شناسایی دوباره امواج گرانشی: گام بلندی به سوی درک ژرفتر از کیهان
در یکی از مهمترین لحظات تاریخ علم، گروهی بینالمللی از دانشمندان در روز چهارشنبه بیست و ششم خرداد اعلام کردند که برای دومین بار در تاریخ، موفق به شناسایی امواج گرانشی شدهاند. این کشف تاریخی که پس از رصد اولیه در ماههای گذشته انجام شد، نشان میدهد که بشر وارد دورانی کاملاً نوین در فهم کیهان شده است.
امواج گرانشی، امواجی هستند که در بافت فضا-زمان حرکت میکنند و دوباره در محیط پیرامون زمین رصد شدهاند. این شناسایی دوم نه تنها اعتبار کشف اول را تأیید میکند، بلکه نشان میدهد که ما اکنون ابزارها و دانش لازم برای گوش دادن به صدای کیهان را در اختیار داریم. تا پیش از این، تنها میتوانستیم کیهان را ببینیم؛ اما اکنون میتوانیم آن را بشنویم.
امواج گرانشی چیست؟ پیشبینی آلبرت اینشتین که به واقعیت پیوست
برای درک عمیق این دستاورد علمی، باید به حدود یک قرن پیش بازگردیم. آلبرت اینشتین، یکی از بزرگترین فیزیکدانان تاریخ، در سال ۱۹۱۶ میلادی و از طریق نظریه انقلابی خود به نام نسبیت عام، وجود امواج گرانشی را پیشبینی کرد. این نظریه که یکی از بنیادیترین تئوریهای فیزیک مدرن به شمار میرود، بیان میکند که جرم و انرژی میتوانند هندسه و ساختار فضا-زمان را خم کنند.
به زبان ساده، فضا-زمان را میتوان به عنوان یک شبکه یا پارچهای چهاربعدی تصور کرد که تمام کیهان را در بر میگیرد. هنگامی که جسمی با جرم زیاد مانند یک ستاره یا سیاهچاله در این شبکه قرار میگیرد، وزن آن باعث خمیدگی فضا-زمان میشود؛ درست مانند گلولهای که روی یک ترامپولین کشیدهشده قرار گیرد و سطح آن را فرو ببرد.
امواج گرانشی در واقع همان تکانهها و انحناهای ریزی هستند که زمانی در این شبکه فضا-زمان به وجود میآیند که اجسام بسیار سنگینی مانند سیاهچالهها یا ستارههای نوترونی به سرعت حرکت کنند، به هم برخورد کنند یا به دور هم بچرخند. این امواج با سرعت نور در تمام کیهان منتشر میشوند و میتوانند از میان هر چیزی عبور کنند.
اینشتین این پدیده را به موجهایی تشبیه کرد که وقتی سنگی را به درون آب میاندازید، روی سطح آب ایجاد میشوند. تفاوت اینجاست که این امواج به جای حرکت در آب، در خود بافت فضا-زمان حرکت میکنند و از هیچ چیزی متوقف نمیشوند.
چرا شناسایی امواج گرانشی تا کنون غیرممکن بود؟
یکی از دلایلی که شناسایی امواج گرانشی بیش از یک قرن طول کشید، این است که این امواج بسیار ضعیف و کوچک هستند. حتی قویترین امواج گرانشی که از برخورد دو سیاهچاله غولپیکر تولید میشوند، تنها میتوانند فضا را به اندازهای کمتر از یک هزارم قطر یک پروتون تغییر دهند.
برای درک این عدد، باید بدانیم که پروتون خود یکی از ذرات بسیار کوچک اتم است. بنابراین، رصد چنین تغییرات بسیار ریزی نیازمند دستگاههایی با حساسیت فوقالعاده بالا بود که تا اوایل قرن بیست و یکم، چنین تکنولوژیای در دسترس نبود.
همین امر باعث شد تا دههها، بسیاری از دانشمندان حتی به امکان رصد مستقیم امواج گرانشی شک داشته باشند. خود اینشتین نیز گاهی تردید داشت که آیا این امواج واقعاً قابل شناسایی خواهند بود یا خیر.
جزئیات دومین رصد تاریخی: برخوردی در اعماق کیهان
اولین بار در ماه فوریه سال ۲۰۱۶ میلادی بود که جامعه علمی جهان با خبری تکاندهنده مواجه شد. دانشمندان اعلام کردند که برای نخستین بار در تاریخ، توانستهاند امواج گرانشی را به طور مستقیم رصد کنند. این امواج که در ماه سپتامبر سال ۲۰۱۵ به زمین رسیده بودند، حاصل برخورد دو سیاهچاله بودند که حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری از ما فاصله داشتند.
اما داستان به همینجا ختم نشد. محققان اکنون اعلام کردهاند که در ماه دسامبر سال ۲۰۱۵، یعنی تنها سه ماه پس از رصد اول، امواج گرانشی دیگری را شناسایی کردهاند. این بار منشأ امواج، برخورد و ادغام دو سیاهچاله عظیم در فاصله حدود ۱.۴ میلیارد سال نوری از زمین بوده است.
برای درک بهتر این اعداد، باید بدانیم که یک سال نوری معادل مسافتی است که نور در یک سال طی میکند؛ یعنی حدود ۹.۵ تریلیون کیلومتر. بنابراین، این رویداد در فاصلهای حدود ۱۳.۳ تریلیون تریلیون کیلومتری از ما رخ داده است؛ عددی که تقریباً غیرقابل تصور است.
ویژگیهای سیاهچالههای درگیر در برخورد
بر اساس تحلیل دادهها، دو سیاهچالهای که در این رصد دوم شناسایی شدند، جرمهایی معادل ۱۴ و ۸ برابر جرم خورشید داشتند. این دو جسم عظیم با سرعتی نزدیک به نیمی از سرعت نور به دور هم میچرخیدند و سرانجام با یکدیگر برخورد کردند و یک سیاهچاله جدید با جرمی معادل ۲۱ برابر جرم خورشید تشکیل دادند.
نکته جالب توجه این است که جرم سیاهچاله نهایی (۲۱ برابر خورشید) کمتر از مجموع جرم دو سیاهچاله اولیه (۱۴ + ۸ = ۲۲) است. این جرم از دست رفته (معادل یک جرم خورشیدی) به صورت انرژی امواج گرانشی آزاد شد؛ انرژی عظیمی که توانست در بافت فضا-زمان تکانههایی ایجاد کند که ۱.۴ میلیارد سال بعد به زمین رسید.
لیگو (LIGO): چشمان و گوشهای جدید بشر برای شنیدن کیهان
این کشف بزرگ بدون ساخت یکی از پیشرفتهترین و حساسترین ابزارهای علمی تاریخ بشر ممکن نبود. رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری یا به اختصار لیگو، پروژهای چند میلیارد دلاری است که نتیجه همکاری صدها دانشمند از سراسر جهان میباشد.
لیگو از دو رصدخانه عظیم تشکیل شده که یکی در شهر لیوینگستون در ایالت لوئیزیانا و دیگری در شهر هانفورد در ایالت واشنگتن آمریکا واقع شدهاند. این دو مرکز حدود ۳۰۰۰ کیلومتر از یکدیگر فاصله دارند و هر کدام دارای دو تونل ۴ کیلومتری هستند که به صورت عمود بر هم قرار گرفتهاند.
چگونه لیگو امواج گرانشی را شناسایی میکند؟
اصل کار لیگو بر پایه تداخلسنجی لیزری است. در هر تونل، یک پرتو لیزر فوقالعاده دقیق به طور مداوم در حال رفت و آمد است. زمانی که یک موج گرانشی از زمین عبور میکند، طول یکی از تونلها را به میزان بسیار کمی (کمتر از یک هزارم قطر پروتون) تغییر میدهد.
این تغییر ریز باعث میشود که پرتوهای لیزر در دو تونل دیگر دقیقاً همزمان به انتها نرسند و الگوی تداخلی آنها تغییر کند. این تغییر الگو توسط حسگرهای بسیار حساس ثبت میشود و سیگنال آن به رایانههای قدرتمند ارسال میشود.
اما چرا دو رصدخانه نیاز است؟ دلیل اصلی این است که زمین مدام در حال لرزیدن است. عبور کامیونها در جادههای اطراف، امواج دریا، زلزلههای کوچک و حتی حرکت باد میتوانند لرزشهایی ایجاد کنند که ممکن است با سیگنال امواج گرانشی اشتباه گرفته شوند.
با داشتن دو رصدخانه در فاصله ۳۰۰۰ کیلومتری، دانشمندان میتوانند سیگنالهای محلی را از سیگنالهای کیهانی جدا کنند. اگر یک سیگنال به طور همزمان در هر دو رصدخانه با الگوی مشابه ثبت شود، احتمال اینکه منشأ آن یک موج گرانشی واقعی از اعماق فضا باشد، بسیار بالا میرود.
دقت فوقالعاده لیگو: اندازهگیری کوچکتر از اتم
برای درک بهتر توانایی شگفتانگیز لیگو، باید بدانیم که این دستگاه میتواند تغییرات طولی را در حد یک دهم هزارم قطر یک پروتون اندازهگیری کند. برای مقایسه، اگر فاصله زمین تا نزدیکترین ستاره (که حدود ۴۰ تریلیون کیلومتر است) را در نظر بگیریم، لیگو میتواند تغییرات به اندازه ضخامت یک مو در این فاصله عظیم را تشخیص دهد.
این سطح از دقت تنها با استفاده از پیشرفتهترین تکنولوژیهای لیزری، سیستمهای خلأ فوقالعاده تمیز، آینههای با خلوص بالا و سیستمهای جداسازی لرزش ممکن شده است.
آینده نجوم گرانشی: پاسخ به معماهای بزرگ کیهان
شیلا رُوان، از اعضای ارشد این تیم بینالمللی و مدیر مؤسسه تحقیقات گرانشی در دانشگاه گلاسکو، درباره اهمیت این کشف دوم توضیح داد. او گفت که با توجه به این رصد دوم، اکنون میتوانیم به طور جدی به پاسخ دادن به برخی از مهمترین پرسشهای ستارهشناسی و کیهانشناسی بپردازیم.
یکی از معماهای بزرگی که هنوز به طور کامل حل نشده، این است که سیستمهای دوتایی سیاهچاله چگونه شکل میگیرند. آیا این سیاهچالهها از ابتدا به صورت جفت تشکیل شدهاند یا در طول زمان و در نتیجه برخوردهای تصادفی کنار هم قرار گرفتهاند؟ آیا آنها در مراکز کهکشانها یا در مناطق دیگر شکل میگیرند؟
پرسشهای بزرگی که امواج گرانشی میتوانند پاسخ دهند
نجوم گرانشی درهای بسیاری را به روی علم باز میکند. دانشمندان امیدوارند با استفاده از این فناوری جدید، به سؤالات زیر پاسخ دهند:
- چگونه سیاهچالهها شکل میگیرند و تکامل مییابند: با مطالعه فرکانس، دامنه و شکل امواج گرانشی که از برخورد سیاهچالهها تولید میشوند، میتوان به فرآیند شکلگیری این اجرام مرموز پی برد. همچنین میتوان فهمید که آیا سیاهچالههای کوچک میتوانند با ادغام شدن به سیاهچالههای غولپیکر تبدیل شوند یا خیر.
- رازهای ماده تاریک و انرژی تاریک: ماده تاریک و انرژی تاریک حدود ۹۵ درصد کیهان را تشکیل میدهند اما هنوز نمیدانیم آنها دقیقاً چه هستند. شاید بتوان از طریق تأثیر این امواج بر ساختار بزرگ مقیاس کیهان و نحوه انتشار آنها، سرنخهایی درباره ماهیت این پدیدههای مرموز پیدا کرد.
- بررسی ستارههای نوترونی و ماده فوقمتراکم: ستارههای نوترونی، متراکمترین اجسام شناختهشده در کیهان هستند. یک قاشق چایخوری از ماده یک ستاره نوترونی میتواند میلیاردها تن وزن داشته باشد. ادغام این ستارهها نیز امواج گرانشی قوی تولید میکند که میتواند اطلاعات بسیار ارزشمندی درباره رفتار ماده در شرایط فشار و دمای فوقالعاده بالا به ما بدهد.
- نگاهی به لحظات اولیه کیهان: یکی از هیجانانگیزترین امکانات، رصد امواج گرانشی است که در لحظات بسیار ابتدایی پس از مهبانگ تولید شدهاند. این امواج میتوانند اطلاعاتی درباره نحوه شکلگیری کیهان و شرایط آن در چند میکروثانیه اول به ما بدهند؛ اطلاعاتی که از هیچ راه دیگری قابل دسترسی نیست.
- آزمایش نظریه نسبیت عام اینشتین: هر رصد جدید امواج گرانشی، فرصتی برای آزمایش دقیقتر نظریه نسبیت عام است. تاکنون این نظریه تمام آزمایشها را با موفقیت پشت سر گذاشته، اما هنوز ممکن است در شرایط شدیدتر نیاز به تغییرات یا تکمیل داشته باشد.
- شناسایی ابرنواخترها و انفجارهای کیهانی: برخی انفجارهای ستارهای نیز ممکن است امواج گرانشی قابل رصد تولید کنند. شناسایی این امواج میتواند به درک بهتر مکانیزمهای فیزیکی که منجر به مرگ ستارگان میشوند، کمک کند.
توسعه شبکه جهانی رصدخانههای امواج گرانشی
لیگو تنها آغاز یک شبکه جهانی است. در حال حاضر، رصدخانههای دیگری در اروپا (ویرگو در ایتالیا)، ژاپن (کاگرا) و هند (LIGO-India) در حال ساخت یا برنامهریزی هستند. با داشتن چندین رصدخانه در نقاط مختلف جهان، دانشمندان میتوانند نه تنها امواج گرانشی را با دقت بیشتری شناسایی کنند، بلکه محل دقیق منشأ آنها در آسمان را نیز تعیین کنند.
این اطلاعات به تلسکوپهای نوری، رادیویی و پرتو ایکس اجازه میدهد تا به سرعت به آن ناحیه از آسمان بنگرند و شاید شاهد نور یا پرتوهای دیگری باشند که همراه با امواج گرانشی تولید شدهاند. این ترکیب رصدهای مختلف، که به آن «نجوم چندپیامی» میگویند، میتواند درک ما از کیهان را به طور کامل متحول کند.
چالشها و محدودیتهای فعلی
با وجود این موفقیتهای چشمگیر، هنوز چالشهای زیادی پیش روی نجوم گرانشی وجود دارد. یکی از بزرگترین محدودیتها این است که فناوری فعلی فقط میتواند امواج گرانشی با فرکانسهای خاصی را شناسایی کند.
برای رصد امواج با فرکانسهای پایینتر که از اجسام بزرگتر مانند سیاهچالههای ابرعظیم در مرکز کهکشانها تولید میشوند، نیاز به رصدخانههایی در فضا داریم. پروژه LISA که توسط آژانس فضایی اروپا برنامهریزی شده، قرار است سه فضاپیما را در فاصله میلیونها کیلومتری از هم قرار دهد تا بتوانند این امواج کمفرکانس را شناسایی کنند.
چالش دیگر، حجم عظیم دادههای تولیدشده است. لیگو در هر روز مقدار زیادی داده تولید میکند که نیاز به تحلیل دقیق دارد. تفکیک سیگنالهای واقعی از نویزهای محیطی نیازمند الگوریتمهای پیچیده رایانهای و قدرت پردازشی بالاست.
تأثیر امواج گرانشی بر آینده علم و فناوری
کشف و رصد امواج گرانشی نه تنها در نجوم، بلکه در حوزههای دیگر علم و فناوری نیز تأثیرگذار خواهد بود. تکنولوژیهای توسعهیافته برای ساخت لیگو، مانند لیزرهای فوقدقیق، سیستمهای جداسازی لرزش و سنسورهای حساس، کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف دارند.
همچنین روشهای تحلیل داده و پردازش سیگنال که برای تشخیص امواج گرانشی توسعه یافتهاند، میتوانند در زمینههایی مانند پزشکی (تشخیص بیماریها)، مهندسی (تشخیص عیوب در سازهها) و حتی امنیت (شناسایی انفجارها و زلزلهها) استفاده شوند.
نتیجهگیری: آغاز عصر طلایی کیهانشناسی
دانشمندان نتایج یافتههای خود را در نشست انجمن نجوم آمریکا در شهر سن دیهگو کالیفرنیا اعلام کردند و مقاله علمی آن را در نشریه معتبر فیزیکال ریویو لترز منتشر کردهاند.
شناسایی دوم امواج گرانشی نشان میدهد که این پدیدهها در کیهان بسیار رایجتر از آنچه پیشتر تصور میشد، هستند. حالا که توانایی شناسایی آنها را داریم، میتوانیم انتظار داشته باشیم که در آینده نزدیک، رصدهای بسیار بیشتری انجام شود.
این دستاوردها نشاندهنده آغاز عصری جدید در کیهانشناسی است؛ عصری که در آن نه تنها میتوانیم کیهان را ببینیم، بلکه میتوانیم به صدای آن نیز گوش دهیم. ترکیب نجوم نوری سنتی با نجوم گرانشی جدید، دریچههای بیشماری به روی دانش بشر باز میکند و ما را قادر میسازد تا رازهای کیهان را بهتر از هر زمان دیگری کشف کنیم.
پیشبینی اینشتین که یک قرن پیش انجام شد، اکنون به واقعیتی قابل اندازهگیری و مطالعه تبدیل شده است. این موفقیت نه تنها نشاندهنده قدرت تئوریهای فیزیکی و ریاضی است، بلکه گواه بر توانایی بشر در ساخت ابزارهایی است که میتوانند کوچکترین تغییرات در ساختار کیهان را تشخیص دهند.
با توجه به برنامههای آتی برای ارتقای حساسیت لیگو و ساخت رصدخانههای جدید در سراسر جهان و حتی در فضا، میتوان انتظار داشت که در سالهای آینده، شاهد کشفیات شگفتانگیز بیشتری باشیم که درک ما از کیهان، منشأ آن و سرنوشت نهاییاش را به طور بنیادی تغییر دهند.
نظرات
0دیدگاه خود را ثبت کنید
برای ارسال نظر و مشارکت در گفتگو، لطفا وارد حساب کاربری خود شوید.