یک قرن با نسبیت عام؛ ذره‌بین‌های عظیم کیهانی اینشتین

قوی‌ترین ذره‌بین‌ جهان را کجا می‌توانیم پیدا کنیم؟ در میکروسکوپ‌های بهترین آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی دنیا؟ یا زیر گنبد بزرگترین تلسکوپ‌ رصدخانه‌ها؟ واقعیت این است که هیچ‌کدام. قدرتمندترین ذره‌بین جهان در فاصله‌ی چهار میلیارد سال نوری از ما قرار دارد. ذره‌بینی که سازنده‌ی آن، مجموعه‌ای از کهکشان‌ها و ماده‌ی تاریک است و وقتی دانشمندان از درونش نگاه می‌کنند، می‌توانند کهکشان‌هایی تا سیزده میلیارد سال نوری دورتر را ببینند. این ذره‌بین، خوشه‌ی کهکشانی Abell 2744 نام دارد و مجموعه‌ای از چهار گروه کهکشانی است که در حال برخورد به یکدیگر هستند. مجموع جرم این خوشه‌ی کهکشانی به ۲ کوادریلیون برابر جرم خورشید می‌رسد. گرانش ناشی از این جرم عظیم، نور را از مسیر مستقیم منحرف و سپس کانونی می‌کند. این باعث می‌شود که این خوشه‌ی کهکشانی تبدیل به یک عدسی بزرگ شود که از منظره‌ی کهکشان‌های پشت سر خود، تصویری بزرگ و روشن‌تر می‌سازد. خوشه‌ی کهکشانی Abell 2744 یک ابزار خیلی مفید برای ستاره‌شناسان جهت رصد و مطالعه‌ی دوردست‌های کیهان است.

راز چگونگی بوجود آمدن عدسی‌های کیهانی را باید در نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین جستجو کرد. این نظریه نشان می‌دهد که چگونه گرانش، فضا و زمان کیهان ما را بوجود آورده‌اند. این نظریه،‌ پایه و اساس شناخت علمی ما از گیتی را ساخته است. توانایی جرم در کانونی کردن نور و ایجاد امواج گرانشی بر اثر شتاب‌ گرفتن جرم (در نتیجه تغییر خمش فضا-زمان)، دو پیش‌بینی بزرگ نسبیت عام هستند. این دو پیش‌بینی، ابزارهای مهمی برای دانشمندان جهت کاوش کیهان و کشف منشاء کهکشان‌ها به حساب می‌آیند. در ضمن امواج گرانشی می‌توانند باعث شوند که از برخورد سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی که شواهد رصدی خاصی از آن‌ها نداریم، آگاه شویم.

امواج و عدسی‌های گرانشی اصلا ایده‌های جدید نیستند. اینشتین از همان ابتدا که نظریه‌ی نسبیت عام را مطرح کرد، می‌دانست که نظریه‌اش این دو پدیده را پیش‌بینی می‌کند. در سال ۱۹۳۷ اخترفیزیک‌دانی به نام «فریتس زوییکی» (Fritz Zwicky) گفت که احتمالا می‌توان این عدسی‌ها را حول بعضی کهکشان‌های پرجرم دید. سال‌ها از ایده‌ی زوییکی گذشت تا بالاخره فناوری به کمک ستاره‌شناسان آمد و این عدسی‌ها یافت شدند. در سال ۱۹۷۹ ستاره‌شناسان توانستند نمونه‌ای واقعی از یک عدسی کیهانی را ببینند. این عدسی باعث شده بود که دو تصویر از یک «تپ‌اختر» شکل بگیرد.

گرانش خوشه‌های کهکشانی نور کهکشان‌های دوردست را خم می‌کند و اثری عدسی مانند ایجاد می‌کند

اینشتین این‌که چگونه گرانش یک ستاره می‌تواند تشدید کننده‌ی نور ستاره‌ا‌ی دورتر باشد را توضیح داده بود؛ با این حال گفت که احتمال دیدن این پدیده خیلی کم است. ولی اکنون عدسی‌های گرانشی متعددی در فضا مشاهده شده‌اند. «ریچارد الیس» (Richard Ellis) از رصدخانه‌ی جنوبی اروپا می‌گوید: «جالب است که عدسی‌های گرانشی اکنون خیلی مورد توجه هستند. یادم می‌آید که زمانی کسی آن‌ها را جدی نمی‌گرفت.»

بذرهای کهکشان‌های مدرن

وقتی از درون تلسکوپ‌ها نگاه می‌کنیم، در حقیقت به زمان گذشته می‌نگریم. تا به حال توانسته‌ایم کهکشان‌هایی در فاصله‌ی حدود ۱۳ میلیارد سال نوری را ببینیم. این تقریبا به اندازه‌ی سن خود کیهان است. وقتی ستاره‌شناسان به کهکشان‌های مختلف در فواصل گوناگون (بنابراین در زمان‌های متفاوت) نگاه می‌کنند، در جستجوی بذرهای کهکشان‌های امروزی هستند. «جنیفر لوتز» (Jennifer Lotz) که یک اخترفیزیک‌دان است می‌گوید: «هر کهکشانی که تا به حال در مرزهای کیهان دیده‌ایم، از جمله‌ی روشن‌ترین و بزرگترین‌ کهکشان‌ها بوده است. این درحالیست که کهکشان ما (راه‌شیری)، از زمره‌ی کهکشان‌های خیلی بزرگ و روشن نیست و یک کهکشان معمولی به حساب می‌آید.» برای دیدن کهکشان‌های معمولی، کوچک و کم‌نورتر، به عدسی‌های کیهانی احتیاج داریم.

لوتز سرپرست گروهی به نام «پروژه‌ی میدان‌های مرزی» (Frontier Fields Project) است که در سه سال گذشته، ۶ خوشه‌ی بزرگ کهکشانی را با تلسکوپ هابل زیر نظر گرفته‌اند. چهار خوشه‌ی کهکشانی بررسی شده‌اند و دوتای دیگر کاملا تحت نظر هستند. وقتی ستاره‌شناسان درحال نگاه کردن از درون عدسی گرانشی تولید شده توسط Abell 2744 بودند، توانستند کهکشانی را پیدا کنند که احتمالا دورترین و البته جوان‌ترین کهکشانی است که تا به حال دیده شده و فقط ۵۰۰ میلیون سال نوری با مهبانگ فاصله دارد. این کهکشان به شکل سه لکه‌ی قرمز متقارن و کم‌رنگ دیده می‌شود، چرا که نور آن از مسیرهای مختلفی از درون این خوشه رد شده است. این کهکشان دوردست، کوچک و چگال است و در حالی که قطر آن فقط به چند صد سال نوری می‌رسد، جرمش در حدود ۴۰ میلیون برابر جرم خورشید است. این کهکشان در مقایسه با راه‌شیری فوق‌العاده کوچک است. تصاویر این‌چنینی به اطلاعات دانشمندان درباره‌ی تاریخ تکامل کیهان می‌افزاید.

عدسی‌های کیهانی ابزارهای بسیار خوبی برای رصد کهکشان‌های بسیار دوردست و کم‌نور هستند

دانشمندان از طریق این عدسی‌ها فقط نظاره‌گر نحوه‌ی تکامل کهکشان‌ها نیستند، در ماه مارس ۲۰۱۵ آن‌ها اعلام کردند که توانسته‌اند انفجار یک ابرنواختر که بر اثر عدسی گرانشی چهار بار تکرار شده بود را ببینند. لوتز می‌گوید: «انتظار دیدن این پدیده را نداشتیم.» نور ستاره‌ای که حدود ۹٫۴ میلیارد سال پیش منفجر شده بود به زمین رسیده است. گرانش خوشه‌ی کهکشانی، باعث شده که نور کهکشان دوردست و البته ابرنواختر آن، از چهار مسیر متفاوت به ما برسد و در نتیجه تصویری چهارقلو از آن ساخته شود. جالب این‌جاست که تصاویر با فاصله‌ی زمانی چند روزه تا چند هفته‌ای نسبت به هم شکل گرفتند. لوتز ادامه می‌دهد: «داستان همین‌جا ختم نمی‌شود. ما انتظار داریم که در یکی دو سال آینده، یکی دیگر نمایان شود.» با مطالعه‌ی اینکه چگونه عدسی گرانشی می‌تواند نور کهکشان‌های پس‌زمینه را خمیده کند، دانشمندان متوجه شده‌اند که مسیر پنجمی هم برای رسیدن نور به ما وجود دارد. اکنون فرصت نادری برای ستاره‌شناسان بوجود آمده که قبل از پدیدار شدن یک ابرنواختر، درباره‌ی آن اطلاعات کسب کنند. لوتز می‌گوید: «این یک مثال شگفت‌انگیز از پدیده‌ی عدسی‌های گرانشی است.»

انبساط

عدسی‌های گرانشی قدرتمند که توسط خوشه‌های کهکشانی بزرگ ساخته می‌شوند، ابزارهای مفیدی برای دانشمندان هستند. ولی این پدیده خیلی رایج نیست و عدسی‌های گرانشی به راحتی یافت نمی‌شوند. کمتر پیش می‌آید که نور کهکشانی دوردست از کنار خوشه‌ی کهکشانی بزرگی مثل Abell 2744 عبور کند. ولی خوشه‌های کوچک‌تر متعدد و رشته‌های کهکشانی زیادی وجود دارد که می‌توانند نور را اندکی خمیده کنند و عدسی‌های ضعیف‌تری بسازند. «جوشوا فریمن» (Joshua Frieman) که یک اخترفیزیک‌دان است می‌گوید: «نور هر جرم دوردستی که به ما می‌رسد، کمی دچار خمیدگی شده است.»

این خمیدگی‌ها می‌توانند کلیدی برای یافتن پاسخ یکی از بزرگ‌ترین سوالات در کیهان باشند. اینکه، چه چیز باعث شتاب گرفتن انبساط کیهان شده است؟ حدود هفت میلیارد سال پیش، عاملی باعث شد که سرعت انبساط جهان به یکباره زیاد شود. دانشمندان به نیرویی که باعث این شتاب گرفتن شد، «انرژی تاریک» می‌گویند. کسی دقیقا نمی‌داند انرژی تاریک چیست، ولی یک ایده این است که انرژی تاریک، خاصیتی ذاتی در فضاست که همیشه وجود داشته. در نقطه‌ای از زمان، وقتی کیهان در حال منبسط شدن بود، چگالی ماده و انرژی آن‌قدر کم شد که انرژی تاریک توانست غالب شود. این ایده زمانی شکل گرفت که اینشتین متوجه شد نظریه‌ی نسبیت عام او، کیهانی ناپایدار را تصویر می‌کند. کیهانی که می‌تواند منبسط یا منقبض و سپس نابود شود. اینشتین فکر کرد اینکه کیهان ناپایدار باشد خیلی غیر منطقی است و بنابراین، فاکتوری به نام «ثابت کیهانی» را به معادلاتش افزود تا جهان پایدار شود. ولی در سال ۱۹۲۹، ستاره‌شناسی به نام «ادوین هابل» (Edwin Hubble) متوجه شد که کهشان‌های عالم در حال دور شدن از یکدیگر هستند و در نتیجه جهان در حال منبسط شدن است. با این حال اکنون ثابت کیهانی اینشتین فراموش نشده و دانشمندان سعی می‌کنند با استفاده از آن، چرایی انبساط شتاب‌دار کیهان را توضیح دهند.

جهان از یک انفجار بزرگ شروع شد و از آن زمان پیوسته در حال منبسط شدن بوده است

ستاره‌شناسان باید چند نکته‌ی دیگر را هم درباره‌ی کیهان بفهمند. مثل اینکه آیا میزان انرژی تاریک ثابت است؟ یا در طول زمان تغییر کرده است؟ انرژی تاریک با ماده‌ی تاریک در در نوعی رقابت و کش مکش قرار دارد. ماده‌ی تاریک، نوعی ماده‌ی ناپیداست که آن را فقط از روی جرم‌اش تشخیص می‌دهیم. ماده‌ی تاریک باعث کاهش سرعت انبساط کیهان و انرژی تاریک باعث افزایش سرعت انبساط کیهان می‌شود. فریمن می‌گوید: «این یک دعوای بزرگ است.»

فریمن سرپرستی پروژه‌ای به نام «نقشه‌برداری انرژی تاریک» (Dark Energy Survey) را بر عهده دارد. این پروژه به دنبال عدسی‌های گرانشی ضعیف می‌گردد. عدسی‌های گرانشی که بر اثر جرم ماده‌ی تاریک بوجود آمده‌اند و می‌توانند اندکی نور کهکشان‌های پس‌زمینه را خمیده کنند. با اندازه‌گیری خمیدگی نور حدود ۲۰۰ میلیون کهکشان، دانشمندان در حال نقشه‌برداری از توزیع ماده‌ی تاریک در عالم هستند. جالب‌تر اینکه این توزیع را می‌توانند در طول زمان و تا هنگامی که سن عالم نصف سن کنونی‌اش بود، رهگیری کنند. با فهمیدن اینکه توزیع ماده‌ی تاریک در طول زمان چگونه تغییر کرده، دانشمندان می‌توانند چگونگی تغییر توزیع انرژی تاریک را نیز متوجه بشوند. گروه نقشه‌برداری انرژی تاریک در سال سوم فعالیت خود به سر می‌برد و در حال آنالیز کردن داده‌های خود است. فریمن انتظار دارد که داده‌های جمع شده از دو سال نخست پروژه، بتواند به آن‌ها ایده‌هایی از اینکه انرژی تاریک چگونه تغییر کرده است، بدهد.

موج‌های فضایی

در فضا پدیده‌هایی وجود دارد که حتی به کمک عدسی‌های گرانشی هم نمی‌توان آن‌ها را دید. خوشبختانه نسبیت عام اینشتین راه‌حلی برای دیدن آن‌ها دارد؛ راه‌حلی به نام امواج گرانشی. گرانش زمانی ایجاد می‌شود که جرم، فضا-زمان را خم می‌کند. حال اگر جرمی شتاب بگیرد و به سرعت حرکت کند، امواج گرانشی ایجاد می‌شود. حوادث بزرگ مثل برخورد سیاه‌چاله‌ها، تلفیق ستاره‌های نوترونی و حتی مهبانگ، امواج گرانشی خود را به سراسر کیهان ارسال می‌کنند. اگر این امواج را رصد کنیم، می‌توانیم متوجه اتفاقاتی در کیهان شویم که به طور مستقیم قابل دیدن نیستند. جستجو برای چنین نشانه‌هایی اکنون انجام می‌شود. برای مثال، رصدخانه‌ای به نام LIGO در آمریکا وجود دارد که به دنبال آن‌ها می‌گردد.

اکنون ستاره‌شناسان توانسته‌اند به طور غیر مستقیم، امواج گرانشی را رصد کنند. در سال ۱۹۷۴، «جوزف تیلور» (Joseph Taylor) و «راسل هالس» (Russell Hulse) از دانشگاه ماساچوست توانستند نخستین تپ‌اختر دوتایی را ببینند. در واقع آن‌ها متوجه شدند یک ستاره‌ی نوترونی که خیلی سریع دور خودش می‌گردد، در مدار یک ستاره‌ی دیگر گردش می‌کند. در ضمن آن‌ها فهمیدند که تپ‌اختر با سرعت ۳٫۵ متر در سال به سمت همدم ناپیدایش کشیده می‌شود. کاهش فاصله‌ای که اگر این دو امواج گرانشی ساطع می‌کردند، توسط نسبیت عام انشتین پیش‌بینی می‌شد. این کشف باعث شد که تیلور و هالس جایزه‌ی نوبل فیزیک سال ۱۹۹۳ را ببرند.

بعضی از پدیده‌های عالم از روی امواج گرانشی که ساطع می‌کنند قابل رهگیری هستند

امواج گرانشی ستاره‌ی دوتایی که هالس و تیلور کشف کردند، بسیار ضعیف هستند و به طور مستقیم دیده نمی‌شوند. ولی وقتی ستاره‌ها به هم نزدیک می‌شوند، امواج گرانشی شدید‌تر می‌شوند. در آخرین میلی‌ثانیه‌هایی که ستاره‌ها به هم نزدیک می‌شوند تا به یکدیگر برخورد کنند، امواج گرانشی آن‌قدر شدید می‌شود که رصدخانه‌ی LIGO می‌تواند آن‌ها ردیابی کند. البته این برخورد حدود ۳۰۰ میلیون سال دیگر رخ می‌دهد. «مارتین هندری» (Martin Hendry) که یک اخترفیزیک‌دان از دانشگاه گلاسکو اسکاتلند است می‌گوید: «لازم نیست این‌قدر صبر کنیم. ما می‌دانیم پدیده‌های این‌چنینی زیادی در کهکشان ما و فراتر از آن وجود دارد که می‌شود آن‌ها را پیدا کرد.» تا سال ۲۰۱۰، رصدخانه‌ی LIGO هیچ چیز خاصی کشف نکرد. ولی اکنون تجهیزات آن پیشرفت کرده است و دانشمندان امیدوارند تا چند سال آینده بتواند نشانه‌هایی از امواج گرانشی پیدا کند.

زمان‌سنج‌های کیهانی

رصدخانه‌ی LIGO می‌تواند امواج فرکانس بالای ساطع شده از ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها که در حدود ۶۰۰ میلیون سال نوری از زمین قرار دارند را رهگیری کند. برخورد سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم می‌تواند از فواصلی باز هم دورتر ردیابی شود. ولی این برخوردها معمولا امواج بلندتری می‌فرستند و LIGO نمی‌تواند آن‌ها را بشنود. برای دریافت این امواج بزرگ، پژوهشگران به تپ‌اخترها روی آورده‌اند.

اگر به یک تپ‌اختر نزدیک شوید، فرکانس امواج بیشتر می‌شود و اگر از آن دور شویم، فرکانس امواج ساطع شده از آن کم می‌شود. وقتی زمین در فضا-زمان حرکت می‌کند، مرتب در حال نزدیک شدن به بعضی تپ‌اخترها و دور شدن از بعضی دیگر است. با زیر نظر قرار دادن پالس‌های چند عدد از این تپ‌اخترها، پژوهشگران می‌توانند متوجه شوند که آیا زمین در امواج ناشی از برخورد سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم قرار دارد یا خیر. «راین لینچ» (Ryan Lynch) که ستاره‌شناسی از دانشگاه مک‌گیل در مونترال است می‌گوید: «مثل این است که شما بتوانید با محاسبه‌ی مقدار حرکت قایق،‌ امواج روی سطح اقیانوس را ردیابی کنید.» تغییر فاصله‌ی بین زمین و این تپ‌اخترها بسیار ناچیز است. چیزی در حد یک واحد در یک کوادریلیون. مثل این است که بخواهید مسافت یک کیلومتری را در فاصله‌ی ۱۰۰ سال نوری اندازه بگیرید.

سه پروژه در آمریکای شمالی، اروپا و استرالیا به نام «آرایه‌ی زمان‌سنجی تپ‌اختر» (Pulsar Timing Array) مشغول به کار هستند که از رادیو تلسکوپ‌های بسیار بزرگ برای شناسایی تپ‌اخترها و یافتن امواج استفاده می‌کنند. لینچ می‌گوید: «نخستین چیزی که احتمالا آن‌ها کشف می‌کنند، صدای نویز پس‌زمینه‌ی ناشی از برخورد سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در جاهای مختلف کیهان است. فقط نزدیک‌‌ترین و بزرگترین‌ برخوردها به طور دقیق قابل تشخیص هستند.»

تپ‌اخترها زمان‌سنج‌های کیهانی هستند

هندری می‌گوید: «اگر رصدخانه‌ی LIGO یا آرایه‌های زمان‌سنجی تپ‌اختر‌ها چیزی پیدا نکنند، لزوما به معنی اشتباه بودن نسبیت عام نیست.» تنها می‌تواند بدین معنی باشد که فرض‌های ما درباره‌ی این برخوردها اشتباه است. به همین دلیل است که پژوهشگران در تلاش برای متقاعد کردن سازمان فضایی اروپا جهت ارسال رصدخانه‌ای مثل LIGO به فضا هستند. این رصدخانه‌ی احتمالی که ممکن است سال ۲۰۲۸ به فضا پرتاب شود را فعلا eLISA نامیده‌اند. در سکوت فضا، eLISA می‌تواند صدای امواجی را بشنود که LIGO بر روی زمین نمی‌تواند آن‌ها را دریافت کند. eLISA می‌تواند صدای ستاره‌های دوتایی با فاصله‌ی خیلی نزدیک نسبت به هم را بشنود. eLISA همچنین می‌تواند به صدای سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم دوتایی در دیگر کهکشان‌ها گوش دهد. این‌ها نوعی از سیاه‌چاله‌ها هستند که پیش‌تر ستاره‌شناسان اطلاعات کمی از آن‌ها داشتند.

هندری می‌گوید: «eLISA می‌تواند سیاه‌چاله‌ها، هرچقدر که دور باشند را ببیند.» این رصدخانه می‌تواند برخوردها را در تمام جهان قابل دیدن و حتی قبل از عصر تاریکی ببیند. با مطالعه‌ی دقیق ابرسیاه‌چاله‌های دوتایی در کیهان اولیه، پژوهشگران می‌توانند متوجه نقش دقیق آن‌ها در تکامل کیهان طی میلیاردها سال گذشته شوند.

نسبیت عام زمانی بوجود آمد که هنوز کسی نمی‌دانست جهان در حال منبسط شدن است. زمانی که ستاره‌شناسان نمی‌دانستند آن سحابی‌های محو در جای‌جای آسمان، کهکشان‌هایی دوردست هستند. ولی اکنون ستاره‌شناسان می‌توانند با استفاده از نسبیت عام، به کند و کاو بعضی از رمز آلود‌ترین پرسش‌های کیهان، از بوجود آمدن نخستین ستاره‌ها و کهکشان‌ها گرفته تا آن‌چه کهکشان‌ها را ساخته بپردازند. یک قرن بعد از ارائه‌ی نظریه‌ی نسبیت عام، نظریه‌ی انشتین در حال رمزگشایی‌های جدیدی برای ماست.

منبع: Sciencenews