آشنایی با امواج گرانشی

در سپتامبر سال ۲۰۱۵، سیستم لایگو به لایگوی پیشرفته،‌ سیستمی حساس‌تر با توانایی بالاتری در تجزیه و جداسازی اصوات، ارتقا پیدا کرد. لایگوی پیشرفته از شانس بالاتری برای جمع‌آوری مدارک قطعی درباره امواج گرانشی برخوردار بود. اکنون با کشف این امواج در لایگو، دانشمندان در گوشه و کنار جهان هیجان‌زده شده‌اند،‌ اما با توجه به اینکه خبر این کشف در بیشتر رسانه‌های خبری منعکس شده‌است،‌ بیشتر مردم با شنیدن نام امواج گرانشی با علامت سوالی بزرگ مواجه می‌شوند. این امواج کیهانی چیستند و چرا تا این حد در جوامع علمی خبرساز شده‌اند؟

• امواج گرانشی چیستند؟

امواج گرانشی آشفتگی‌هایی در تاروپود فضا-زمان هستند. اگر دست خود را در برکه آب راکدی حرکت دهید، متوجه ایجاد موج‌های کوچکی در مسیر حرکت دستتان خواهید شد که به سمت خارج از کانون ایجاد حرکت پراکنده شده و در سرتاسر برکه پخش می‌شوند. براساس نظریه آلبرت انیشتین ، زمانی که دو جرم سنگین در فضا-زمان با هم برخورد می‌کنند نیز رویدادی مشابه رخ می‌دهد.

اما فضا چگونه موجدار می‌شود؟ براساس نظریه نسبیت اینشتین، فضا-زمان تهی نیست، بلکه از تار و پودی چهاربعدی در هم تنیده شده‌است که با حرکت کردن اجرام در میان آن رانده یا کشیده خواهد شد. این اعوجاج‌ها عامل اصلی جذب گرانشی هستند. یکی از رایج‌ترین شیوه‌ها برای مصورسازی این رویداد بستن صفحه‌ای لاستیکی به یک پایه و قرار دادن جرمی سنگین روی این صفحه است. سنگینی جرم باعث می‌شود سطح لاستیکی که جرم را در برگرفته دچار خمیدگی شود. یک ستاره نیز به همین شیوه روی سیاره‌ها و دیگر اجرام کیهانی فشار وارد می‌آورد.

اگرچه مثال صفحه لاستیکی نمایش دقیق عملکرد فضا-زمان نیست،‌ اما نشان می‌دهد جایی که ما آن را تهی فرض می‌کنیم را می‌توان به شکل سطحی پویا به تصویر کشید. هر جرم دارای شتابی می‌تواند در این سطح ریزموج‌هایی ایجاد کند،‌اما موج‌های کوچک با سرعتی نسبتا بالا ناپدید می‌شوند. تنها اجرام غول‌پیکر مانند ستاره‌های نوترونی یا سیاهچاله ها  قادرند امواج گرانشی ایجاد کنند که دامنه گستردگی آن می‌تواند تا زمین امتداد داشته‌باشد.

• چطور امواج گرانشی ردیابی می‌شوند؟

آزمایش‌های متعددی برای کشف این امواج در حال اجرا بودند که در نهایت لایگو موفقیت بزرگ را به دست آورده و کشف آنها را رسما اعلام کرد. این مرکز به واسطه ردیابی اثرات این امواج در فضا-زمان به جستجوی آن پرداخته‌است: زمانی که موجی عبور می‌کند، موجب انبساط فضا در یک جهت شده و در جهتی عمودی آن را منقبض می‌سازد.

لایگو ردیابی این تغییرات را با استفاده از تجهیزاتی به نام تداخل‌سنج انجام داده‌است، این ابزار یک پرتو لیزری را به دو بخش تقسیم کرده هریک را به صورت عمودی به سمت دیگری شلیک می‌کند. اگر پرتوها مسافت‌های یکسانی را بپیمایند،‌ به واسطه آینه‌هایی بازتابیده شده و بازگردند، باید در همان راستایی قرار داشته باشند که در ابتدا تابیده شده‌اند. اما عبور یک موج کیهانی از این میان می‌تواند مسافتیکه هر پرتو نسبت به پرتو دیگر طی می‌کند را دچار تغییر  سازد و زمانی که پرتو‌ها به منبع خود باز می‌گردند،‌ دانشمندان می‌توانند تغییراتی که در آنها رخ داده را ردیابی کنند.

با این همه امواج گرانشی می‌توانند بازوهای لیزری تداخل‌سنج را دچار تغییراتی بسیار کوچک سازند: تغییری به اندازه ۱/۱۰۰۰۰ از عرض یک هسته اتم. برای پی بردن به چنین تغییر کوچکی لایگو باید می‌توانست تمامی دیگر منابع ایجاد نویز و پارازیت،‌ از جمله زمین‌لرزه‌ها و ترافیک‌ خیابان‌های نزدیک به مرکز را حذف کند. اگرچه این مرکز برای بیش از یک دهه در کشف امواج گرانشی ناموفق عمل کرد، اما ارتقایی که در سیستم آن ایجاد شد در نهایت به کشف این امواج کلیدی منتهی شد.

• چرا امواج گرانشی اهمیت دارند؟

امواج گرانشی در حقیقت رویکردی جدید برای رصد فضا هستند. برای مثال امکان ردیابی امواج ناشی از انفجار بزرگ را فراهم می‌آورند و می‌توانند اطلاعات بیشتری درباره چگونگی شکل‌گیری جهان هستی در اختیار دانشمندان قرار دهند. برخورد سیاهچاله‌ها،‌ انفجار ابرنواختران و نوسانات ستاره‌های نوترونی نیز می‌توانند عامل ایجاد این امواج باشند. از این رو ردیابی امواج گرانشی می‌تواند دیدگاهی جدید از عوامل ایجاد کننده رویداد‌های کیهانی خلق کنند. با کمک این امواج دانش نجوم متفاوت‌تر از همیشه خواهد شد. دانش نجوم با استفاده از این امواج راهکاری برای ردیابی اجرامی مانند سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی و اجرامی که شاید هنوز کسی از وجود آنها خبر ندارد، یافته‌است که از خود نور مرئی ساطع نمی‌کنند، به بیانی دیگر مرئی نبوده و با چشم قابل مشاهده نیستند؛ اما با کمک این امواج، چنین پدیده‌های نامرئی نیز قابل مطالعه خواهند‌شد.

در نهایت،‌ امواج گرانشی می‌توانند به فیزیکدانان در درک قوانین بنیادین جهان هستی کمک کند. این امواج در حقیقت بخشی کلیدی از نظریه نسبیت عام اینشتین به شمار می‌رود، با کشف آنها مدارکی بیشتر از حقیقی‌ بودن سیاهچاله‌ها در اختیار دانشمندان قرار گرفته‌است، پدیده‌هایی که مدت‌ها است اخترشناسان را دچار سردرگمی کرده‌اند. به بیانی دیگر،‌ این امواج تصویری کاملا متفاوت را از جهان هستی ترسیم خواهند‌کرد. دیوید ریتز از رصدخانه گرانشی-تداخل‌سنجی لیزری،‌لایگو، می‌گوید این اولین باری است که جهان از طریق امواج گرانشی با ما سخن میگوید، ما تا به امروز نسبت به این امواج ناشنوا بوده‌ایم.

 

منبع : همشهری آنلاین