امواج گرانشی، سومین آشکار‌سازی

برخورد دو سیاهچاله

از زمان کشف تا به امروز، این سومین بار بود که امواج گرانشی مشاهده شدند.

برای اولین بار، در ماه سپتامبر سال ۲۰۱۵ خبری مهم در علم فیزیک پخش شد؛ چیزی که صد سال قبل آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت عام خود به آن اشاره کرده بود؛ رصدخانه تداخل‌سنج امواج گرانشی (لایگو) برای اولین بار موفق شد تا امواج گرانشی را مشاهده‌کند. (این مطلب را درباره‌ی کشف امواج گرانشی و طرز کار این رصدخانه‌ها بخوانید)

از آن روز تا حالا، این سومین بار است که امواج گرانشی مشاهده می‌شوند. داستان از چه قرار است؟ با ما همراه باشید…

برای بار سوم، دانشمندان امواج گرانشی را مشاهده کردند؛ نوسانی در فضا-زمان که توسط اجسام سنگینی که در فضا حرکت می‌کنند ایجاد می‌شود.

این‌بار هم مشاهده توسط لایگو (LIGO) یا همان رصدخانه تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) انجام شد؛ توسط همان گروه که سال گذشته برای اولین اندازه‌گیری امواج گرانشی در طول تاریخ در سر‌تیتر اخبار قرار گرفتند. با هر اندازه‌گیری جدید، لایگو بیشتر مطمئن می‌شود که اندازه‌گیری‌اش به صورت صداست، نه فقط نمودار‌هایی آماری. و حالا، پژوهشگران در تلاشند تا با استفاده از این سه مشاهده نکات بیشتری درباره‌ی فاصله‌ی اجسام درون فضا بیاموزند.

جمله‌ی معروفی وجود دارد: «یکبار شانسی است، دوبار اتفاقی است، و سه‌بار یک الگوست.» اکنون دانشمندان در تلاشند تا الگویی را برای این مشاهدات پیدا‌کنند.

همانند دو مشاهده‌ی اول، مشاهده اخیر هم مربوط به دو سیاهچاله بود که میلیارد‌ها سال نوری آنطرف‌تر در حال ادغام شدن بودند. سیاهچاله‌ها زمانی که ادغام می‌شوند، به سادگی به سمت هم نمی‌روند. آن‌ها به سرعت به دور هم می‌چرخند (در حد چند بار در ثانیه) و بعد از آن یک جسم فوق‌متراکم را می‌سازند . این چرخش فضا-زمان را موج‌دار می‌کند، و این موج‌ها سرتاسر جهان با سرعت نور حرکت می‌کنند.

دانشمندان LIGO در حال کار بر روی سوسپانسیون اپتیکی

کوک‌کردنِ سازِ جهان!

در اصل، راه جدید برای درک جهان، توانایی ما در شنیدن موسیقی متن آن است! امواج گرانشی واقعا امواج صوتی نیستند، اما قابل تشبیه به هم هستند. هر دو نوع موج، اطلاعاتی را به صورت مشابه با خود حمل می‌کنند، و هر دو پدیده‌ای کاملا مستقل از نور هستند.

امواج گرانشی موج‌هایی هستند که با خشونت و پر‌انرژی از فضا عبور می‌کنند. آن‌ها می‌توانند توسط اجسامی درست شوند که نمی‌درخشند و می‌توانند از گرد و غبار، ماده یا هر چیز دیگری عبور کنند، بدون اینکه جذب شوند و یا جهت خود را تغییر دهند. آن‌ها اطلاعات منحصر‌به‌فردی درباره‌ی منبعشان منتقل می‌کنند و حسی را به ما می‌دهند که از هیچ راه دیگری نمی‌توان به دست آورد، زیرا تلسکوپ‌ها نمی‌توانند اشیائی را ببینند که از خود نوری منتشر نمی‌کنند. با هربار که این اتفاق می‌افتد، می‌توانیم اطلاعاتی مانند جرم سیاهچاله‌ها، سرعت چرخش آن‌ها و مکان آن‌ها را به دست آوریم. این اطلاعات به ما اجازه می‌دهند که بفهمیم این اجسام چگونه شکل می‌گیرند و درون کیهان تکامل می‌یابند.

درحالی که قبلا شواهد قوی‌ای برای وجود سیاهچاله‌ها داشتیم (مانند تأثیر گرانش آن‌ها بر ستاره‌ها و گاز‌ها) اطلاعاتی که از امواج گرانشی به دست می‌آوریم برای یادگرفتن درباره‌ی ریشه‌ی این رویداد‌ها بسیار ارزشمند‌اند.

 

نمایی از رصد‌خانه امواج گرانشی LIGO در ایالت لوئیزیانا
نمایی از رصد‌خانه امواج گرانشی LIGO در ایالت لوئیزیانا

 

تمام امواج گرانشی به شکل یک «جیر جیر» هستند که دامنه (بلندی) صدا و فرکانس آن‌ها با زمان افزایش می‌یابد. هر چند ویژگی‌های دقیق سیاهچاله‌ها و نحوه برخورد در طول زمان در جزئیات دقیق این صدا مخفیست.

شکل امواج گرانشی که مشاهده می‌کنیم، به ما اطلاعاتی می‌دهد که نمی‌توانیم با روش دیگری آن را به دست آوریم. با سه آشکار‌سازی مطمئن نخست LIGO، ما دریافته‌ایم که سیاهچاله‌ها از چیزی که قبلا فکر می‌کردیم فراوان‌ترند و رایج‌ترین نوع، که از فروپاشی ستاره‌های سنگین درست می‌شود، بیشتر از چیزی که قبلا فکر می‌کردیم ممکن است روی می‌دهد. این اطلاعات به ما کمک می‌کند بفهمیم ستاره‌های سنگین چگونه تکامل می‌یابند و می‌میرند.

سه برخوردی که LIGO ثبت کرده‌است
سه برخوردی که LIGO ثبت کرده‌است (GW150914, GW151226, GW170104) و یک مشاهده که اطمینان آن کم است (LVT151012).
اشاره‌به جمعیت سیاهچاله‌های دوتایی بزرگ که بعد از ادغام جرمی بیشتر از ۲۰ برابر جرم خورشید دارند (بزرگ‌تر از چیزی که قبلا فکر می‌کردیم!) پایین تصویر سمت چپ سیاهچاله‌هایی هستند که قبلا با مشاهدات اشعه x به دست آمده‌اند و جرم آن‌ها کمتر از ۲۰ برابر خورشید است.

سیاهچاله‌ها کمتر از یک جعبه سیاه می‌شوند

رویداد اخیر، که در ۴ ژانویه ۲۰۱۷ رخ داده است، دورترین فاصله‌ای است که تا کنون مشاهده شده‌است. از آنجایی که امواج گرانشی با سرعت نور سفر می‌کنند، زمانی که ما به اجسام خیلی دور نگاه می‌کنیم، داریم به زمان‌های گذشته هم می‌نگریم. پس رویداد اخیر، قدیمی‌ترین رویدادی هم بود که تا کنون آشکار‌سازی کرده‌ایم. این برخورد بیش از ۲ میلیارد سال قبل رخ داده‌است. در آن زمان، جهان ۲۰٪ کوچک‌تر از امروز بود و حتی زندگی تک‌سلولی هم بر روی زمین وجود نداشت.

جرم سیاهچاله‌ی نهایی حاصل از رویداد ۵۰ برابر جرم خورشید بود. قبل از این، رویداد اول هم مشاهده شده بود که ۶۰ برابر جرم خورشید وزن داشت. ستاره‌شناسان فکر نمی‌کردند سیاهچاله‌هایی به این سنگینی بتوانند به این صورت شکل بگیرند. در حالی که برخورد دوم تنها ۲۰ برابر جرم خورشید بود، تشخیص یک رویداد فوق‌العاده بزرگ دیگر به ما نشان می‌دهد نه‌تنها این سامانه‌ها وجود دارند، بلکه ممکن است بسیار رایج هم باشند.

علاوه بر جرم آن‌ها، سیاهچاله‌ها چرخش هم دارند و این چرخش آن‌ها، بر شکل امواج تأثیر می‌گذارد. اندازه‌گیری تأثیر چرخش سخت‌تر است. اما رویداد اخیر نه‌تنها چرخش را نشان می‌دهد، بلکه شواهدی دارد که نشان می‌دهد این چرخش در جهت مدار دوتایی نیست. اگر چنین به‌هم‌خوردگی‌هایی در رویداد‌های آینده به طور قوی‌تر بررسی شوند، در درک ما از چگونگی شکل‌گیری جفت سیاهچاله‌ها تأثیر قابل توجهی دارند.

در سال‌های آینده ما ابزار‌هایی مانند liGO در ایتالیا، ژاپن و هند خواهیم داشت که به امواج گرانشی گوش خواهند داد و به یادگیری ما درباره‌ی منبع امواج کمک بیشتری می‌کنند. همچنین دانشمندان منتظر اولین مشاهده‌ی جفت‌هایی هستند که حداقل یکی از آن‌ها ستاره‌ی نوترونی است (نوعی ستاره‌ی چگال که به اندازه‌ی کافی برای فروپاشی و تشکیل سیاهچاله سنگین نیست)

بیشتر ستاره‌شناسان پیش‌بینی کرده بودند که جفت ستاره‌های نوترونی قبل از جفت سیاه‌چاله‌ها مشاهده می‌شوند؛ بنابراین اینکه بعد از چند مشاهده هنوز خبری از آن‌ها نیست می‌تواند نظریه‌پردازان را به چالش دعوت کند. تشخیص تصادفی آن‌ها احتمالات جدیدی برای اکتشافات فراهم می‌کند؛ از جمله پیش‌بینی درک بهتر حالت به‌شدت چگال ماده و به طور بالقوه مشاهده‌ی یک امضای نوری منحصر‌به‌فرد با استفاده از تلسکوپ‌های معمولی از همان منبعی که امواج گرانشی از آن منتشر می‌شوند.

همچنین انتظار داریم در طول چند سال آینده امواج گرانشی را از فضا با استفاده از ساعت‌های بسیار دقیق طبیعی به نام تپ‌اختر‌ها که موجب تابش اشعه‌ی ماوراء بنفش در فواصل منظمی می‌شوند، شناسایی کنیم. در نهایت قصد داریم تا یک تداخل‌سنج بسیار بزرگ را در مدار قرار دهیم تا از دست سر‌و‌صدای زمین و نویز‌ها فرار کنیم.

تقریبا هر وقت دانشمندان تلسکوپ‌ها یا شتابدهنده‌های ذرات جدید ساخته‌اند، چیز‌هایی را کشف کرده‌اند که هیچ کس نمی‌توانست آن‌ها را پیش‌بینی کند. همانطور که ما برای اکتشافات جدید در این زمینه هیجان‌زده‌ایم، به دنبال چیز‌های ناشناخته‌ای هستیم که منتظر ما هستند…

 

برای اطلاعات بیشتر در مورد اولین مشاهده‌ی امواج گرانشی و طرز کار رصد‌خانه‌ی LIGO به این مقاله از سایت مراجعه کنید.

 

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 *