امواج گرانشی، از پیش‌بینی تا واقعیت

امواج گرانشی

در زمان‌های خیلی دور، در عمق فضا،‌ دو سیاهچاله سنگین به آرامی با هم رو در رو می‌شوند. این دو شبح ستاره‌ای همواره به طور مارپیچ به هم نزدیک می‌شوند، تا اینکه، تقریبا ۱.۳ میلیارد سال پیش، آنها با سرعت زیادی که نصف سرعت نور بود، به دور هم چرخیدند و سرانجام با هم یکی شدند. این برخورد لرزشی درون جهان منتشر کرد…

لرزش‌ها در تار و پود فضا-زمان امواج گرانشی نامیده می‌شوند. یکسال و پنج ماه پیش (سپتامبر ۲۰۱۵) از زمین عبور کردند؛ و برای اولین بار، فیزیکدانان امواج را شناسایی کردند، ۴ دهه تلاش، به نتیجه رسید و نگاه جدیدی به سمت آسمان آغاز شد.

این کشف یک جشن پیروزی برای ۱۰۰۰ فیزیکدان در رصدخانه تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) یا به اختصار “لایگو” (LIGO) بود. شایعه کشف این امواج، برای چند ماه چرخید تا اینکه سرانجام دقیقا در سال گذشته، تیم لایگو آن‌را رسمی کردند. دیوید ریتز (David Reitze)، فیزیکدان و سرپرست تیم لایگو گفت: «ما انجامش دادیم!»

آلبرت انیشتین وجود امواج گرانشی را ۱۰۰ سال پیش، پیش‌بینی کرده بود، اما شناسایی آنها نیازمند تکنولوژی بسیار پیشرفته و وجود طعمه است. (خط زمانی انتهای متن را برای خط زمانی جستجوی امواج گرانشی ببینید.) پژوهشگران LIGO موجی را حس کردند که فضا را به اندازه یک بر روی ۱۰۲۱ متر کش آورد، کل کره زمین را به اندازه ۱/۱۰۰۰۰۰۰ نانومتر منبسط و منقبض کرد، تقریبا به اندازه‌ی قطر یک هسته اتم. مشاهده‌ی تست نظریه گرانش انیشتین، نظریه نسبیت عام، به همراه اثبات دقیق و آماده‌ی اینکه سیاهچاله‌ها وجود دارند. مارک کامیونکوسکی (Marc Kamionkowski)، نظریه‌پرداز در دانشگاه جانز هاپکینز (Johns Hopkins) مریلند گفت: «این یک جایزه نوبل خواهد برد!»

قبل از همه چیز: امواج گرانشی چیست؟!

زمانی که در سال ۱۹۵۱، انیشتین نظریه خودش را اعلام کرد، قوانین حاکم بر فضا و زمان را که برای بیش از ۲۰۰ سال (از زمان نیوتون) استفاده می‌شد را بازنویسی کرد. نیوتون برای جهان، یک چهارچوب ثابت را قید کرده بود. در عوض، انیشتین گفت که ماده و انرژی هندسه‌ی جهان را تغییر می‌دهند. برای مثال (در یک صفحه ۲ بعدی) این قضیه مانند این است که یک توپ را در یک صفحه کشسان تخت بیندازیم. در این صورت، صفحه خم می‌شود و هر چیز دیگری که وارد این خمیدگی شود، به سمت این توپ جذب می‌شود. هر جسمی هم به دلیل جرم خود، در صفحه فضا-زمان خمیدگی ایجاد می‌کند. یک اختلال در جهان میتواند باعث کش‌آمدن، فروپاشی و حتی جنبش آهسته فضا-زمان شود. مانند یک صفحه کشسان وقتی روی آن بپرید! این اختلال باعث تولید موج‌هایی از جنس گرانش می‌شود: امواج گرانشی.

خم‌شدن صفحه فضا-زمان

 

LIGO چگونه کار می‌کند؟

این پروژه، از دو آشکارساز استفاده می‌کند. یکی از آنها در ایالت واشنگتون و دیگری در لوئیزیانا قرار گرفته؛ برای حس کردن انحراف فضا زمانی که یک موج گرانشی از زمین می‌گذرد. هر آشکارساز به شکل یک L خیلی بزرگ است، با دو بازو به طول ۴ کیلومتر.

تأسیسات لایگو.
تأسیسات LIGO در هانفورد، واشنگتون، که البته یک برادر دوقلو هم لیوینگستون، لوئیزیانا دارد.

نور لیزر درون هر بازو به طور مرتب بازتاب می‌شود. یک ساعت اتمی بسیار دقیق، مدت زمانی که طول می‌کشد نور به انتهای بازو برود و برگردد را اندازه می‌گیرد. در حالت عادی، هر دو بازو به یک طول هستند، و بنابراین نور یک زمان مشخص طول می‌کشد که از آنها عبور کند. به همین دلیل، زمانی که دو پرتو از بازو‌ها بازتاب می‌شوند، یک شکل یکسان دارند و می‌توان آنها را روی هم انداخت تا هم دیگر را خنثی کنند (تداخل ویرانگر). اگر یک موج گرانشی از میان آن عبور کند، هر چند طول بازو‌ها تغییر می‌کند، اما این موج در یک جهت است و بنابراین، بازو‌ها دیگر طول برابر ندارند. (با توجه به اینکه طبق نظریه نسبیت، سرعت نور برای هر مرجعی ثابت است) پس نور زمان متفاوتی طول می‌کشد تا از هر بازو عبور کند و دیگر هم دیگر را کامل از بین نمی‌برند. سپس با تحلیل موج به دست آمده از ترکیب این دو موج، اطلاعات موج گرانشی را به دست می‌آورند.

آینه‌های لایگو
تأثیر پذیرى از علم کوانتوم در آینه‌های LIGO آن‌را کار‌آمد‌ترین آشکارساز تشعشعات گرانشی می‌کند.

از روی تداخل، پژوهشگران می‌توانند طول نسبی دو بازو را در حدود ۱/۱۰۰۰۰۰ قطر پروتون حساب کنند. البته به دلیل دقت بالا، مشکلات فراوانی وجود دارد و پژوهشگران باید لرزش‌هایی مثل زمین‌لرزه، ترافیک و … را در نظر بگیرند.

تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی

چه اتفاقی افتاد؟ جیر‌جیر!

در تاریخ ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، ساعت ۹:۵۰:۴۵ به وقت گرینویچ، سیستم‌های خودکار LIGO چیزی مانند سیگنال آشکار کردند. لرزش در فرکانس ۳۵ هرتز بود و فرکانس آن در ۰.۲۵ ثانیه بعد به ۲۵۰ هرتز رسید. افزایش فرکانس، یا جیرجیر، با چرخش دو جسم سنگین به دور هم تطبیق داده شد. اختلاف ۰.۰۰۷ ثانیه‌ای بین سیگنال‌های لوئیزیانا و واشنگتون متناسب با زمانی است که نور طول می‌کشد بین این دو نقطه حرکت کند. موجی که دریافت شد را در اینجا می‌توانید بشنوید:

 

صدای امواج گرانشی

مقایسه با شبیه‌سازی کامپیوتری معلوم‌کرد که امواج از دو شیٔ که ۲۹ و ۳۶ بار از خورشید سنگین‌ترند آمده است که قبل از اینکه با هم یکی شوند، ۱۲۰ کیلومتر با هم فاصله داشته‌اند. بروک آلن (Bruce Allen)، یک عضو LIGO درموسسه فیزیک گرانش پلانک در آلمان گفته است:«فقط یک سیاهچاله (که از انرژی گرانشی خالص ساخته‌شده است و جرم خود را از طریق رابطه معروف انیشتین یعنی E=mc2  به دست می‌آورد.) می‌تواند در حجم کم به این اندازه وزن داشته باشد».

این برخورد یک انفجار نامرئی عجیب تولید کرد. مدل‌سازی‌ها نشان می‌دهد که سیاهچاله نهایی ۶۲ برابر جرم خورشید است (۳ واحد کمتر از جمع جرم سیاهچاله‌ها. جرم گمشده در تشعشع گرانشی غیب شده است). یک تبدیل جرم به انرژی بمب اتمی مانند یک جرقه می‌سازد. آلن می‌گوید: «برای یک دهم ثانیه [برخورد] درخشان‌تر از تمام ستارگان درون کهکشان بود؛ اما فقط در امواج گرانشی»

کیپ تورن (Kip Thorne)، یک نظریه‌پرداز گرانشی که نقش زیادی در توسعه LIGO داشت، گفت: «انفجار‌های دیگر ستاره‌ای که انفجار گاما (Gamma-ray burst) نامیده می‌شوند می‌توانند در درخشش از ستاره‌ها پیشی بگیرند، اما ادغام انفجاری سیاهچاله‌ها یک رکورد خیلی عجیب به جا گذاشت. این قوی‌ترین انفجاری است که انسان توانسته است آن‌را شناسایی کند، البته به جز بیگ‌بنگ.»

شبیه‌سازی سیاهچاله‌ها
تصویر مربوط به شبیه‌سازی برخورد دو سیاهچاله

برای ۵ ماه، فیزیکدانان LIGO تلاش می‌کردند تا کشف خود را مخفی نگه دارند. معمولا، بیشتر اعضای تیم نمی‌دانند که آیا سیگنال واقعی بود یا نه.

LIGO مرتباً اطلاعات خواندن داده‌ها را با سیگنال‌های غلط مخفی به نام تزریق کور (!) (blind injections) گول می‌زد تا هم تجهیزات را تست کند و هم پژوهشگران را آماده نگه دارد. اما در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، این سیستم اجرا نشده بود. فیزیکدانان فقط به تازگی در یک دوره ۵ ساله با هزینه ۲۰۵ میلیون دلار، ماشین‌ها را تقویت کرده‌اند؛ و بعضی سیستم‌ها (شامل سیستم تزریق کور هم می‌شود) برای مدتی خاموش بودند تا گروه یک دوره مهندسی اجرای مقدماتی را تمام کنند. در نتیجه، تمام کارکنان می‌دانستند که این رصد به نظر واقعی است.

با این حال،فیزیکدانان LIGO باید هر چیز جایگزینی را رد می‌کردند. از جمله اینکه ممکن بود خواندن سیگنال‌ها جعلی باشد. ریتز می‌گوید: «ما یک ماه به دنبال راه‌هایی بودیم که یک شخص می‌تواند سیگنال را جعل کند.» برای همه اشخاص این یک مسئولیت بزرگ و مهم بود. چون‌که این اولین آشکار‌سازی امواج گرانشی بود و هیچ راهی برای اشتباه وجود ندارد.

اثبات اینکه امواج گرانشی وجود دارند ممکن است مهمترین میراث LIGO نباشد؛ اگرچه به عنوان یک دلیل قانع‌کننده غیر مستفیم برای آنها شده است. در سال ۱۹۷۴ ستاره‌شناسان آمریکایی، راسل هوسل (Russell Hulse) و جوزف تیلور (Joseph Taylor) یک جفت ستاره نوترونی تشعشع‌کننده را کشف کردند که تپ‌اختر (pulsar) نامیده می‌شوند و دور هم می‌چرخند. با اندازه‌گیری زمان تپش آن‌ها، تیلور و همکارش جوئل ویسبرگ (Joel Weisberg) نشان دادند که آنها به آرامی به هم نزدیک می‌شوند (که البته اگر امواج گرانشی تابش کنند، باید هم همین باشد).

به سمت آینده

تقریبا هر چیزی که درباره جهان شناخته‌شده است، از طریق طیف الکترومغناطیس به دست دانشمندان رسیده است. چهارصد سال قبل، گالیله بررسی قلمرو نور مرئی را با تلسکوپش شروع کرد. از آن زمان به بعد، ستاره‌شناسان ابزار خود را به سمت جلو برده‌اند. آن‌ها آموختند که کیهان را با استفاده از امواج رادیویی و مایکروویو ببینند، با فرو‌سرخ و فرا‌بنفش، با اشعه x و گاما، تولد ستارگان در سحابی شاه‌تخته (Carina) و فوران آبفشان‌ها در هشتمین ماه زحل را مشخص کنند، مرکز راه شیری و مکان سیارات مانند زمین اطرافمان را پیدا کنند. اما  بیش از ۹۵ درصد جهان به روش ستاره‌شناسی سنتی، ناشناخته باقی مانده‌است. امواج گرانشی ممکن است تکلیف باصطلاح انرژی تاریک را که تصور می‌شود بیشتر ابهامات را تشکیل می‌دهد مشخص نکند، اما این توانمندی را به ما می‌دهد که فضا و زمان را به عنوان چیزی که تا به حال انجام نداده‌ایم بررسی کنیم. دیوید ریتز (David Reitze)، فیزیکدان و سرپرست تیم لایگو می‌گوید: «این به طور کلی نوع جدیدی از تلسکوپ است؛ و این به این معنی است که ما به طور کلی نوع جدیدی از ستاره‌شناسی را برای اکتشاف‌کردن داریم.» جانا لوین (Janna Levin)، پروفسور ستاره‌شناسی در دانشگاه کلمبیا می‌گوید: «اگر چیزی که تا به حال می‌دیدیم یک فیلم صامت بود، امواج گرانشی جهان ما را به یک فیلم ناطق تبدیل کردند. »

ادغام دو سیاهچاله در گذر زمان
ادغام دو سیاهچاله در گذر زمان

همانطور که اتفاق افتاد، فرکانس‌های خاص امواج که LIGO می‌تواند آشکار کند در بازه شنوایی انسان است؛ بین تقریبا ۳۵ و دو هزار و پنجاه هرتز. جیر‌جیر برای شنیده‌شدن در زمانی که به زمین رسید خیلی ساکت بود، و LIGO لایق گرفتن فقط دو دهم ثانیه از این ادغام‌شدن چند میلیارد ساله بود. اما با حداقل پردازش صدا، این رویداد شبیه یک گلیساندو (glissando) [فنی در اجرای موسیقی] بود. رینر ویز (Rainer Weiss)، فیزیکدانی که برای اولین بار پیشنهاد ساخت LIGO را داد، می‌گوید: «از پشت انگشتانتان، ناخن‌ها استفاده کنید، و فقط آن‌ها را با پیانو از کمترین A تا C میانی اجرا کنید، و حالا شما تمام سیگنال را دارید!»

منابع مختلف آسمانی موج گرانشی مختص به خود را منتشر می‌کنند. این یعنی LIGO و جانشینان آن می‌توانند در نهایت چیزی مانند یک ارکست کیهانی را بشنوند. دیوید ریتز می‌گوید: «ستاره‌های نوترونی دوتایی مانند یک فلوت‌اند. تپ‌اختر‌های منزوی چرخنده شاید یک “دینگ” تکفام باشد؛ مانند یک مثلث (یک ساز کوبه‌ای). سیاهچاله‌ها تمام دسته ساز‌های زهی را پر می‌کنند. از کنترباس (بم‌ترین ساز زهی) به بالا؛ بسته به جرمشان. در آینده قادر به تشخیص ویولون‌ها و ویولا‌ها هستیم، سیاهچاله‌های پرجرم؛ مانند آن سیاهچاله‌ای که وسط کهکشان راه شیری است. باید به انتظار آشکارساز‌هایی با حساسیت‌های مختلف بنشینیم.»

چند آشکارساز مجزا مانند این در مراحل برنامه‌ریزی و یا در دست ساخت هستند؛ از جمله تلسکوپ انیشتین، یک پروژه اروپایی با بازو‌های زیر زمین با طول بیشتر از دو برابر LIGO و یک مجموعه فضایی با سه ابزار اندازه‌گیری به اسم LISA. آشکار‌ساز‌های دیگر هم اکنون آماده و در‌حال کار هستند، از جمله تلسکوپ BICEP2، که با وجود هشدار اشتباه آن، هنوز هم ممکن است بازتاب امواج گرانشی در زمان‌های حتی دورتر را تشخیص دهد.

LISA
تصویر مربوط به نسخه شبیه‌سازی‌شده رصد‌خانه فضایی امواج گرانشی LISA

اولین عملیات مشاهده‌ی لایگوی پیشرفته‌شده در دوازدهم ژانویه سال پیش به پایان رسید. رصدخانه ذره‌ذره به سمت حداکثر حساسیت خود می‌رود. در دو یا سه سال، ممکن است به خوبی رویداد‌ها را به صورت روزانه ثبت کند و داده‌های بیشتری در یک عملیات بگیرد. در اواخر تابستان گذشته دوباره فعال شد تا حتی بیشتر به موسیقی متن فیلم آسمانی گوش فرا‌دهد که ما به سختی آن‌را تصور کرده‌ایم. کیپ تورن می‌گوید: « ما در حال باز کردن یک پنجره جدید در جهان هستیم، پس اساساً تفاوت زیادی با همه پنجره‌های قبلی دارد؛ پنجره‌هایی که ما در مورد چیز‌هایی که درون آنها اتفاق می‌افتاد کاملا نادان بودیم. هنوز خیلی تا اتفاق بزرگ فاصله هست.»

 

همچنین می‌توانید این ویدیو را برای کسب اطلاعات در مورد امواج گرانشی تماشا کنید:

 

از پیش‌بینی تا واقعیت: تاریخچه جستجوی امواج گرانشی

۱۹۱۵- آلبرت انیشتین نظریه نسبیت عام را ارائه کرد، گرانش را به عنوان خمیدگی فضا-زمان توسط جرم یا انرژی توصیف کرد

۱۹۱۶- انیشنین پیش‌بینی کرد که اجسام سنگین اگر سریع بچرخند، باعث موج‌دار شدن فضا-زمان می‌شوند -امواج گرانشی

۱۹۳۶- انیشتین فکر دیگری داشت و در یک نوشته‌ای استدلال کرد که امواج گرانشی وجود ندارند. -تا زمانی که برای اشتباه بازبینی شوند

۱۹۶۲- فیزیکدان روسی گرتشتین (M. E. Gertsenshtein ) و پوستوویت ( V. I. Pustovoit) مقاله ای در رابطه با روش تقریبی شناسایی امواج گرانشی با روش اپتیکی منتشر کردند

۱۹۶۹- فیزیکدان جوزف وبر (Joseph Weber) خواستار شناسایی امواج گرانشی با استفاده از توده فشرده لوله آلومینیومی شد -تکرار تلاش ناموفق

۱۹۷۲- رینر ویز (Rainer Weiss) در دانشگاه MIT به طور مستقل روشی اپتیکی برای شناسایی امواج پیشنهاد داد.

۱۹۷۴- ستاره‌شناسان  یک تپ اختر را که به دور یک ستاره نوترونی می‌چرخید و به نظر می‌رسید به خاطر گرانش کند می‌شود را کشف کردند. –که بعد‌ها جایزه نوبل هم گرفتند.

۱۹۷۹- سازمان علوم بین‌المللی (NSF)، موسسه تکنولوژی پاسادنا و MIT را برای توسعه و ساخت LIGO حمایت مالی کرد.

۱۹۹۰- NSF برای سرمایه‌گذاری ۲۵۰ میلیون دلار در آزمایش LIGO موافقت کرد.

۱۹۹۲- مکان‌هایی در واشنگتون و لوئیزیانا برای تأسیس LIGO انتخاب شد: ساخت و ساز ۲ سال بعد شروع شد

۱۹۹۵- ساخت و ساز در آشکار‌ساز امواج گرانشی GEO600 در آلمان شروع شد، که با LIGO شریک بود و سال ۲۰۰۲ ثبت داده‌ها را آغاز کرد.

۱۹۹۶- ساخت آشکارساز امواج گرانشی VIRGO در ایتالیا شروع شد، که از سال ۲۰۰۷ شروع به ثبت داده‌ها کرد.

۲۰۰۲ـ۲۰۱۰- اجرای LIGO برای اولین بار- هیچ موج گرانشی ثبت نشد.

۲۰۰۷- تیم‌های  LIGO و VIRGO برای به اشتراک‌گذاری داده‌ها و شکل‌دادن یک شبکه جهانی واحد برای آشکار‌ساز‌های امواج گرانشی توافق کردند.

۲۰۱۰ـ۲۰۱۵- ۲۰۵ میلیون دلار برای تقویت آشکارساز‌های LIGO

۲۰۱۵- LIGO پیشرفته‌شده در سپتامبر اجرای اولیه شد.

۲۰۱۶- در ۱۱ فوریه، تیم‌های NSF و LIGO موفقیت در آشکارسازی امواج گرانشی را اعلام کردند.

 

برای اطلاعات بیشتر درباره‌ی آزمایش‌های این رصد‌خانه می‌توانید به وبسایت آزمایشگاه LIGO مراجعه کنید: https://www.ligo.caltech.edu/

 

منابع:

محمد کاظمی

نویسنده: محمد کاظمی

۱۶ ساله، دانش‌آموز دبیرستان علامه حلی. علاقه‌مندی‌هایی که دارم هم فیزیک، الکترونیک، برنامه‌نویسی، ریاضی و ... (و البته خیلی چیز‌های دیگه که جا نمیشه!)

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *