“امواج گرانشی” چگونه شناسایی می‌شوند؟

MacTavish · 28/8/19

بیگ بنگ: اگر به مباحث فیزیک، نجوم و کیهان‌شناسی علاقه‌مند باشید حتماً اخبار کشف امواج گرانشی را در گوشه‌ کنار اینترنت خوانده‌اید. در این مطلب سعی می‌کنیم که شگفتی این پدیده و چگونگی شناسایی و دریافت آن را کمی برایتان کمی روشن‌تر کنیم.

به گزارش بیگ بنگ، اول اینکه بافت فضا انعطاف‌پذیر است. فضای سه‌بعدی که شما در آن قرار گرفته‌اید تنها یک “جای” خالی نیست بلکه فضا دارای تار و پودی انعطاف‌پذیر است و می‌تواند مانند خمیر نان شکل عوض کند. چیزی که باعث کشیده شدن یا تغیر شکل بافت فضا می‌شود جرم است. جرمِ ماده تنها چیزی است که بافت فضا را دچار تغیرشکل می‌کند. گرانش یا همان گرانش کیهانی چیزی جز انعطاف فضا در اثر وجود جرم نیست.

در شکل الف جرم A(فرضاً خورشید) در بافت فضا خمیدگی گودال مانندی ایجاد کرده است. در اثر این خمیدگی جرم B(فرضاً زمین) نیز که خود دارای خمیدگی کوچک‌تری است، در مدار گودال شکل A شروع به دوران می‌کند. گردش سیارات به دور خورشید و اجرام آسمانی به دور یکدیگر هم به همین دلیل است. پس تا اینجا فهمیدیم فضا قابلیت انعطاف دارد و جرم، این انعطاف را ایجاد می‌کند که حاصل آن گرانش یا نیروی گرانش هست. جالب است که بدانید تمام این مفاهیم را آلبرت اینشتین در سال‌های ۱۹۱۵ و ۱۹۱۶ پیش‌بینی کرده بود و مدل کنونی گرانش، فضا-زمان و بسیاری از مفاهیم کیهان‌شناسی مدرن بر پایۀ نظریات اینشتین هست.

شکل الف

موج گرانشی چیست؟

تا اینجا دانستیم که فضا مانند سطح آب یا ژله انعطاف‌پذیر است و جرم بر آن اثر می‌گذارد. خب اگر شما توپی را بر روی آب بیندازید چه خواهید دید؟ براثر برخورد توپ با آب امواج متعددی بر روی آب ایجاد می‌شد به همه طرف می‌روند. فضا نیز همین‌گونه است. اگر هرگونه اتفاق بزرگ و قدرتمندی مانند انفجار یک ستاره در کیهان رخ بدهد، این رویداد امواج گرانشی متعددی را در سطح فضا به همه طرف ایجاد می‌کند. در ۲۲ بهمن ۱۳۹۴ موسسه‌ی LIGO توانست ۱۰۰ سال پس از نظریات اینشتین، اولین موج گرانشی تاریخ را ثبت و شناسایی کند.

ماجرا از این‌ قرار بود که حدود ۱٫۳ میلیارد سال پیش دو سیاه‌چاله‌ی غول‌پیکر به همدیگر نزدیک شدند و پس از کمی چرخش به دور یکدیگر باهم برخورد کردند و ادغام شدند که حاصل آن‌ یک سیاه‌چاله بسیار بزرگ‌تر بود(شکل ب). این رویداد چنان عظیم و قدرتمند بود که امواج گرانشی زیادی را در سراسر کیهان ایجاد کرد. پس از ۱ میلیارد و ۳۰۰ میلیون سال امواج گرانشی این رویداد به زمین ما می‌رسد که دانشمندان موسسه‌ی لایگو آن را در سال ۱۳۹۴ شناسایی کردند. میزان انرژی آزاد شده از ادغام این دو سیاهچاله پنجاه برابر انرژی ستاره‌های کل کیهان قابل‌ مشاهده بود و در حدود بیست صدم ثانیه‌ای که امواج دریافت شدند انرژی معادل سه برابر کل جرم خورشید تولید شد.

شکل ب

وقتی‌که این امواج به اجسام سر راهشان برخورد کنند باعث می‌شود که آن جسم مانند یک توپ پلاستیکی فشرده و منبسط شود ولی این تغیر بسیار ناچیز است و جسم حتی کمتر از قطر یک اتم منقبض می‌شود. خب شاید برایتان سؤال شود که ما چگونه قادریم که این تغیر بسیار ناچیز در بافت فضا را اندازه‌گیری کنیم؟ خب راستش به‌ سختی! ولی نحوه کشف این امواج جالب‌تر از چیزی است که فکر می‌کنید.

چگونه شناسایی می شوند؟

خب بگذارید کاملاً توضیح دهیم. موسسه‌ لایگو دارای یک ابزار بسیار شگفت‌انگیز و بزرگ به نام آشکارساز موج گرانشی هست. که به شکل زیر است.

در شکل بالا مولد لیزر یک نور لیزر بسیار قوی را ایجاد می‌کند. این نور توسط تقسیم‌کننده به دو اشعه تقسیم می‌شود که هر اشعه به سمت یک آینه حرکت می‌کند و دو اشعه پس از برخورد با آینه‌ی خود به سمت تقسیم‌کننده برگشت می‌کنند. از آنجایی‌ که فاصله‌ی دو آینه با مولد لیزر یکسان است زمان رفت‌ و برگشت هر دو اشعه کاملاً یکسان هست طول‌ موج کاملاً یکسانی دارند. این به این معنا است که وقتی دو اشعه پس از برخورد با آینه بر می‌گردند با هم برخورد می‌کنند و همدیگر را خنثی می‌کنند در نتیجه حسگر نوری قادر نیست تا هیچ‌گونه نوری را حس و ثبت کند.

اما وقتی یک موج گرانشی به زمین و این دستگاه برخورد کنند و بافت فضا را کش‌ و قوس می‌دهد برای کسری از میلیونم از ثانیه و به‌اندازه قطر یک اتم، یکی از دو اشعه‌ی لیزر را کوتاه و بلند می‌کند. با این تغیر در فاصله و اندازۀ لیزر طول‌موج آن نیز به هم می‌خورد و با طول‌موج اشعه‌ی دیگر متفاوت می‌شود. درنتیجه به علت متفاوت بودن طول‌موج، دو اشعه دیگر همدیگر را در محل تقسیم‌کننده خنثی نمی‌کنند. در اینجا حسگر نوری فعال می‌شود چون بر اثر اختلاف طول‌ موج دو اشعه، توانسته تا یکی از دو اشعه را حس کند. در اینجا ما متوجه می‌شویم که چیزی بافت فضا را دست‌کاری کرده و آن چیز یک موج گرانشی قوی بوده است. پس امواج گرانشی که در ۱ میلیارد سال نوری دورتر ایجاد می‌شوند را این‌گونه اندازه می‌گیریم.

برخورد دو سیاهچاله آشکار شده توسط لایگو دریچه ای به فیزیک جدید

نکاتی جالب در مورد آشکارساز امواج گرانشی

برای امکان‌پذیر بودن این اندازه‌گیری فاصله‌ی دو آینه از مولد لیزر ۴ کیلومتر هست. این دستگاه قادر است که حرکت فضا را در مقیاس ۱۰ به توان -۱۸ یا یک ده‌ هزارم یک پروتون اندازه بگیرد. از آنجایی‌ که این دستگاه بسیار حساس و تأثیرپذیر است طراحی آن به شکلی است که اثرات محیطی مانند زلزله، آذرخش و دیگر رویدادهای زمینی را از معادله حذف کنند. به‌ عنوان‌ مثال دو تونل ۴ کیلومتری که هر کدام از اشعات لیزر در آن حرکت می‌کنند کاملاً از هرگونه ذرات مزاحم خالی‌ شده‌اند و دارای خلأ می‌باشند. دو آینه‌ی موجود در این دستگاه از صاف‌ترین و خالص‌ترین آینه‌های دنیا می‌باشند و هرکدام ۴۰ کیلوگرم وزن‌ دارند. علاوه بر این برای اطمینان کامل تنها یک دستگاه کفایت نمی‌کند.

تنها در آمریکا دو آشکارساز وجود دارد که یکی در لوئیزیانا و دیگری در واشنگتن واقع‌ شده است. اگر تنها یکی از حسگرها فعال شود یعنی موجی در کار نبوده و اختلال طبیعی پیش‌ آمده. ولی اگر هر دو حسگر با فاصلۀ ده‌ هزارم ثانیه هر هم فعال شوند می‌شود نتیجه گرفت که ‌موج گرانشی باعث آن شده است. برای اینکه اندازه‌گیری دقیق باشد باید لیزری تولید شود که تنها یک طول موج ثابت داشته باشد در غیر این صورت اندازه‌گیری تحریف فضا با لیزر متغیر مانند اندازه گرفتن طول با خط کشی است که مدام کوتاه و بلند می‌شود. طول موج تنظیم شدۀ لیزر لایگو ۱۰۶۴ نانومتر هست. انرژی که برای ایجاد لیزر به کار می رود معادل ۱ مگاوات هست. ۱ مگاوات انرژی مصرفی ۱۰۰۰ خانه هست که در یک اشعه لیزر مترکز شده است.