آشکارسازی امواج گرانشی برای نخستین بار

0 0 0 0

توسط مژگان آزادی , 15 فوریه 2016

بدون شک مهمترین خبر دنیای علم در این هفته، خبر آشکارسازی امواج گرانشی بود که در کنفرانس خبری روز پنجشنبه ۱۱ فوریه اعلام گردید. امواج گرانشی از پیش‌بینی‌‌های نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین است که در صد سالگی‌‌ ارائه‌ی این نظریه برای اولین بار آشکارسازی شدند. در این مقاله‌ مروری داریم بر ویژگی‌‌های امواج گرانشی و آشکارساز‌های آن، و هم‌چنین به برخی‌ از جزئیات خبر ارائه شده در هفته‌ی گذشته می‌‌پردازیم.

امواج گرانشی چیست؟

شکل ۱: خمیدگی فضا-زمان بر اثر وجود جرم اجسام

طبق نظریه‌ی الکترومغناطیس ماکسوِل، بارهای الکتریکی شتابدار از خود امواج الکترومغناطیسی ساطع می‌کنند. نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین نیز وجود امواج گرانشی را پیش‌بینی می‌کند که توسط اجرام شتابدار تولید می‌شوند. این امواج همانند امواج الکترومغناطیسی با سرعت نور حرکت می‌کنند اما آشکارسازی آن‌ها به سادگی امواج الکترومغناطیسی نیست. آشکارسازی این امواج افق جدیدی را در برابر دانش ما درباره‌ی پدیده‌های نجومی می‌گشاید، چرا که در بسیاری از مواقع اطلاعاتی‌ که از بررسی‌ امواج الکترومغناطیسی (نور) سیستم‌های نسبیتی در اختیار ما قرار می‌گیرد کافی‌ نیست.

شکل ۲: امواج گرانشی ناشی از اجسام همانند امواج آب در سطح یک برکه، در فضا-زمان منتشر می‌گردند.

در فیزیک کلاسیک، جهان سه بعد مکانی و یک بعد زمانی مستقل از هم دارد. در مفاهیم نسبیتی سه بعد فضا و یک بعد زمان در هم ادغام می‌شوند و یک محیط پیوسته‌ی چهار بعدی، تحت عنوان فضا-زمان ایجاد می‌کنند. طبق نظریه‌ی نسبیت اینشتین، هر جسم دارای جرم، فضا-زمان اطراف خود را دچار خمیدگی می‌کند (شکل ۱) و هر چه میزان جرم یک جسم بیشتر باشد خمیدگی ایجادشده در فضا-زمان اطراف آن نیز بیشتر خواهد بود.

حرکت شتابدار هر جسمِ جرم‌دار می‌تواند سبب به‌هم‌ریختگی شکل فضا-زمان اطراف آن و ساطع شدن امواج گرانشی شود. این امواج که ناشی از اختلال به‌وجودآمده در فضا-زمان هستند، در فضا-زمان منتشر می‌شوند؛ همانند امواج آب در سطح یک برکه که بر اثر افتادن قلوه‌سنگی در برکه گسترش می‌یابند (شکل ۲).                                   

اگرچه هر جسم دارای جرم متحرک می‌تواند منبع تولید امواج گرانشی باشد، اما هر چه این اجسام پرجرم‌تر باشند و حرکت تندتری داشته باشند، باعث به‌هم‌ریختگی شدیدتر فضا-زمان و به‌وجودآمدن امواج گرانشی با فرکانس بالاتر می‌شوند که امکان آشکارسازی آن‌ها در سطح زمین بیشتر خواهد بود. یکی از بهترین کاندیداهای آشکارسازی امواج گرانشی در سطح زمین، سیستم‌های دوتایی شامل سیاهچاله‌ها هستند.

شکل ۳: مراحل مختلف ادغام دو سیاهچاله در سیستم های دوتایی که کاندیداهای مناسبی برای آشکارسازی امواج گرانشی هستند. در نمودار بالایی، کرنش (نسبت تغییر طول به طول اولیه‌ی بازوی لایگو) بر حسب زمان نشان داده شده است. این تغییر طول به علت رسیدن امواج گرانشی به زمین به وجود آمده است. همان‌طور که می‌بینید تغییر طول بسیار ناچیز است (در حدود ۱۰ به توان ۲۱- برابر بازوی ۴ کیلومتری رصدخانه‌ی لایگو). نمودار پایین، تغییر فاصله‌ی دو سیاهچاله (سیاه) و تغییر سرعت نسبی دو سیاهچاله (سبز) را بر حسب زمان نشان می‌دهد.

ستاره‌های بسیار پرجرم در انتهای عمرشان به ابرنواختر تبدیل می‌شوند و هسته‌ی آن‌ها دچار رُمبش (درهم‌پاشی یا collapse) می‌شود. بر اثر رمبش، هسته آن‌قدر متراکم می‌شود که یک سیاهچاله‌ی ستاره‌ای (سیاهچاله‌ای با جرمی از مرتبه‌ی جرم خورشید) به وجود می‌آورد. همان‌طور که می‌دانید، نیروی گرانش سیاهچاله‌ها آنقدر زیاد است که حتی نور نمی‌تواند از آن فرار کند، به همین علت سیاهچاله‌ها را نمی‌توان با امواج الکترومغناطیسی رصد کرد.

در یک سیستم دوتایی سیاهچاله‌ها، دو سیاهچاله تحت تاثیر گرانش یکدیگر حول یک مرکز جرم می‌گردند. تحول این سیستم‌های دوتایی دارای سه مرحله‌ی inspiral، و merger، و ringdown است. در مرحله‌ی اول فاصله‌ی دو سیاهچاله از یکدیگر بسیار بیشتر از شعاعشان است. کم‌کم بر اثر تابش امواج گرانشی شعاع حرکت مداری دو سیاهچاله کاهش می‌یابد تا اینکه در مرحله‌ی merger دو سیاهچاله با هم ادغام می‌شوند و یک جسم واحد را تشکیل می‌دهند. در این مرحله رفتار سیستم کاملا نسبیتی است و حل معادله‌ی حرکت این سیستم جز از طریق روش‌های تقریبی امکان‌پذیر نیست. این سیستم نسبیتی سیر تحول خود را تا تبدیل‌شدن به یک سیاهچاله ادامه می‌دهد تا در نهایت به یک حالت پایدار برسد و در این مرحله امواجی تحت عنوان ringdown از خود ساطع می‌کند (شکل ۳). آشکارسازهای امواج گرانشی بسته به میزان حساسیتشان می توانند امواج ساطع‌شده در مراحل مختلف تحول این سیستم‌ها را دریافت کنند.                            

آشکارسازهای امواج گرانشی

اگرچه تاریخچه‌ی ساختن آشکارسازهای تابش‌ امواج گرانشی به پیش از ۵۰ سال قبل باز می‌گردد اما هیچ یک از آن‌ها در آشکارسازی این امواج موفق نبوده‌اند. نسل جدیدتر آشکارسازهای امواج گرانشی که از دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی ساخت آن‌ها آغاز شد، آشکارسازهای تداخل‌سنج لیزری هستند که خود شامل آشکارسازهای زمینی و فضایی هستند. از معروف‌ترین آشکارسازها در سطح زمین می‌توان لایگو (LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) در آمریکا و ویرگو (VIRGO) در ایتالیا را نام برد. ایده‌ی آشکارسازهای فضایی نیز مدتی است که از طرف ناسا، ایسا، و آژانس‌های مشابه در چین و ژاپن مطرح شده است. ساخت آشکارسازهای فضایی هنوز آغاز نشده است و بررسی‌های اولیه در حال انجامند. 

شکل ۴: شکل شماتیک تداخل سنج به کار رفته در LIGO. سمت چپ مکان دو آشکارساز را در آمریکا می‌بینید.

ایده‌ی ساخت لایگو در سال ۱۹۹۲ توسط کیپ تورن، اخترشناس برجسته‌ی دانشگاه کلتک و رِینر وایس از دانشگاه ام.آی.تی ارائه شد و مراحل ساخت آن با همکاری بیش از ۸۰ موسسه‌ی مطالعاتی از سراسر جهان صورت گرفت. به دلیل وجود نویز فراوان در سطح زمین، لایگو از دو مرکز آشکارساز در جنوب شرقی آمریکا (ایالت لوییزیانا) و شمال غربی آمریکا (ایالت واشنگتن) تشکیل شده است. در صورت رصد موج گرانشی توسط یکی از این دو مرکز، مرکز دیگر نیز باید این آشکارسازی را با اختلاف زمانی بسیار ناچیزی تایید کند. این آشکارسازها که درواقع تداخل‌سنج‌های مایکلسون هستند از دو بازو با طول یکسان ۴ کیلومتر، یک چشمه‌ی تابش‌کننده‌ی لیزر و یک آشکارساز نور تشکیل شده‌اند (شکل ۴). در انتهای هر یک از این بازوها که طول آنها قابل تغییر است آینه‌هایی قرار دارد. از چشمه‌ی تابش‌کننده‌ی لیزر، نوری به هر دو آینه می‌تابد و این دو پرتو پس از انعکاس از دو آینه با هم تداخل می‌کنند. در شرایطی که عاملی برای ایجاد اختلال در مسیر این پرتوهای لیزر نباشد این دو پرتو پس از بازتاب از آینه‌ها تداخل ویرانگر خواهند داشت و اثر یکدیگر را خنثی خواهند کرد و در نتیجه آشکارساز، نوری دریافت نمی‌کند. اما در شرایطی که امواج گرانشی سببب ایجاد اختلال در فضا-زمان اطراف تداخل‌سنج شوند طول این بازوها تغییر می‌کنند (یکی فشرده و دیگری کشیده می‌شود)، زیاد و کم شدن طول بازوها باعث به وجود آمدن اختلاف در مسیر طی‌شده‌ی دو پرتو لیزر می‌شود. این‌بار به علت آنکه دو پرتوی لیزر مسیر یکسانی را طی نکرده‌اند، آشکارساز پرتو نوری تداخلی آن‌ها را اندازه گیری می‌کند. با وجود اینکه ادغام سیاهچاله‌ها از جمله رویدادهای کیهانی است که شدیدترین امواج گرانشی را تولید می‌کنند، اما هنوز زمانی که این امواج به زمین می‌رسند شدت آن‌ها آنقدر کاهش یافته است که تغییر طولی که روی زمین ایجاد می‌کنند بسیار ناچیز است. این تغییر طول به نسبت طول اولیه را کرنش می‌نامند، که در حدود ۱۰ به توان ۲۱- است (به این معنا که بازوی چهار کیلومتری رصدخانه‌ی لایگو به اندازه‌ی ۱۰ به توان ۲۱- برابر طولش فشرده یا کشیده می‌شود، به شکل ۳ نگاه کنید).

شکل ۵: مقایسه‌ی حساسیت  LIGO و Advanced LIGO که نشان می‌دهد برای شکار سازی امواج گرانشی ناشی از سیستمهای دوتایی Advanced LIGO در حدود ۱۰۰ مرتبه حساستر از LIGO است.

پروژه‌ی لایگوی اولیه (Initial LIGO) که از سال ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۰ میلادی مشغول به کار بود موفق به آشکارسازی امواج گرانشی نشد، این مساله منجر به تعطیلی این پروژه برای یک بازه‌ی ۵ ساله تا سال ۲۰۱۵ میلادی شد. در ماه فوریه سال ۲۰۱۵ پروژه جدید لایگوی پیشرفته (Advanced LIGO) با میزان حساسیت بسیار بیشتری در مرحله‌ی آزمایشی آغاز به کار کرد. شکل ۵ گستره‌ای از فرکانس سیستمهای دوتایی که توسط لایگو و لایگوی پیشرفته در سطح زمین قابل آشکارسازی است را نشان می‌دهد. در فرکانس حدود ۱۰۰ هرتز، آشکارساز لایگوی پیشرفته نسبت به لایگو  در حدود ۱۰۰ مرتبه حساس‌تر است.

سرانجام پروژه‌ی لایگوی پیشرفته در مرحله آزمایشی خود در سپتامبر ۲۰۱۵ برای نخستین بار موفق به آشکارسازی امواج گرانشی شد. این خبر که به طور رسمی در روز ۱۱ فوریه  ۲۰۱۶ اعلام گردید، خبر از آشکارسازی امواج گرانشی با فرکانس حدود ۴۰ هرتز ناشی از دو سیاهچاله در یک سیستم دوتایی می‌داد. این موج که ابتدا توسط آشکارساز واقع در لوییزیانا رصد شد، ۷ میلی ثانیه بعد توسط مرکز واشنگتن نیز مورد آشکار سازی قرار گرفت. بررسی  دقیق این سیگنال نشان می دهد این سیگنال ناشی از امواج گرانشی ساطع شده از یک سیستم دوتایی با سیاهچاله‌هایی با جرمی در حدود ۳۰ برابر جرم خورشید است که در فاصله ۱.۳ میلیون نوری ما قرار دارند.

شکل ۶: آشکار ساز فضایی LISA

در حال حاضر ایده‌ی نسل آینده‌ی آشکارسازهای تداخل‌سنج، یعنی آشکارسازهای فضایی وجود دارد و کشورهای مختلفی راجع به ساخت آن‌ها فکر می‌کنند. برای مثال به ایده‌ی ساخت آشکارساز لیزا (LISA: Laser Interferometer Space Antenna) مدت کوتاهی پرداخته شد ولی بودجه‌ی کافی به آن تعلق نگرفت. ایده‌ی لیزا شامل سه پایگاه فضایی بود که رئوس یک مثلث متساوی‌الاضلاع با طول ضلع ۵ میلیون کیلومتر را تشکیل می‌دهند (تصویر فرضی در شکل ۶). چنین آشکارسازی در محیط دور از نویزهای واقع در سطح زمین،  می‌تواند امواجی با فرکانس ۰.۰۳ میلی‌هرتز تا ۰.۱ هرتز را آشکار کند. آشکارسازهایی شبیه ایده‌ی پروژه‌ی لیزا قادر خواهند بود گستره‌ی وسیعی از تابش‌های گرانشی، هم‌چون امواج گرانشی ناشی از سیستم‌های نوترونی دوتایی را که حدود ۸ میلیارد سال قبل می‌زیستند یا امواج ناشی از ادغام سیاهچاله‌های ابرپرجرم را که در حدود ۱۳ میلیارد سال قبل در جهان وجود داشتند، آشکار کند.

بدون شک چنین آشکارسازهایی می‌توانند تصویر واضح‌تری از دوران اولیه‌ی کیهان برای ما ایجاد کنند، دورانی که آن را نمی‌توانیم با امواج الکترومغناطیسی رصد کنیم. رصد کیهان اولیه پس از مهبانگ به کمک امواج گرانشی، درک ما را از چگونگی تحول کیهان دگرگون خواهد کرد.