امواج گرانشی؛ روزی که جهان برای نخستینبار شنیده شد
بررسیهای اولیه نشان دادند که این اتفاق یک نویز معمولی نیست. آنچه LIGO ثبت کرده بود، حاصل برخورد دو سیاهچاله در فاصله حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری از زمین بود؛ رویدادی که فضاـزمان را به لرزه انداخت و اثر آن پس از بیش از یک میلیارد سال به زمین رسید.
صبح ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، دو آشکارساز LIGO در آمریکا تقریباً همزمان سیگنالی بسیار کوتاه و عجیب را ثبت کردند. سیگنالی که در کسری از ثانیه فرکانس آن بهسرعت افزایش پیدا کرد و سپس ناپدید شد.
به گزارش فرارو، بررسیهای اولیه نشان دادند که این اتفاق یک نویز معمولی نیست. آنچه LIGO ثبت کرده بود، حاصل برخورد دو سیاهچاله در فاصله حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری از زمین بود؛ رویدادی که فضاـزمان را به لرزه انداخت و اثر آن پس از بیش از یک میلیارد سال به زمین رسید.
برای نخستینبار در تاریخ، انسان توانست امواج گرانشی را بهطور مستقیم آشکار کند؛ پدیدهای که آلبرت اینشتین حدود یک قرن پیش وجود آن را پیشبینی کرده بود.
دو سیاهچاله در فاصله ۱.۳ میلیارد سال نوری چه کردند؟
برای درک آنچه در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ ثبت شد، باید به حدود ۱.۳ میلیارد سال قبل برگردیم. در نقطهای بسیار دور از جهان، دو سیاهچاله در حال چرخش به دور یکدیگر بودند.
جرم یکی از این سیاهچالهها حدود ۳۶ برابر جرم خورشید و جرم دیگری حدود ۲۹ برابر جرم خورشید بود. این دو جرم فوقالعاده سنگین بهتدریج به یکدیگر نزدیک میشدند.
طبق نسبیت عام، اجرام بسیار پرجرمی که به دور یکدیگر میچرخند، بخشی از انرژی خود را به شکل امواج گرانشی از دست میدهند. با کاهش انرژی، مدار آنها کوچکتر میشود و دو سیاهچاله با سرعت بیشتری به دور یکدیگر میچرخند.
هرچه فاصله کمتر میشد، شدت امواج گرانشی نیز افزایش پیدا میکرد.
در آخرین مرحله، فاصله دو سیاهچاله به چند صد کیلومتر رسید و سرعت چرخش آنها بهشدت افزایش یافت. فرکانس امواج گرانشی نیز همراه با این فرایند بالا رفت؛ الگویی که بعدها در دادههای LIGO بهوضوح دیده شد.
دانشمندان این الگو را «چهچه» یا Chirp نامیدهاند. دلیل این نامگذاری هم ساده است؛ اگر سیگنال ثبتشده به صدا تبدیل شود، صدایی کوتاه شنیده میشود که فرکانس آن بهسرعت بالا میرود.
سه جرم خورشیدی کجا رفت؟
در لحظه ادغام، دو سیاهچاله با یکدیگر برخورد کردند و سیاهچالهای بزرگتر شکل گرفت. اما مقایسه جرمها نکته جالبی را نشان میداد.
جرم دو سیاهچاله پیش از ادغام در مجموع حدود ۶۵ برابر جرم خورشید بود، درحالیکه جرم سیاهچاله نهایی حدود ۶۲ برابر جرم خورشید محاسبه شد.
پس حدود سه برابر جرم خورشید کجا رفته بود؟
این جرم ناپدید نشده بود. بخش قابل توجهی از آن طبق رابطه معروف E=mc² به انرژی تبدیل و به شکل امواج گرانشی در فضا منتشر شده بود.
تحلیلهای منتشرشده در سال ۲۰۱۶ نشان دادند که انرژی تابششده در این رویداد حدود ۵.۳ ضربدر ۱۰ به توان ۴۷ ژول بوده است. توان تابش امواج گرانشی نیز در لحظه اوج ادغام به حدود ۳.۵ ضربدر ۱۰ به توان ۴۹ وات رسید.
با این حال، این رویداد را نمیشد با تلسکوپهای معمولی دید. پیام اصلی برخورد نه به شکل نور، بلکه به صورت موجی در خود فضاـزمان منتشر شده بود.
این امواج با سرعت نور حرکت کردند و حدود ۱.۳ میلیارد سال در راه بودند تا سرانجام در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ به زمین برسند.
اینشتین چگونه پیشبینی کرد که خود فضا میتواند موج بردارد؟
داستان امواج گرانشی به سالها پیش از ساختهشدن LIGO برمیگردد.
آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ نظریه نسبیت عام را ارائه کرد و درک انسان از گرانش را تغییر داد. در فیزیک نیوتنی، گرانش نیرویی میان اجرام در نظر گرفته میشد، اما اینشتین توضیح متفاوتی ارائه کرد: جرم و انرژی باعث خمشدن فضاـزمان میشوند و اجرام در همین ساختار خمیده حرکت میکنند.
برای نمونه، جرم خورشید فضاـزمان اطراف خود را تغییر میدهد و زمین در این فضای خمیده به دور خورشید حرکت میکند.
یک سال بعد، اینشتین نشان داد که حرکت شتابدار اجرام بسیار پرجرم میتواند در فضاـزمان موج ایجاد کند. این موج از منبع دور میشود و با سرعت نور در جهان حرکت میکند؛ همان چیزی که امروز آن را «موج گرانشی» مینامیم.
اما موج گرانشی را نباید با موج صوتی مقایسه کرد. صوت برای انتشار به محیطی مانند هوا نیاز دارد، درحالیکه موج گرانشی در محیطی جداگانه حرکت نمیکند. در اینجا خود فضاـزمان برای لحظاتی کشیده و فشرده میشود.
اگر حلقهای از ذرات آزاد را در فضا تصور کنیم، عبور موج گرانشی باعث میشود فاصله ذرات در یک جهت افزایش و در جهت عمود بر آن کاهش پیدا کند. لحظهای بعد، این الگو برعکس میشود و در نهایت فاصلهها دوباره به حالت اولیه نزدیک میشوند.
اما مشکل بزرگ اینجا بود: این تغییرات آنقدر کوچک هستند که با حواس انسان قابل تشخیص نیستند.
LIGO چگونه لرزش فضا را اندازه گرفت؟
دانشمندان برای آشکار کردن چنین تغییر کوچکی به ابزاری با دقت فوقالعاده بالا نیاز داشتند. راهحل، استفاده از نور و تداخلسنج لیزری بود.
در LIGO، یک پرتو لیزر به دو بخش تقسیم میشود. هر بخش وارد یکی از دو بازوی عمود بر هم میشود؛ بازوهایی که هرکدام چهار کیلومتر طول دارند.
پرتوها پس از رسیدن به آینههای انتهای بازوها بازمیگردند و دوباره با یکدیگر ترکیب میشوند.
در شرایط عادی، مسیر دو پرتو بهگونهای تنظیم شده که هنگام بازگشت تقریباً یکدیگر را خنثی کنند. اما اگر موج گرانشی از آشکارساز عبور کند، طول یکی از بازوها برای لحظهای کمی افزایش و طول بازوی دیگر کمی کاهش پیدا میکند.
درنتیجه، الگوی تداخل نور تغییر میکند و همین تغییر کوچک میتواند نشانه عبور موج گرانشی باشد.
اندازه این تغییر اما حیرتانگیز است. در نخستین رویداد ثبتشده، کرنش موج حدود ۱۰ به توان منفی ۲۱ بود.
به زبان ساده، LIGO باید تغییری در طول بازوهای چهارکیلومتری خود را تشخیص میداد که بسیار کوچکتر از اندازه یک پروتون بود.
چطور نویز زمین را از موج گرانشی جدا کردند؟
روی زمین عوامل زیادی میتوانند چنین اندازهگیری حساسی را مختل کنند؛ از عبور خودروها و زمینلرزههای دوردست گرفته تا لرزشهای محیط، تغییرات دما و حتی نویز تجهیزات خود آشکارساز.
به همین دلیل LIGO یک آشکارساز واحد نیست. دو آشکارساز آن در هانفورد واشنگتن و لیوینگستون لوئیزیانا قرار دارند.
اگر یک لرزش محلی باعث ایجاد سیگنال شود، احتمالاً فقط یکی از آشکارسازها آن را ثبت میکند. اما یک موج گرانشی واقعی باید با اختلاف زمانی مشخص در هر دو آشکارساز دیده شود.
«راینر وایس» از اواخر دهه ۱۹۶۰ روی همین مسئله تمرکز کرده بود. او بررسی کرد که چگونه لرزشهای زمین، نویز حرارتی و محدودیتهای لیزر میتوانند اندازهگیری را مختل کنند و چه راهی برای کاهش این عوامل وجود دارد.
یک سیگنال چنددهمثانیهای چه چیزی را فاش کرد؟
ثبت GW150914 تنها شروع کار بود. دانشمندان باید از روی همین سیگنال کوتاه میفهمیدند چه اتفاقی در میلیاردها سال نوری دورتر رخ داده است.
فرکانس سیگنال از حدود ۳۵ هرتز آغاز شد و در مدت کوتاهی تا حدود ۲۵۰ هرتز افزایش پیدا کرد. همزمان دامنه موج نیز بیشتر شد؛ الگویی که با نزدیکشدن سریع دو سیاهچاله و سپس ادغام آنها مطابقت داشت.
پس از برخورد، سیگنال بهسرعت ضعیف شد؛ نشانهای از اینکه سیاهچاله تازهتشکیلشده در حال رسیدن به وضعیت پایدار خود بوده است.
البته دانشمندان پیش از اعلام نتیجه باید احتمال خطا و نویز را بررسی میکردند. دادهها با الگوهای نظری مختلف مقایسه شدند و در یکی از تحلیلهای اصلی، احتمال اینکه چنین سیگنالی صرفاً حاصل نویز باشد، کمتر از یک مورد در ۲۰۳ هزار سال برآورد شد.
همین سیگنال کوتاه اطلاعات زیادی درباره جرم سیاهچالهها، جرم سیاهچاله نهایی، فاصله منبع و نحوه حرکت آنها در اختیار دانشمندان قرار داد.
کشفی که چند دهه طول کشید و به نوبل رسید
آشکارسازی امواج گرانشی حاصل یک آزمایش چندماهه یا کار یک دانشمند نبود. پشت این موفقیت چند دهه تلاش نظری، مهندسی و آزمایشگاهی قرار داشت.
در دهه ۱۹۶۰، «جوزف وبر» تلاش کرد امواج گرانشی را با استفاده از میلههای تشدیدکننده آشکار کند. او حتی مدعی ثبت چنین امواجی شد، اما گروههای دیگر نتوانستند نتایج او را تکرار کنند.
در همان سالها، راینر وایس هنگام تدریس نسبیت عام به مسئله اندازهگیری تغییر فاصله میان اجرام آزاد در اثر عبور موج گرانشی پرداخت. این ایده بعدها او را به سمت استفاده از تداخلسنج لیزری هدایت کرد.
«کیپ تورن» نیز روی جنبههای نظری امواج گرانشی و منابع احتمالی آنها کار میکرد. سالها بعد، «بری بریش» نقش مهمی در سازماندهی و توسعه پروژه LIGO داشت.
سرانجام این تلاش طولانی در سال ۲۰۱۷ به جایزه نوبل فیزیک رسید. نیمی از جایزه به راینر وایس و نیم دیگر بهطور مشترک به بریش و تورن تعلق گرفت.
با این حال، کشف امواج گرانشی نتیجه کار سه نفر نبود. صدها دانشمند، مهندس و پژوهشگر در ساخت آشکارسازها، کاهش نویز، تحلیل دادهها و توسعه مدلهای نظری نقش داشتند.
اما این تازه آغاز ماجرا بود.
وقتی امواج گرانشی و نور یک رویداد را روایت کردند
در ۱۷ اوت ۲۰۱۷، آشکارسازهای امواج گرانشی با سیگنال متفاوتی روبهرو شدند. این بار سیگنال حدود ۱۰۰ ثانیه ادامه داشت و شکل آن نشان میداد منبع، دو سیاهچاله سنگین نیست.
بررسیها نشان دادند که دو ستاره نوترونی در حال نزدیکشدن و ادغام هستند.
ستاره نوترونی هسته بسیار فشردهای است که پس از مرگ برخی ستارههای پرجرم باقی میماند. این اجرام جرمی در حد خورشید دارند، اما اندازه آنها تقریباً در حد یک شهر است.
این رویداد با نام GW170817 شناخته شد.
اما اتفاق مهم دیگری نیز در راه بود. تنها حدود ۱.۷ ثانیه پس از رسیدن موج گرانشی، تلسکوپ فضایی فرمی ناسا یک فوران کوتاه پرتو گاما را از همان بخش کلی آسمان ثبت کرد.
برای نخستینبار، دانشمندان تقریباً همزمان نشانههای یک رویداد کیهانی را از دو مسیر دریافت کردند: امواج گرانشی و نور.
اطلاعات LIGO و Virgo در کنار دادههای رصدخانههای پرتو گاما، محدوده جستوجو را کوچکتر کرد. حدود ۱۱ ساعت بعد، یک منبع نوری تازه در کهکشان NGC 4993 شناسایی شد.
این بار دانشمندان نهتنها برخورد دو ستاره نوترونی را «شنیده» بودند، بلکه توانستند اثر نوری آن را نیز ببینند.
دهها رصدخانه زمینی و فضایی نیز این رویداد را در طولموجهای مختلف دنبال کردند. از امواج رادیویی و نور مرئی گرفته تا پرتو ایکس و گاما.
دوره تازهای در اخترشناسی آغاز شده بود؛ دورهای که دانشمندان آن را «اخترشناسی چندپیامرسان» مینامند.
برخورد ستارههای نوترونی چگونه طلا میسازد؟
GW170817 فقط درباره سرنوشت دو ستاره نوترونی اطلاعات نمیداد. این رویداد سرنخ مهمی درباره منشأ برخی از سنگینترین عناصر جهان نیز در اختیار دانشمندان گذاشت.
سالها این پرسش مطرح بود که عناصری مانند طلا و پلاتین دقیقاً در چه شرایطی شکل میگیرند.
برخورد دو ستاره نوترونی میتواند محیطی سرشار از نوترون ایجاد کند. هنگام ادغام، مقدار زیادی ماده غنی از نوترون با سرعت زیاد به فضا پرتاب میشود.
در چنین محیطی، هستههای اتمی میتوانند در مدت کوتاهی تعداد زیادی نوترون جذب کنند و عناصر سنگینتری شکل بگیرد. این فرایند «جذب سریع نوترون» نام دارد.
پس از GW170817، تلسکوپها در محل برخورد یک درخشش تازه را دنبال کردند. تغییر رنگ و روشنایی این نور در روزهای بعد، شواهد مهمی ارائه کرد که نشان میداد عناصری سنگین مانند طلا و پلاتین در این رویداد شکل گرفتهاند.
گام بعدی؛ شکار امواج گرانشی از فضا
LIGO با وجود حساسیت فوقالعاده زیاد، قادر نیست همه انواع امواج گرانشی را ثبت کند. هر آشکارساز به محدوده مشخصی از فرکانسها حساس است.
آشکارسازهای زمینی برای شناسایی امواج ناشی از برخورد سیاهچالههای ستارهای و ستارههای نوترونی بسیار مناسب هستند، اما برخی امواج گرانشی فرکانس بسیار پایینتری دارند.
برای شکار این امواج باید به سراغ ابزاری بسیار بزرگتر رفت.
اینجاست که LISA مطرح میشود؛ رصدخانهای فضایی که برای شناسایی امواج گرانشی با فرکانس پایین طراحی شده است.
LISA قرار است از سه فضاپیما تشکیل شود که با فاصله حدود ۲.۵ میلیون کیلومتر از یکدیگر، آرایشی مثلثی در فضا ایجاد میکنند. پرتوهای لیزر میان این فضاپیماها رفتوآمد خواهند کرد و فاصله آنها را با دقت بسیار بالا اندازه میگیرند.
عبور موج گرانشی میتواند این فاصله را به مقدار بسیار ناچیزی تغییر دهد؛ تغییری که LISA برای اندازهگیری آن طراحی شده است.
این رصدخانه قرار است در دهه ۲۰۳۰ فعالیت خود را آغاز کند و به سراغ منابعی برود که آشکارسازهای زمینی توانایی مشاهده آنها را ندارند؛ از منظومههای دوتایی ستارههای فشرده گرفته تا ادغام سیاهچالههای کلانجرم در مرکز کهکشانها.
جهان دیگر برای ما ساکت نیست
کشف امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵ پایان یک جستوجوی طولانی نبود؛ بلکه شروع راهی تازه برای شناخت جهان بود.
تا پیش از آن، بخش عمده اطلاعات ما از کیهان از طریق نور به دست میآمد؛ از نور مرئی و امواج رادیویی گرفته تا فروسرخ، پرتو ایکس و پرتو گاما.
اما در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، پیام یک رویداد کیهانی از مسیر دیگری به زمین رسید؛ نه با نور، بلکه به شکل موجی در خود فضاـزمان.
دو سال بعد، GW170817 نشان داد که ترکیب امواج گرانشی و نور میتواند تصویر بسیار کاملتری از رویدادهای کیهانی در اختیار ما بگذارد؛ از نحوه برخورد ستارههای نوترونی گرفته تا چگونگی شکلگیری عناصر سنگین و رفتار ماده در شدیدترین شرایط ممکن.
همه اینها با یک سیگنال کوتاه آغاز شد؛ سیگنالی که بیش از یک میلیارد سال در فضا سفر کرده بود و در چند دهم ثانیه از آشکارسازهای LIGO عبور کرد.
روی زمین هیچکس چیزی احساس نکرد. اما همان چند دهم ثانیه کافی بود تا پیشبینی تقریباً صدساله اینشتین برای نخستینبار بهطور مستقیم ثبت شود.
امواج گرانشی همیشه در جهان وجود داشتند؛ این ما بودیم که سرانجام توانستیم آنها را اندازه بگیریم.
