό να αντέξει την τεράστια πίεση του νερού. Ωστόσο, μαζί με το σκάφος, οι σφαίρες ταλαντεύονται και συχνά δέχονται χτυπήματα από τα κύματα, με αποτέλεσμα το κρύσταλλο που περιέχουν να διατρέχει κίνδυνο: ένα δυνατό χτύπημα και η σφαίρα μπορεί να σπάσει σαν μια μπάλα χριστουγεννιάτικου δέντρου.

Ο Βαν Άρεν παρατηρεί από το κατάστρωμα τους άντρες του να ρίχνουν απαλά στο νερό τις κρυστάλλινες σφαίρες. Χτες είχε άνεμο έντασης 6 μποφόρ, ενώ σήμερα το πρωί μόνο δύο, γι’ αυτό πρέπει να εκμεταλλευτούν την ηρεμία της θάλασσας, για να βυθίσουν τις μπάλες, πριν ξανασηκώσει αέρα. Ο Βαν Άρεν πιάνει το γουόκι-τόκι και προστάζει: «Κατεβάστε το!». Είναι ο αρχηγός μιας ομάδας, μέλος της οποίας είναι και η φυσικός Ελς ντε Γουλφ, που κανονικά δουλεύει στη στεριά, στο Εθνικό Ινστιτούτο Υποατομικής Φυσικής Νίκχεφ, στο Άμστερνταμ. Η Ντε Γουλφ έχει ειδικευτεί στο φαινόμενο που αποκαλείται «κοσμική βροχή»: το ευφάνταστο αυτό όνομα αναφέρεται στην πτώση διαστημικών σωματιδίων στη Γη.

Ταξιδεύουν χωρίς να αλλάζουν ποτέ κατεύθυνση
Κάποια από τα σωματίδια που πέφτουν από τον ουρανό είναι ορατά με γυμνό μάτι, όπως ο μετεωρίτης μεγέθους ενός μπιζελιού που χτύπησε ένα Γερμανό μαθητή πριν από δύο χρόνια, περνώντας ξυστά από το χέρι του και δημιουργώντας στη συνέχεια με την πτώση του στο έδαφος έναν κρατήρα μεγέθους 50 εκατοστών.

Στην πραγματικότητα, οι πιθανότητες να πέσει πάνω σου ένα «διαστημικό σκουπίδι» είναι σχεδόν μηδαμινές, αλλά τα σωματίδια που αποτελούν το αντικείμενο της έρευνας της Ντε Γουλφ, τα νετρίνα, μας διαπερνούν χωρίς να το καταλαβαίνουμε με εντυπωσιακή συχνότητα. Αυτά τα αόρατα σωματίδια περνούν εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο από μέσα μας με την ταχύτητα του φωτός, σαν να ήμασταν σουρωτήρια. Και δεν διαπερνούν μόνο εμάς, αλλά και ολόκληρο τον πλανήτη, με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που οι ακτίνες του ήλιου διαπερνούν μια κρυστάλλινη σφαίρα. «Πρόκειται για σωματίδια αφάνταστα μικροσκοπικά, με μάζα σχεδόν μηδενική», εξηγεί η Ντε Γουλφ. «Άλλα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους», συνεχίζει, «είναι αφενός η απουσία ηλεκτρικού φορτίου, εξαιτίας της οποίας τίποτα δεν μπορεί ούτε να τα προσελκύσει ούτε να τα απωθήσει, και αφετέρου, από τη στιγμή που δημιουργούνται και τίθενται σε κίνηση, δεν αλλάζουν ποτέ κατεύθυνση».

Αυτό το τελευταίο χαρακτηριστικό είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους τα νετρίνα παρουσιάζουν τόσο μεγάλο ενδιαφέρον για τους επιστήμονες: από τη στιγμή της γέννησής τους στο εσωτερικό ενός αστεριού, τα σωματίδια αυτά ταξιδεύουν μέσα στο διάστημα, πάντα σε ευθεία γραμμή, σε κάποιες περιπτώσεις για δισεκατομμύρια χρόνια. «Χάρη στα τηλεσκόπια νετρίνων, μπορούμε να ταξιδέψουμε στο χρόνο και να φτάσουμε μέχρι τα αρχέγονα αστέρια, ώστε να μελετήσουμε, για πρώτη φορά, τι συνέβαινε στο εσωτερικό τους». Και προσθέτει: «Μέσω των νετρίνων, θα μπορέσουμε να ανακαλύψουμε, για παράδειγμα, τι είδους άστρα παράγουν αυτά τα κοσμικά σωματίδια που με τόσο ισχυρή ενέργεια διασχίζουν το σύμπαν, και πώς το κάνουν».

Ακολουθώντας το φωτεινό μονοπάτι
Από τη σύγκρουση των νετρίνων με το νερό, προκύπτει ένα νέο σωματίδιο: το μιόνιο. Αυτό αρχίζει να κινείται στην ίδια κατεύθυνση με το νετρίνο από το οποίο προέκυψε, αλλά, αντίθετα με εκείνο, είναι ορατό, γιατί, στην επαφή του με το νερό, το μιόνιο εκπέμπει φως. Δεν είναι βέβαια παρά μια αμυδρή αναλαμπή γαλάζιου χρώματος, αλλά σε ένα σκοτεινό περιβάλλον, όπως ο βυθός της θάλασσας, ίσως είναι δυνατόν να το αντιληφθεί κανείς με γυμνό μάτι. Και φυσικά, όσο περισσότερο νερό υπάρχει, τόσο περισσότερες συγκρούσεις μεταξύ νετρίνων και μορίων νερού γίνονται και, κατά συνέπεια, τόσο περισσότερες φωτεινές αναλαμπές παρατηρούνται, που μας φανερώνουν την παρουσία νετρίνων.

Γι’ αυτό, μια ομάδα Ευρωπαίων επιστημόνων προτίθεται να κατασκευάσει το τηλεσκόπιο νετρίνων ΚΜ3 Neutrino Telescope ή ΚΜ3ΝeΤ, ένα υποβρύχιο τηλεσκόπιο που προβλέπεται να τεθεί σε λειτουργία το 2015. Θα έχει μέγεθος περίπου ένα κυβικό χιλιόμετρο και θα τοποθετηθεί στη Μεσόγειο, γιατί τα νερά της προσφέρουν ιδανικές συνθήκες για την παρατήρηση των αναλαμπών των μιονίων. Επιπλέον, στη Μεσόγειο δε χρειάζεται να απομακρυνθεί κανείς περισσότερο από μερικά χιλιόμετρα από την ακτή, για να φτάσει σε απίστευτα μεγάλο βάθος. Το ηλιακό φως διεισδύει μόνο μερικές εκατοντάδες μέτρα στο νερό της θάλασσας - από εκεί και πέρα, βασιλεύει το σκοτάδι. Και εκεί ακριβώς σκοπεύουν να τοποθετήσουν το τηλεσκόπιο οι επιστήμονες. Ο λόγος; Εφόσον το ηλιακό φως δε φτάνει εκεί κάτω, υποθέτουν πως, αν οι αισθητήρες ανιχνεύσουν μια ακτίνα φωτός, θα πρέπει να έχει προέλθει από τη σύγκρουση ενός νετρίνου με το νερό.

Θα είναι όμως αποτελεσματικό αυτό το υποβρύχιο τηλεσκόπιο; Για να το διαπιστώσουν, οι επιστήμονες διεξάγουν δοκιμαστικές μελέτες με το Ανταρές, ένα τηλεσκόπιο τοποθετημένο κοντά στις γαλλικές ακτές. Το μέγεθός του είναι 20 φορές μικρότερο από αυτό που θα έχει το ΚΜ3ΝeΤ, αλλά είναι βασισμένο στην ίδια αρχή. Η φυσικός Ντε Γουλφ θυμάται χαρακτηριστικά τη στιγμή που έφτασαν οι πρώτες εικόνες από το τηλεσκόπιο στην οθόνη του υπολογιστή της, το 2007, και πώς καθόταν και τις παρατηρούσε χωρίς να ξέρει τι να σκεφτεί: «Τις κοίταζα μπερδεμένη. Οι αισθητήρες είχαν αντιληφθεί πολύ ξεκάθαρα τις αναλαμπές, όμως αυτές δεν έμοιαζαν καθόλου με την εικόνα που είχαμε προβλέψει ότι θα παρουσίαζαν. Έμοιαζαν με ένα μεγάλο φωτισμένο χριστουγεννιάτικο δέντρο!».

Πλάσματα των σκοταδιών
Δε χρειάστηκε πολύς καιρός για να ανακαλύψει η Ντε Γουλφ και οι συνάδελφοί της από πού προερχόταν όλο αυτό το φως: από πλάσματα του βυθού της θάλασσας σε κατάσταση διέγερσης. Κάποια είδη ψαριών έχουν τη δυνατότητα να εκπέμπουν φως, φαινόμενο στο οποίο έχει αποδοθεί το όνομα «βιοφωταύγεια». Πότε και γιατί το κάνουν; Όταν θέλουν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, να κυνηγήσουν ένα θήραμα ή αντίθετα να τρομάξουν ένα διώκτη, για να του ξεφύγουν. Τους συμβαίνει όμως, προφανώς, και όταν βρεθούν πρόσωπο με πρόσωπο με έναν ανιχνευτή. «Τα ρεύματα του βυθού έσπρωχναν ολόκληρα κοπάδια ψαριών προς το τηλεσκόπιο. Τελικά, καταφέραμε να βελτιώσουμε το λογισμικό, ώστε να μπορεί να διακρίνει ξεκάθαρα τα νετρίνα από τα βιοφωταυγή θαλάσσια πλάσματα», εξηγεί η φυσικός.
Και έτσι, αυτό που στην αρχή έφερε σε αμηχανία τους ειδικούς, αποδείχτηκε τελικά προτέρημα, αν όχι για τους αστροφυσικούς, τουλάχιστον για τους βιολόγους, που τους δόθηκε μια μοναδική ευκαιρία να παρακολουθούν απευθείας τις κινήσεις μικρών ζώων στο βυθό της θάλασσας, ένα μέρος κατεξοχήν δύσβατο για έναν ερευνητή. «Κι έτσι, το τηλεσκόπιό μας μετατράπηκε ξαφνικά σε έναν εξαίσιο ανιχνευτή θαλάσσιας ζωής σε μεγάλα βάθη», σχολιάζει η Ντε Γουλφ γελώντας.

Πόντιση του «εκτοξευτήρα»
Αποστολή του ΚΜ3ΝeΤ είναι, μέσω των 12.000 αισθητήρων φωτός που διαθέτει, να αναλύσει έναν όγκο θαλασσινού νερού ίσο με το περιεχόμενο 500.000 πισίνων ολυμπιακών διαστάσεων. Αυτό όμως θα καταστεί δυνατό μόνο με μια γρήγορη τεχνική πόντισης των αισθητήρων. Αυτός είναι ο λόγος που οι ερευνητές ρίχνουν σήμερα στο νερό 20 αισθητήρες μαζί. Τους έχουν τοποθετήσει όλους μαζί σε μια μεταλλική κατασκευή, που μοιάζει με ένα τεράστιο τσαμπί σταφύλι. Η συσκευή αυτή ονομάζεται launcher (διανομέας).

Στο σόναρ (ηχοεντοπιστικό σύστημα που χρησιμοποιεί υπέρηχους, για να εντοπίσει υποβρύχια σώματα ή να μελετήσει τις ανωμαλίες του βυθού της θάλασσας) του Πελαγία, ο αρχηγός της αποστολής, Βαν Άρεν, μας εξηγεί ότι οι σφαίρες βρίσκονται σε 800 μέτρα βάθος. Τριγυρισμένος από απόλυτο σκοτάδι, ο εκτοξευτήρας είναι στερεωμένος με ένα μεγάλο γάντζο σε μια κατασκευή από μπετόν, ακουμπισμένη στο βυθό της Μεσογείου.

Έχει φτάσει η κορυφαία στιγμή του πειράματος: ο διανομέας πρέπει να ανασυρθεί στην επιφάνεια ανάμεσα σε δύο καλώδια. Στην ανοδική πορεία του, κάθε 30 μέτρα θα αποβάλλει από μια σφαίρα με έναν αισθητήρα στο εσωτερικό της, ώστε, όταν φτάσει στην επιφάνεια, να έχει αφήσει πίσω του δύο καλώδια με «κόμπους»: πάνω στον κάθε κόμπο, θα είναι στερεωμένος και από ένας αισθητήρας.

Στη γέφυρα του σκάφους, ο Βαν Άρεν μιλά πάλι στο γουόκι-τόκι: «Λύσ’το!». Στο κατάστρωμα, ένας τεχνικός εισάγει κάποιους κωδικούς σε ένα μαύρο κουτί και, μόλις πατάει το command, αρχίζουν τα υποβρύχια ακροβατικά, 800 μέτρα κάτω από τα πόδια του.

Η επιχείρηση στέφεται με απόλυτη επιτυχία: ακούγονται κραυγές χαράς, η σαμπάνια ρέει άφθονη. Σε μια οθόνη, ο Βαν Άρεν και η ομάδα του παρακολουθούν το όλο εγχείρημα σε επανάληψη. Μια υποβρύχια κάμερα, εξοπλισμένη με έναν ισχυρό προβολέα, κατέγραψε την άνοδο του εκτοξευτήρα από το βυθό προς την επιφάνεια. «Με τις υπάρχουσες τεχνικές, θα μας είχε πάρει έναν αιώνα να κατασκευάσουμε ένα τηλεσκόπιο του μεγέθους του ΚΜ3ΝeΤ!», εξηγεί ο Βαν Άρεν. Και προσθέτει: «Σήμερα αποδείξαμε ότι μπορούμε να ποντίσουμε πολλούς αισθητήρες ταυτόχρονα. Στο επόμενο πείραμα, ο στόχος είναι πιο φιλόδοξος: η τοποθέτηση 15 διανομέων με 300 συνολικά σφαίρες. Με αυτόν τον τρόπο, θα βελτιώνουμε όλο και περισσότερο την τεχνική μας, ώστε να μπορέσουμε να κατασκευάσουμε το τηλεσκόπιο μέσα σε τρία χρόνια».

Για να μάθετε πιο πολλά
www.km3net.org Τα πάντα για το τηλεσκόπιο, τους στόχους του και τα στάδια εξέλιξης της κατασκευής του.
www.nioz.nl Ιστοσελίδα, στα αγγλικά, του Ολλανδικού Βασιλικού Ινστιτούτου Θαλασσίων Ερευνών.
http://www.pylos.gr/index.php?option=com_content&task=view&id=52&Itemid=69 Ιστοσελίδα του Δήμου Πύλου με πληροφορίες για το πρόγραμμα ΝΕΣΤΩΡ.
http://www.nestor.noa.gr Ιστοσελίδα του Ινστιτούτου ΝΕΣΤΩΡ (στα αγγλικά)