نگاهی به کشف بزرگ امواج گرانشی سیاه چاله های فضایی

MacTavish · 10/9/19

همانطور که پیش از این به اطلاع شما رساندیم ، امواج گرانشی به طور مستقیم یافته شدند.این امواج در ماه سپتامبر گذشته، همزمان توسط هر دو آشکارساز رصدخانه ی امواج گرانشی با تداخل سنج لیزری (LIGO، لیگو) که در واشنگتن و لوییزیانا بر پا شده اند شناسایی شده و خبرش روز گذشته اعلام شد.پس از بررسی ها و بازبینی های چندین باره و دامنه دار، سرانجام دانشمندان دیروز این دستاورد را با امتیاز “۵ سیگما” (بالاترین امتیاز در یافته های علمی) در نشستی خبری به آگاهی همگان رساندند.این امواج گرانشی با اندازه ای بسیار نزدیک به مقدار چشمداشتی، در پی ادغام دو سیاهچاله که در یک مارپیچ مرگ به یکدیگر نزدیک می شدند گسیلیده شد. سیاهچاله ی تازه ای که از آن دو شکل گرفت در یک لحظه، لرزشی سریع به وجود آورد که روی زمین نیز حس شد.این یافته ی تاریخی که آلبرت انیشتین ۱۰۰ سال پیش آن را پیش بینی کرده بود، تاییدیست بر شناخت بنیادین بشر از گرانش و فیزیک پایه. و نکته ی دیگر این که، سرراست ترین تایید از وجود سیاهچاله ها نیز بود.

پژوهشگران رصدخانه ی تداخل سنج لیزری امواج گرانشی (LIGO، لیگو) دیروز ۱۱ فوریه اعلام کردند که توانسته اند برای نخستین بار امواج گرانشی را دریافت و آشکار کنند. این امواج چین و شکن هایی در بافت فضا-زمان هستند که وجودشان نخستین بار ۱۰۰ سال پیش در نظریه ی پرآوازه ی نسبیت عام آلبرت اینشتین پیش بینی شده بود.

در بخش بالای تصویری که اینجا می بینید و در واقع یک برداشت هنری است، دو سیاهچاله ی ادغام شونده را می بینید. پایین تصویر، سیگنال هایی نشان داده که که به مدت ۰.۳ ثانیه توسط هر دو آشکارساز لیگو دریافت شدند (هر کدام به یک رنگ).

امواج دریافتی که حدود ۱.۳ میلیارد سال پیش، توسط دو سیاهچاله ی میان-وزن پدید آمده بودند، پس از سفری با سرعت نور، سرانجام در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ به زمین رسیدند و توسط آشکارسازهای غول پیکر رصدخانه ی لیگو به شکل سیگنالی کوتاه دریافت شدند.

یکی از کارشناسان لیگو در حال کار بر روی یکی از آشکارسازهای این رصدخانه

آشکارسازهای ابَر-حس‌مند

آشکارسازهای لیگو در لیوینگستون لوییزیانا و هنفورد واشنگتن جای دارند. هر یک از آن ها از ساختاری غول پیکر و L-مانند به درازای ۴ کیلومتر درست شده. بازوهای هر آشکارساز در دو انتهایشان آینه هایی دارند که باریکه ای از پرتوی لیزر را به گونه ای پیوسته به پس و پیش می تابانند.

اگر در زمان بازتاب، باریکه های لیزر همزمان به انتهای دیگر برسند همدیگر را حذف می کنند و بدین ترتیب هیچ سیگنالی در آشکارساز نور دستگاه ثبت نمی شود. این سناریوی چشمداشتی معمول بود. ولی اگر یکی از آن ها دیرتر از دیگری باز بتابد، سیگنالی تولید می شود که می تواند نشانه ای از بک موج گرانشی باشد.

تصویر خیالی از امواج گرانشی ناشی از سیاهچاله ها

امواج گرانشی بافت فضازمان را برآشفته می کنند. اگر یکی از آن ها از درون یک آشکارساز لیگو بگذرد، فضا-زمان را “کش می دهد”. در نتیجه فضای یکی از بازوهای L به اندازه ی بسیار کمی بلندتر شده و فضای بازوی دیگر فشرده و کوتاه تر می شود. “گذشتن از درون” اصطلاحی بسیار بجاست زیرا امواج گرانشی برهم کنش معناداری با ماده انجام نمی دهند، بلکه تاثیر اصلیشان روی بافت فضاست.

البته به گفته ی اعضای گروه پروژه، صفت “بسیار کم” نمی تواند ناچیز بودنِ این تغییر فاصله را به خوبی نشان دهد. اثری که لیگو در سپتامبر گذشته حس کرد نزدیک به یک میلیونیمِ یک میلیونیمِ یک میلیونیمِ متر بود -یعنی حدود یک هزارم قطر یک پروتون.

دیوید رایتسه از بنیاد فناوری کالیفورنیا (کلتک، CalTech) و مدیر اجرایی آزمایشگاه لیگو برای بهتر نشان دادن این گونه حس‌مندی در نشست رسانه ای دیروز گفت که فناوری لیگو از دید نظری می تواند فاصله ی خورشید تا نزدیک ترین ستاره، یعنی پروکسیما قنطورس که حدود ۴.۲۵ سال نوری از ما دورتر است را “با دقتی نزدیک به قطر موی انسان” اندازه بگیرد.

وی افزود: «لیگو دقیق ترین دستگاه اندازه گیری است که تاکنون ساخته شده.»

رسیدن به این سطح حس‌مندی آسان نیست. برای نمونه، فضای درون بازوهای آشکارسازها که باریکه ی لیزر در آن ها جابجا می شود نزدیک به خلاء کامل است. به گفته ی اعضای گروه، آینه های بازتابنده ی این بازوها از آونگ هایی با یک ساختمان آویزشی پیچیده ی چهارگانه آویخته شده که باعث می شود آن ها از لرزش و تلنگر های روزمره ای که روی سطح زمین رخ می دهد در امان باشند.

افزون بر آن، این دستاورد پیشگامانه بدون یک بازسازی چشمگیر در آشکارسازهای لیگو که میان سال های ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۰ برای آشکارسازی امواج گرانشی انجام شد امکان نداشت. سپس یک وقفه ی کاری پنج ساله در این پروژه رخ داد تا اعضای گروه بتوانند با بازسازی و به روزرسانی دستگاه هایش، یک “لیگوی پیشرفته” (Advanced LIGO) به دست آورند.

نمایندگان پروژه گفتند که لیگوی پیشرفته دارای حس‌مندی ۱۰ برابر چشم انداز آغازینش است. دستگاه به روز شده نخستین رشته از مشاهده های رسمی خود را در سپتامبر ۲۰۱۵ آغاز کرد- چند روز پس از این آشکارسازی تاریخی که در واقع به هنگام راه اندازی آزمایشی آن انجام شده بود.

این حقیقت که لیگوی پیشرفته پس از راه افتادن، به این زودی کارش را آغاز کرد نشان می دهد که سامانه اش در آینده ی نزدیک امواج گرانشی بیشتری را دریافت و آشکار خواهد کرد.

کیپ ثورن، فیزیکدان سرشانس کلتک و یکی از بنیانگزاران لیگو می گوید: «ما باید امسال امواج گرانشی بیشتری را ببینیم.»

تایید این دستاورد

سیگنال ۱۴ سپتامبر توسط هر دو آشکارساز لیگو و با اختلاف زمانی ۷ هزارم ثانیه دریافت شد. این آشکارسازی دوگانه به اعضای گروه اطمینان داد که یک رویداد اخترفیزیکی واقعی را آشکار کرده اند، نه سیگنالی که در اثر شرایط محیطی پدید آمده باشد.

ولی به گفته ی اعضای گروه، این آشکارسازی می توانست توضیح های دیگری هم داشته باشد که رد کردنشان دردسر بزرگی بود: بررسی موشکافانه ی انواع داده های آشکارساز و بروندادِ دستگاه های پرشماری که لرزش ها، تداخل های رادیویی و بسیاری از سرچشمه های احتمالی دیگر برای این “نویز” که می توانستند خود را همانند سیگنال امواج گرانشی نشان دهند را اندازه می گرفتند.

راینر وایس از بنیاد فناوری ماساچوست (ام‌آی‌تی، MIT) و یکی از بنیانگزاران لیگو هم گفت: «زمان زیادی برد تا این [دستاورد] تایید شود، و بخشی از دلیلش هم همین بود.»

به گفته ی گابریلا گونزالس، استاد فیزیک و اخترشناسی دانشگاه ایالتی لوییزیانا و سخنگوی گروه علمی لیگو، این سیگنال همچنین همخوانی نزدیکی با مدل های ابررایانه ای از ادغام سیاهچاله ها داشت.

جزییات این سیگنال به گروه لیگو امکان داد تا جرم دو سیاهچاله ی ادغام شده را برآورد کنند: ۲۹ و ۳۶ برابر جرم خورشید. ولی تک سیاهچاله ای که از این پیوند به وجود آمد تنها حدود ۶۲ برابر خورشید جرم داشت.

گونزالس می گوید: «دلیل تفاوت این بود که این دو سیاهچاله در پی برخورد، انرژی‌ای هم ارز ۳ برابر جرم خورشید -به شکل امواج گرانشی- آزاد کردند. این انرژی هنگفتی است و می توانیم بگوییم که همه ی آن در کسر کوچکی از ثانیه گسیلیده شد.»

به گفته ی گونزالس، جزییات بیشتر نهفته در سیگنال نشان داد که چشمه ی این امواج حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارد. درنگ (تاخیر) زمانی میان سیگنال هایی که توسط آشکارسازهای لوییزیانا و واشنگتن ثبت شد هم اطلاعات بیشتری را نمایان کرد و گروه لیگو توانستند با بهره از آن، به روش مثلث‌سازی جای چشمه ی امواج را هم تا اندازه ای تعیین کنند.

گونزالس گفت:«ما توانستیم بفهمیم که این چشمه در آسمان نیمکره ی جنوبی جای دارد، در راستای تقریبی ابر ماژلان.»

گروه لیگو یافته های خود را در شماره ی تازه ی نشریه ی Physical Review Letters منتشر کرده اند.

پروژه ی لیگو توسط دانشمندانی از کلتک و ام‌آی‌تی اداره می شود و سرمایه گذاری آن هم از سوی بنیاد ملی دانش آمریکا انجام شده.