امواج گرانشی چگونه کشف شدند؟

در زمان‌های بسیار دور، دو سیاه‌چاله‌ی خیلی بزرگ در فضا وجود داشت. آن‌ها مثل دیگر سیاه‌چاله‌های عالم بر اثر مرگ دو ستاره‌ی خیلی بزرگ بوجود آمده بودند. جاذبه‌ی آن‌ها چنان زیاد بود که حتی به نور هم اجازه‌ی فرار نمی‌دادند و هر چیزی که از نزدیکشان رد می‌شد را می‌بلعیدند. مسیر حرکت این دو سیاه‌چاله خیلی اتفاقی به سوی یکدیگر بود. آن‌ها کم‌کم چنان به هم نزدیک شدند که با سرعتی نزدیک به نصف سرعت نور، شروع به چرخش به دور یکدیگر کردند. سیاه‌چاله‌ها آن‌قدر دور هم چرخیدند تا بالاخره ۱٫۳ میلیارد سال قبل با هم برخورد کردند و به نوعی ادغام شدند. طنین این برخورد عظیم در سراسر کیهان پخش شد. این طنین از جنس امواج گرانشی در فضا-زمان بود. پس از گذشت ۱٫۳ میلیارد سال و درست پنج ماه پیش، این امواج به زمین رسیدند. دانشمندان روی زمین که بیشتر از ۴۰ سال منتظر چنین لحظه‌ای بودند، با استفاده‌ از ابزارهای جدید و فوق‌العاده‌ پیشرفته‌ای که ساخته‌ بودند، توانستند این امواج را ثبت کنند. بدین ترتیب پیش‌بینی یک قرن پیش آلبرت اینشتین مبنی بر وجود امواج گرانشی، ثابت شد. این امواج در رصدخانه‌ی امواج گرانشی «لایگو» (LIGO) در آمریکا ثبت شدند.

فضا-زمان را مثل سطح یک برکه‌ی آرام تصور کنید. وقتی قایقی روی سطح برکه حرکت می‌کند، پشت سرش موج‌هایی بر جای می‌گذارد. قایق هرچه سریع‌تر حرکت کند شدت امواج بیشتر و سطح برکه متلاطم می‌شود. اگر چند قایق در برکه وجود داشته باشد امواج زیادی روی سطح آب شکل می‌گیرد که هرکدام به سویی می‌روند و با هم تلاقی می‌کنند. اگر دو تا از این قایق‌ها با هم تصادف کنند، به ناگهان موج‌هایی خیلی بزرگ شکل می‌گیرد که می‌توانند سراسر برکه را طی کنند. اگر کنار برکه باشید و چشمانتان را ببندید که قایق‌ها را نبینید، می‌توانید با گذاشتن دستتان بر سطح آب، این امواج را حس کنید. اگر موج خیلی بزرگی به دستتان بخورد، می‌فهمید که حتما اتفاق بزرگی افتاده و شاید دو قایق با هم تصادف کرده‌اند. در عالم، سیاره‌ها، ستاره‌ها، کهکشان‌ها، سیاه‌چاله‌ها و در کل همه‌ی اجرام، همین قایق‌های کوچک و بزرگ هستند که وقتی به صورت شتاب‌دار حرکت می‌کنند، «امواج گرانشی» (Gravitational Waves) ایجاد می‌کنند. اگر بعضی از این اجرام با هم برخورد کنند، چنان موج‌های مهیبی ایجاد می‌شود که ما می‌توانیم با استفاده از ابزارهای پیشرفته‌ای که اکنون ساخته‌ایم، امواج را ببینیم.

حدود ۱۰۰۰ دانشمند با دو رصدخانه‌ی «لایگو» (LIGO) در واشنگتن و و لوییزیانای آمریکا همکاری می‌کنند. لایگو مخفف «رصدخانه‌ی موج گرانشی تداخل لیزری» است. از چند ماه پیش شایعاتی مبنی بر اینکه این رصدخانه توانسته امواج گرانشی را ثبت کند، بوجود آمده بود. دو روز پیش یعنی ۱۱ فوریه‌ی ۲۰۱۶، گروه رصدخانه‌ی لایگو به طور رسمی این کشف را اعلام کرد. «دیوید رایتز» (David Reitze) که یک فیزیک‌دان و البته مدیر اجرایی لایگو در انستیتوی فناوری کالیفرنیا پاسادنا است می‌گوید: «ما این کار را انجام دادیم!» او ادامه داد: «همه‌ی شایعاتی که وجود داشت درست از آب در آمد.»

رصدخانه‌ی لایگو دارای دو بازوی بلند ۴ کیلومتری است

یک قرن پیش آلبرت اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام خود وجود امواج گرانشی را پیش‌بینی کرده بود. ولی ثبت آن‌ها نیازمند فناوری‌های بسیار پیشرفته بود. امواج گرانشی که به ما می‌رسند به میزانی فوق‌العاده کم و باور ناپذیر فضا-زمان را کج و معوج می‌کنند و به همین دلیل ثبت آن‌ها به ابزارهای علمی فوق‌العاده حساس احتیاج دارد. مثلا موج گرانشی حاصل از برخورد دو سیاه‌چاله که لایگو کشف کرد، کل کره‌ی زمین را تنها به اندازه‌ی یک-صد هزارم نانومتر یا در حقیقت قطر یک پروتون منبسط و منقبض کرد. این ثبت مهر تایید دیگری بر نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین و البته وجود سیاه‌چاله‌ها بود. «مارک کامیونکووسکی» (Marc Kamionkowski) که نظریه پردازی از دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور مریلند است می‌گوید: «این [کشف] جایزه‌ی نوبل را می‌گیرد.»

هرکدام از رصدخانه‌های لایگو دارای دو خط کش بزرگ ۴ کیلومتری هستند که می‌توانند کج و معوج شدن فضا-زمان را تشخیص دهند. این خط‌کش‌ها در حقیقت دو تونل هستند که در ابتدا با زاویه‌ی قائم نسبت به هم قرار گرفته‌اند و کار تداخل‌سنجی را انجام می‌دهند. در انتهای هر تونل یک آینه‌ی خیلی دقیق قرار دارد. در این تونل‌ها پرتوی نور لیزر در طول موجی خاص تابانده می‌شود و این نور مرتب از آینه‌ی انتهای تونل بازتاب می‌شود. در جایی که نور بازتاب شده از دو آینه‌ی انتهای هر تونل به هم می‌رسند، امواج این پرتوها یکدیگر را خنثی می‌کنند. وقتی امواج گرانشی از این تونل‌ها عبور می‌کند، فضا-زمان کج و معوج می‌شود و در نتیجه طول تونل‌ها که خیلی دقیق به اندازه‌ی هم ساخته شده‌اند، تغییر می‌کند. در نتیجه امواج پرتوی دو لیزر دیگر نمی‌توانند همدیگر را خنثی کنند و بنابراین مقداری از نور آن‌ها از یک حفره‌ی خروجی به نام «دریچه‌ی تاریک» (Dark Port) و منطبق با نوسانات موج گرانشی عبور می‌کند تا به آشکارگر برسد.

رصدخانه‌ی لایگو دارای دو بازو است. نور لیزر در آن‌ها تابانده و بازتاب می‌شود. وقتی موج گرانشی از رصدخانه عبور می‌کند، طول بازوها تغییر می‌کند و سامانه این موضوع را متوجه می‌شود.

دانشمندان با استفاده از این روش می‌توانند طول نسبی تونل‌ها را با دقت یک-ده هزارم قطر یک پروتون محاسبه کنند. این میزان حساسیت برای تشخیص عبور امواج گرانشی و کوتاه و بلند کردن طول تونل‌ها کافی است. البته دانشمندان باید حواسشان به نویزهای محیطی هم باشد. مثلا لرزش‌های زمین، خودروهایی که کیلومترها دورتر در جاده تردد می‌کنند و البته امواج دریا که آن‌ها هم کیلومترها دورتر به ساحل برخورد می‌کنند می‌توانند چنین اثری ایجاد کنند.

۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ در ساعت ۹:۵۰:۴۵ به وقت جهانی هر دو رصدخانه‌ی لایگو با فاصله‌ی زمانی ۰.۰۰۷ ثانیه یک چنین سیگنالی را ثبت کردند. این نوسانات با فرکانس ۳۵ هرتز (۳۵ بار بر ثانیه) شروع شدند و به ۲۵۰ هرتز هم رسیدند. پس از ۰٫۲۵ ثانیه هم ناپدید شدند. این افزایش فرکانس نشانگر این است که دو جرم بزرگ جایی در عالم به هم برخورد کرده‌اند. اختلاف زمانی ۰٫۰۰۷ ثانیه‌ای بین زمان ثبت رصدخانه‌های واشنگتن و لوییزیانا دقیقا معادل زمانی است که نور می‌تواند فاصله‌ی بین آن‌ها را طی کند. «گابریل گونزالس» (Gabriel Gonzalez) که سخنگوی همکاری علمی لایگو است می‌گوید: «این [سیگنال] چنان قوی است که می‌توان آن را حتی در داده‌های خام هم دید.» او ادامه می‌دهد: «اگر داده‌ها را فیلتر کنید، سیگنال خیلی واضح و روشن دیده می‌شود.»

مدل‌سازی‌های رایانه‌ای نشان می‌دهند که این موج از اجرامی به سنگینی ۲۹ تا ۳۶ برابر خورشید که پیش از برخورد در فاصله‌ی ۲۱۰ کیلومتری به دور یکدیگر چرخش می‌کردند ساطع شده است. «بروس آلن» (Bruce Allen) که یکی از اعضای رصدخانه‌ی لایگو در انستیتوی فیزیک گرانشی مکس پلانک آلمان می‌گوید که فقط یک سیاه‌چاله می‌تواند چنین جرم بزرگی را در این فضای کوچک داشته باشد. این اولین بار است که می‌توانیم بدون رصد ستاره‌ها یا گازهای داغی که به دور سیاه‌چاله‌ها می‌گردند، این اجرام را تشخیص دهیم. آلن می‌گوید: «قبلا می‌شد درباره‌ی وجود یا عدم وجود سیاه‌چاله‌ها بحث و گفتگو کرد. ولی الان دیگر نمی‌شود!»

دو سیاه‌چاله‌ای که با هم ادغام شدند امواج گرانشی خیلی عظیمی برجای گذاشتند که باعث کج و معوج شدن فضا-زمان شد.

این برخورد عظیم منجر به انفجاری شد که ما نمی‌توانیم آن را ببینیم. مجموع جرم این دو سیاه‌چاله وقتی که با هم ادغام شدند به ۶۲ برابر جرم خورشید رسید. البته وقتی جرم این دو سیاه‌چاله را با هم جمع می‌کنیم، باید مجموع جرم آن‌ها به ۶۵ برابر جرم خورشید برسد. در نتیجه سه برابر جرم خورشید در این میان از بین رفته است. این جرم از دست رفته صرف ایجاد امواج گرانشی شده است. دقیقا همان تبدیل جرم به انرژی که همیشه با آن سر و کار داریم و مثلا در یک بمب اتمی هم دیده می‌شود. آلن می‌گوید: «برای یک دهم ثانیه، این برخورد پرنورتر از همه‌ی ستاره‌ها در همه‌ی کهکشان‌های عالم می‌درخشد. منتها فقط در امواج گرانشی»

«کیپ ثورن» (Kip Thorne) که یک نظریه‌پرداز در زمینه‌ی گرانش است و نقشی موثر در پیشبرد پروژه‌ی لایگو داشته می‌گوید که بعضی از دیگر اتفاقات کیهانی مثل انفجار پرتوهای گاما می‌توانند برای یک لحظه از مجموع نور همه‌ی ستاره‌های عالم پرنورتر شوند. با این حال این سیاه‌چاله‌ها رکوردی بی‌نظیر از خود برجای گذاشتند. او می‌گوید: «این انفجار به جز مهبانگ [که عالم را بوجود آورد] بزرگترین انفجاری است که انسان توانسته آن را ببیند.»

به مدت پنج ماه دانشمندان رصدخانه‌ی لایگو سعی می‌کردند دریافت این سیگنال را مخفی نگه دارند. البته که بیشتر اعضای گروه هم نمی‌دانستند این سیگنال واقعی است یا خیر. پژوهشگران لایگو گاهی اوقات برای آزمایش ابزارها سیگنال‌های اشتباهی به نام «تزریق کور» (Blind Injection) به آن وارد می‌کنند. ولی در روز ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ این کار را نکرده بودند. پژوهشگران لایگو به تازگی با هزینه‌ی ۲۰۵ میلیون دلار ابزارهای آن را ارتقاء داده بودند تا حساسیت رصدخانه بیشتر شود. هرچند که رهبران گروه می‌دانستند این سیگنال واقعی است، ولی به هر حال باید همه‌ی احتمالات را در نظر می‌گرفتند. از جمله اینکه شاید یک نفر با نیت خرابکارانه سیگنال دروغین وارد کرده است. رایتز می‌گوید: «ما یک ماه به دنبال راه‌هایی می‌گشتیم که ببینیم چگونه یک نفر می‌تواند سیگنال دروغین به دستگاه وارد کند.» گونزالس می‌گوید به هر حال این اولین بار بود که خبر رصد امواج گرانشی منتشر می‌شد و در نتیجه نمی‌توانستیم در آن اشتباه کنیم.

گروهی از اعضای رصدخانه‌ی لیگو به هنگام اعلام خبر ثبت مستقیم امواج گرانشی.

البته اثبات وجود امواج گرانشی بزرگترین دستاورد رصدخانه‌ی لایگو نیست چرا که قبلا به صورت غیر مستقیم متوجه وجود آن‌ها شده بودیم. در سال ۱۹۷۴ دو ستاره‌شناس آمریکایی به نام «راسل هالس» (Russell Hulse) و «جوزف تیلور» (Joseph Taylor) توانسته بودند دو ستاره‌ی نوترونی که به شدت امواج رادیویی ساطع می‌کردند (به آن‌ها تپ‌اختر هم می‌گویند) و به دور یکدیگر می‌چرخیدند را کشف کنند. آن‌ها متوجه شدند که این دو ستاره در حال نزدیک شدن و برخورد به یکدیگر هستند. این اتفاق در صورتی ممکن است که آن‌ها از خودشان امواج گرانشی منتشر کنند.

چشم‌اندازی که این کشف و رصد پدیده‌های کیهانی با استفاده از امواج گرانشی بوجود آورده، باعث شگفتی دانشمندان شده است. برای مثال کامیونکووسکی می‌گوید که با استفاده از امواج گرانشی می‌توانیم پدیده‌هایی که در طیف الکترومغناطیسی نمی‌توانیم ببینیم را رصد کنیم. این رصدها همچنین باعث می‌شوند بتوانیم با دقتی کم سابقه نظریه‌ی نسبیت عام را آزمایش کنیم. تا به حال دانشمندان گرانش را در شرایطی که نسبتا ضعیف بوده مطالعه کرده‌اند. با مطالعه‌ی امواج گرانشی دانشمندان می‌توانند شرایط خاص، مثل زمانی که انرژی موجود در میدان گرانشی یک پدیده همه‌ی جرم آن را می‌سازد را مطالعه کنند.

«راینر وایس» (Reiner Weiss) که ایده‌ی اولیه‌ی لایگو را داد و فیزیک‌دانی در دانشگاه MIT است می‌گوید: «با برخورد این دو کهکشان، نسبیت عام اولین امتحان خود در این زمینه را پاس کرد. محاسباتی که بر اساس معادلات نسبیت عام انجام می‌شود کاملا با سیگنال‌ها جور در می‌آیند. این برای من یک معجزه است.»

اولین بار وایس در سال ۱۹۷۲ مقاله‌ای منتشر کرد و در آن طراحی اولیه‌ی لایگو را پیشنهاد کرد. در سال ۱۹۷۹ بودجه‌ی تحقیق و توسعه‌ی آن داده شد و در سال ۱۹۹۴ کار ساخت لایگو شروع شد. این رصدخانه‌ی ۲۷۲ میلیون دلاری از سال ۲۰۰۱ شروع به جمع آوری داده کرد ولی دانشمندان انتظار نداشتند که تا قبل از ارتقاء بتواند چیزی پیدا کند.

به احتمال زیاد کشف لایگو باعث می‌شود یک نفر جایزه‌ی نوبل بگیرد. ولی آن یک نفر کیست؟ خیلی‌ها می‌گویند ورنر وایس، ولی خود او شک دارد. او می‌گوید: «نمی‌خواهم به آن فکر کنم.» وایس ادامه می‌دهد: «اگر منجر به کسب جایزه‌ی نوبل شود، نباید به خاطر کشف امواج گرانشی باشد. هالس و تیلور آن را کشف کردند.» به هر حال ممکن است در هفته‌ها و ماه‌های آینده خبر کشف‌های دیگری را هم بشنویم. پژوهشگران هنوز در حال آنالیز داده‌هایی که این رصدخانه از زمان ارتقاء ابزارهایش بدست آورده هستند.

ویدیوی زیر که درباره‌ی این کشف توضیح می‌دهد را حتما ببینید.

.

تاریخچه‌ی جستجوی امواج گرانشی

۱۹۱۵؛ آلبرت اینشتین نظریه‌ی نسبیت عام را ارائه می‌کند. او گرانش را همان خمیدگی فضا-زمان که بر اثر تجمع جرم یا انرژی بوجود می‌آید، معرفی می‌کند.

۱۹۱۶؛ اینشتین پیش‌بینی می‌کند که اجرام خیلی سنگین وقتی حرکت می‌کنند باعث ایجاد نوساناتی در فضا-زمان می‌شوند. منظور او همان امواج گرانشی بود.

۱۹۳۶؛ اینشتین برخلاف پیش‌بینی اولیه، استدلال‌هایی مبنی بر عدم وجود امواج گرانشی ارائه می‌کند.

۱۹۶۲؛ دو فیزیک‌دان روس مقاله‌ای منتشر می‌کنند در آن می‌گویند که با استفاده از روش‌های اپتیکی می‌توان امواج گرانشی را ثبت کرد.

۱۹۶۹؛ فیزیک‌دانی به نام جوزف وبر ادعا می‌کند که با استفاده از استوانه‌های عظیم آلومینیومی می‌توان امواج گرانشی را ثبت کرد.

۱۹۷۲؛ راینر وایس از دانشگاه MIT به صورت مستقل راهی را برای کشف امواج گرانشی با استفاده از روش اپتیکی پیشنهاد می‌کند.

۱۹۷۴؛ ستاره‌شناسان تپ‌اختری را کشف کردند که به دور یک ستاره‌ی نوترونی گردش می‌کند و به نظر می‌رسد که سرعت گردش آن‌ها به دلیل تابش گرانشی کم می‌شود.

۱۹۷۹؛ موسسه‌ی ملی علوم آمریکا به انستیتوی فناوری کالیفرنیا بودجه‌ی توسعه‌ی طراحی رصدخانه‌ی لایگو را اعطا می‌کند.

۱۹۹۰؛ موسسه‌ی ملی علوم آمریکا با اعطای بودجه‌ی ۲۵۰ میلیون دلاری ساخت رصدخانه‌ی لایگو موافقت می‌کند.

۱۹۹۲؛ در واشنگتن و لوییزیانا مکان‌هایی برای ساخت جفت رصدخانه‌های لایگو انتخاب می‌شود. کار ساخت دو سال بعد شروع می‌شود.

۱۹۹۵؛ کار ساخت رصدخانه‌ی امواج گرانشی GEO600 در آلمان شروع می‌شود. این رصدخانه با لایگو همکاری می‌کند و از سال ۲۰۰۲ کار جمع‌آوری داده را شروع کرد.

۱۹۹۶؛ کار ساخت رصدخانه‌ی امواج گرانشی VIRGO در ایتالیا شروع شد و در سال ۲۰۰۷ شروع به جمع‌آوری داده کرد.

۲۰۰۲ تا ۲۰۱۰؛ رصدخانه‌ی لایگو ثبت داده انجام می‌داد ولی هیچ موج گرانشی نتوانست ردیابی کند.

۲۰۰۷؛ لایگو و VIRGO همکاری در به اشتراک گذاری داده‌ها را شروع کردند و بدین ترتیب شبکه‌ای جهانی از آشکارسازهای امواج گرانشی ساختند.

۲۰۱۰ تا ۲۰۱۵؛ بودجه‌ی ۲۰۵ میلیون دلاری ارتقاء ابزارهای لایگو داده شد.

۲۰۱۵؛ رصدخانه‌ی بروزرسانی شده‌ی لایگو آشکارسازی اولیه‌ی خود را در ماه سپتامبر این سال شروع کرد.

۲۰۱۶؛ در ۱۱ فوریه‌ی این سال گروه لایگو خبر از آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی داد.

 ‌‌

منبع: ScienceMag