تبلیغات

کشف بزرگ: امواج گرانشی بعد از چند دهه جستجو بالاخره در آزمایشگاه لیگو شناسایی شدند

figure1__1_.0

محققان رصدخانه تداخل‌سنج لیزری موج گرانشی موسوم به لیگو (LIGO) دیروز (۱۱ فوریه، ۲۲ بهمن) اعلام کردند که موفق شدند برای اولین بار در تاریخ، موج‌های گرانشی را مستقیماً شناسایی کنند. برای شناسایی این موج‌های اسرارآمیز در فضا-زمان که وجود آن‌ها حدود ۱۰۰ سال پیش توسط آلبرت اینشتین در نظریه معروف نسبیت عام پیش‌بینی شده بود، دانشمندان مجبور به اندازه‌گیری یک جابجایی به‌اندازه ۱۰۰۰۰ برابر کوچک‌تر از قطر پروتون (ذره زیر اتمی با بار مثبت) بودند. کنجکاو شدید؟ در ادامه با ترنجی همراه باشید و گزارشی جامع و کامل در مورد این رویداد مهم بخوانید…

به گفته محققان، موج‌های گرانشی شناسایی‌شده، حاصل ادغام دو سیاه‌چاله متوسط حدود ۱/۳ میلیارد سال پیش بوده که با سرعت نور در فضا حرکت می‌کرده و به زمین رسیده است و توسط دو شناساگر بزرگ رصدخانه لیگو در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ (۲۳ شهریور ۱۳۹۴) به‌صورت یک سیگنال کوتاه و گذرا شناسایی شده است.

موج گرانشی چیست؟

figure1__1_.0

نظریه نسبیت عام اینشتین به‌طور کامل درک ما را از کیهان دگرگون کرد. از گذشته دور دانشمندان بر این باور بودند که فضا و زمان دو مفهوم ثابت و مستقل هستند. اما نظریه نسبیت عام اینشتین فضا و زمان را باهم در یک مدل چهاربعدی موسوم به فضا-زمان تلفیق کرد و فضا-زمان به‌هیچ‌وجه ثابت نیست.

این نظریه همچنین درک ما را از گرانش دگرگون کرد. بنا بر فیزیک نیوتونی، تمام اجرام در کیهان توسط نیروی گرانش به هم جذب می‌شوند. اما اینشتین پیشنهاد داد که اجسام فضا-زمان اطراف خود را خمیده می‌کنند و یک کشش گرانشی ایجاد می‌کنند. برای مثال، یک توپ بولینگ را در وسط یک پتوی کشیده شده در نظر بگیرید. اگر یک تیله را با یک سرعت اولیه روی پتو رها کنید، در مسیری منحنی در فضای اطراف خمیدگی ناشی از وزن توپ بولینگ حرکت می‌کند. اجسام کوچک‌تری مانند سیارک‌ها و ماهواره‌ها وقتی در کنار یک جسم بزرگ مانند سیاره حرکت می‌کنند، رفتاری مشابه همین تیله دارند و انحنای فضا-زمان ایجادشده توسط جسم بزرگ‌تر را دنبال می‌کنند.

gravitational-gif.0

وقتی اجسام در کیهان حرکت می‌کنند، در حال حرکت نیز انحنای فضا-زمان را تغییر می‌دهند. حرکت هر جسمی (از خود شما گرفته تا یک سیاهچاله فوق سنگین) موج گرانشی تولید می‌کند.

اغلب افراد در جامعه علمی باور دارند که امواج گرانشی واقعیت دارند. اما کسی تاکنون اثباتش نکرده بود و دلیلش این است که سیگنال ناشی از امواج گرانشی فوق‌العاده ضعیف هستند. وقتی ما حرکت می‌کنیم، امواج گرانشی تولیدشده ما آن‌قدر ضعیف هستند که عملاً قابل‌اندازه‌گیری نیست. حرکت زمین به دور خورشید هم موج گرانشی تولید می‌کند، ما بازهم بسیار ضعیف است.

اما هرچه جسم سنگین‌تر باشد، موج گرانشی قوی‌تری نیز تولید می‌کند. اجرام فوق‌العاده سنگین و چگال، مانند سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی که با سرعت‌های بسیار زیادی نیز حرکت می‌کنند، امواج گرانشی به‌قدر کافی قوی تولید می‌کنند که در زمین قابل‌اندازه‌گیری باشد (هرچند، بسیار دشوار). و این کاری است که دانشمندان پروژه لیگو انجام دادند.

ویدئوی زیر در توضیح تولید موج گرانشی در ادغام دو سیاهچاله را تماشا کنید:

شناساگرهای فوق حساس

شناساگرهای لیگو در لیوینگستون ایالت لوئیزیانا و هان فورد ایالت واشنگتن هستند. هریک از این شناساگرها از یک سازه غول‌پیکر L شکل با بازوهای ۴ کیلومتری ساخته شده است. یک پرتو لیزر از تقاطع L به سمت انتهای هر بازو می‌تابد و در انتهای بازو آینه‌هایی وجود دارند که این پرتوها را انعکاس می‌دهند.

تصویری از یک مجتمع لیگو در لیوینگستون ایالت لوئیزیانا:

Atmosphere-Aerial-LIGO_021016

اگر هر دو پرتو هم‌زمان به محل تابش بازگردند، همدیگر را خنثی می‌کنند (تداخل ویرانگر) و در شناساگر نوری سیستم هیچ سیگنالی تولید نمی‌شود. این سناریو، حالت عادی و مورد انتظار است. اما درصورتی‌که یکی از سیگنال‌ها اندکی دیرتر برسد، سیگنالی تولید می‌شود که می‌تواند نشانه امواج گرانشی باشد.

تصویری از یکی از آینه‌های جرم آزمون لیگو:

DSC_7804.0

امواج گرانشی، بافت فضا-زمان را دچار اعوجاج می‌کنند. موجی که از شناساگر لیگو می‌گذرد (البته تعبیر «می‌گذرد» درست نیست و فقط برای درک بهتر بیان می‌شود، چراکه امواج گرانشی به‌صورت معنادار با ماده تعامل ندارند) فضا-زمان را در یکی از دو بازوی L کشیده و در دیگری متراکم می‌کند (هرچند بسیار ناچیز).

ضمناً، عبارت «هرچند ناچیز» بازهم نمی‌تواند میزان ریز بودن این اختلاف را آن‌طور که باید، بیان کند. اثری که لیگو در ماه سپتامبر شناسایی کرد، مربوط به تغییر مکانی در حد یک میلیونیم میلیونیم میلیونیم متر است (به گفته اعضای گروه پروژه، در حد یک ده‌هزارم قطر پروتون).

دیوید ریتز از موسسه فنّاوری کالیفرنیا (CalTech) و سرپرست اجرایی آزمایشگاه لیگو، دیروز در یک اجلاس خبری گفت که برای درک این دقت می‌توان این‌چنین توضیح داد که این دقت در این حد است که فاصله خورشید تا نزدیک‌ترین ستاره یعنی پروکسیما قنطورس که در فاصله ۴/۲۵ سال نوری قرار دارد (سال نوری فاصله‌ای است که نور با سرعت حدود ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه در یک سال طی می‌کند) با دقتی در حد یک تار موی انسان اندازه‌گیری شود.

ریتز همچنین افزود:

لیگو دقیق‌ترین ابزار اندازه‌گیری است که تاکنون ساخته شده است.

دستیابی به این حد از دقت و حساسیت کار ساده‌ای نیست. برای مثال، به گفته اعضای گروه پروژه، پرتوهای لیزر آزمایشگاه لیگو در طور بازوهای شناساگر در محیطی تقریباً‌ نزدیک به خلأ مطلق حرکت می‌کنند و آینه‌های این دستگاه پیچیده از آونگ‌هایی در یک ساختار تعلیق چهارتایی پیچیده آویخته شده‌اند تا از هرگونه تکان و لرزش ناشی از ارتعاش سطح زمین ایزوله شوند.

تصویری از یک تکنسین در حال کار روی لوازم اپتیک تداخل‌سنج لیزری رصدخانه لیگو:

ligo-gravitational-waves-detector-technicians

علاوه بر این، شناسایی تاریخی این آزمایشگاه بدون یک اورهال اساسی شناساگرهای لیگو ممکن نبود. این آزمایشگاه ابتدا در بازه زمانی بین ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۰ فرآیند شکار امواج گرانشی را آغاز کرد. سپس در پروژه یک وقفه پنج‌ساله ایجاد شد و اعضای گروه، طراحی‌های مجدد انجام داده و ابزار آزمایشگاه را ارتقا دادند تا یک «لیگوی پیشرفته» جدید متولد شود.

به بیان نمایندگان پروژه، لیگوی پیشرفته دارای حساسیتی ۱۰ برابر لیگوی اولیه است. این ابزار جدید، اولین کمپین رسمی مشاهده خود را در سپتامبر ۲۰۱۵ آغاز کرد که چند روز پس‌ازاین مشاهده تاریخی آغاز شد. درواقع این مشاهده مهم نه در مأموریت اصلی، بلکه در راه‌اندازی آزمایشی سیستم انجام شد.

به گفته اعضای گروه پروژه، با توجه به این واقعیت که لیگوی پیشرفته به‌محض راه‌اندازی موفق به شناسایی یک موج گرانشی شده، می‌توان امیدوار بود که در آینده نزدیک، موج‌های گرانشی بیشتری شناسایی شوند.

کیپ ثورن، یکی از پایه‌گذاران پروژه از موسسه فنّاوری کالیفرنیا (و مشاور علمی فیلم علمی-تخیلی اینتراستلار و رمان و فیلم Contact) گفته:

انتظار داریم طی سال جاری چند مورد دیگر (موج گرانشی) نیز مشاهده کنیم.

ویدئوی زیر، فرآیند کشف امواج گرانشی در پروژه لیگو را توضیح می‌دهد:

از پیش‌بینی تا کشف: تاریخچه‌ای از جستجوی موج گرانشی

اگر فرض کنیم یافته‌های جدید لیگو منطبق بر واقعیت هستند، دانشمندان در یک قرن گذشته چند بار به‌اشتباه اعلام کرده بودند که موج گرانشی را کشف کرده‌اند و این بار واقعاً توانسته‌اند این موج را کشف کنند. مروری بر تاریخچه این موج:

سال ۱۹۱۵: آلبرت اینشتین مقاله نظریه نسبیت عام را منتشر کرد و توضیح داد که چگونه گرانش می‌تواند فضا-زمان را به کمک جرم یا انرژی خمیده کند.

سال ۱۹۱۶: آلبرت اینشتین پیش‌بینی کرد که اجسام بسیار سنگین که به شکل خاصی دورهم می‌گردند، می‌توانند اعوجاج‌هایی در فضا-زمان ایجاد کنند که موج گرانشی نام دارد.

سال ۱۹۳۶: آلبرت اینشتین به نتایج دیگری می‌رسد و در یک دست‌نوشته بحث می‌کند که این امواج وجود ندارند تا اینکه یک نفر در مروری بر نوشته، اشتباه آن را نشان می‌دهد.

سال ۱۹۶۲: دو فیزیکدان روس به‌نام‌های M. E. Gertsenshtein و V. I. Pustovoit یک مقاله منتشر کردند که در آن نقشه یک روش اپتیک برای شناسایی امواج گرانشی ارائه شده بود که موردتوجه قرار نگرفت.

سال ۱۹۶۹: فیزیکدانی به‌نام جوزف وبر ادعا کرد که به کمک سیلندرهای بزرگ و سنگین آلومینیومی توانسته امواج گرانشی را شناسایی کند، اما تلاش برای تولید دوباره نتایج، موفق نبود.

سال ۱۹۷۲: رینر ویس از موسسه فناوری ماساچوست در کمبریج به‌صورت مستقل روشی اپتیک برای شناسایی این امواج پیشنهاد کرد.

سال ۱۹۷۴: منجمان یک تپ-اختر (نوعی جرم آسمانی که پالس رادیویی تولید می‌کند) را در مدار یک ستاره نوترونی کشف کردند که به نظر می‌رسد سرعت آن رو به کاهش است و این می‌تواند ناشی از تشعشع گرانشی (انتشار موج گرانشی) باشد. این کار پژوهشی بعداً جایزه نوبل را برای محققان آن به ارمغان آورد.

سال ۱۹۷۹: بنیاد ملی علوم آمریکا به موسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا، و موسسه فناوری ماساچوست، بودجه طراحی لیگو را اختصاص داد.

سال ۱۹۹۰: بنیاد ملی علوم موافقت کرد که بودجه ۲۵۰ میلیون دلاری آزمایش لیگو را تأمین کند.

سال ۱۹۹۲: مراکزی در واشنگتن و لوئیزیانا برای تأسیسات لیگو انتخاب شد و عملیات ساخت‌وساز دو سال بعد آغاز شد.

سال ۱۹۹۵: عملیات ساخت شناساگر موج گرانشی GEO600 در آلمان آغاز شد که با لیگو همکاری کرد و جمع‌آوری داده را از ۲۰۰۲ آغاز کرد.

سال ۱۹۹۶: عملیات ساخت شناساگر VIRGO در ایتالیا آغاز شد که آن‌هم در ۲۰۰۷ داده‌برداری را آغاز کرد.

سال ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۰: مرحله اولیه پروژه لیگو اجرا شد (هشت سال) و هیچ موج گرانشی شناسایی نشد.

سال ۲۰۰۷: لیگو و VIRGO توافق کردند که اطلاعات همدیگر را به اشتراک بگذارند و یک شبکه واحد جهانی از شناساگرهای امواج گرانشی تشکیل دهند.

سال ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۵: ارتقای شناساگرهای LIGO که ۲۰۵ میلیون دلار هزینه داشت.

سال ۲۰۱۵: لیگوی پیشرفته در ماه سپتامبر شروع به کار کرد.

سال ۲۰۱۶: در ۱۱ فوریه (دیروز) بنیاد ملی علوم و گروه لیگو شناسایی موفقیت‌آمیز موج‌های گرانشی را اعلام کردند.

تأیید یافته‌ها

در چهاردهم سپتامبر ۲۰۱۵ سیگنال‌هایی با فاصله زمانی ۷ میلی‌ثانیه توسط شناساگرهای لیگو شناسایی شدند. این شناسایی دوگانه به اعضای گروه این اطمینان را داد که شاهد یک پدیده اخترفیزیکی واقعی هستند و خطای اندازه‌گیری و شرایط محیطی محلی نیست.

اما آن‌ها همچنان دشواری بررسی توضیح‌های متعدد دیگر را نیز به دوش کشیدند و موشکافانه گستره‌ای از اطلاعات شناساگرها و خروجی ابزارهای اندازه‌گیری محل آزمایشگاه را که فعالیت زمین‌لرزه‌ای، تداخل رادیویی و منابع احتمالی دیگر نویز را اندازه‌گیری می‌کنند و ممکن است شبیه به سیگنال موج گرانشی باشند بررسی کردند.

یکی از پایه‌گذاران پروژه به‌نام رینر ویس از موسسه فناوری ماساچوست (MIT) گفته:

خیلی طول کشید که این (نتایج) را بیرون بکشیم، و این (نویزها) بخشی از دلایل (این تأخیر) هستند.

به گفته گابریلا گنزالز، سخنگوی همکاری علمی پروژه لیگو و استاد فیزیک و نجوم دانشگاه ایالتی لوئیزیانا، سیگنال مشاهده‌شده همچنین با دقت خوبی بر نتایج پیش‌بینی‌شده در مدل‌های کامپیوتری ادغام سیاهچاله‌ها که توسط ابرکامپیوترها حل‌شده منطبق است.

جزئیات سیگنال به اعضای گروه پروژه لیگو امکان تخمین جرم این دو سیاهچاله را داد. جرم سیاهچاله‌ها حدود ۲۹ و ۳۶ برابر جرم خورشید تخمین زده شد. سیاهچاله واحد حاصل از ادغام این دو سیاهچاله، جرمی حدود ۶۲ برابر جرم خورشید دارد.

این اختلاف جرم بین مجموع جرم‌ها و جرم نهایی سیاهچاله واحد را گنزالز به این صورت توضیح داده:

این اختلاف برابر با سه جرم خورشیدی به‌صورت انرژی درآمده و به‌صورت موج گرانشی گسیل شده است. این مقدار انرژی بسیار بزرگ است و تمام این‌ها را از روی این شکل موج که در کسری از ثانیه مشاهده شده، می‌توانیم نتیجه بگیریم.

گنزالز افزود که جزئیات بیشتر نهفته در سیگنال نشان داده که منبع گسیل موج در فاصله ۱/۳ میلیارد سال نوری از ما قرار دارد و اختلاف‌زمانی بین سیگنال‌های مشاهده‌شده در لوئیزیانا و واشنگتن هم اطلاعات بیشتری در اختیار محققان قرار داد و به گروه لیگو امکان داد که مثلث یابی کرده و جهت منبع موج را با دقت یک درجه تعیین کنند.

گنزالز دراین‌باره گفت:

می‌توانیم بگوییم که این (موج) از سمت آسمان نیمکره جنوبی و از جهت تقریبی ابر ماژلانی منتشر شده است.

تصویری دیگر از یک شناساگر لیگو در لوئیزیانا:

Livingston

مجموعه لیگو، نتایج را در یک شماره جدید نشریه Physical Review Letters منتشر کرده است.

پروژه لیگو توسط دانشمندان موسسه فناوری کالیفرنیا و ماساچوست اداره می‌شود و بودجه آن از بنیاد ملی علوم آمریکا تأمین می‌شود.

طرح‌های آینده

LISA-waves.0

اگر اندازه‌گیری‌های لیگو به همین صورت ادامه پیدا کند، موج جدیدی در جامعه علمی به حرکت در خواهد آمد. امواج گرانشی راهی بالقوه برای مطالعه اجرامی هستند که نوری منتشر نمی‌کنند. به این معنا که مؤسسات تحقیقاتی بیشتری در راه‌های شناسایی این اجسام سرمایه‌گذاری خواهند کرد.

مارک کامیونکوفسکی، یک فیزیکدان نظری از دانشگاه جانز هاپکینز گفته:

وقتی تلسکوپ‌های رادیویی اختراع شدند، منابع رادیویی قدرتمندی را در کیهان پیدا کردیم که قبلاً‌ هرگز نمی‌شناختیم. ما اکنون چشم‌های جدیدی رو به آسمان گشوده‌ایم.

احتمالاً، شناسایی امواج گرانشی راه خود را به فضا باز خواهد کرد. آیرا تورپ، یک اخترفیزیکدان سازمان ناسا اکنون در حال کار روی پروژه LISA Pathfinder است که یک همکاری بین ناسا و آژانس فضایی اروپا است. یک فضاپیما در ماه دسامبر به فضا پرتاب شد که فناوری‌های موردنیاز برای شناساگرهای فضاپایه آینده را مورد آزمایش قرار دهد. به گفته تورپ، با کار کردن در فضا، اغتشاشات مرتبط به زمین دیگر مطرح نیست. همچنین فضای بیشتری هم برای کار کردن وجود دارد. یک شناساگر فضایی می‌تواند از پرتوهای لیزری با طول چندین میلیون کیلومتر برای شناسایی امواج گرانشی بهره ببرد. تورپ گفته:

با رفتن به فضا می‌توانیم از این واقعیت بهره ببریم که می‌توانیم شناساگر‌های به‌مراتب بزرگ‌تری بسازیم.

اما اگر واقع‌گرایانه به قضیه نگاه کنیم، این فناوری‌ها متعلق به چند دهه بعد هستند. اما تورپ گفته که کشفی که انجام‌شده، می‌تواند انگیزه‌ای برای مأموریت‌هایی مانند LISA Pathfinder باشد. موفقیت پروژه‌ای مانند لیگو برای بشریت الهام‌بخش خواهد بود که به تلاش خود در این زمینه ادامه دهد.

Space

TheVerge

Sciencemag

لینک کوتاه

Closeبرای امتیاز دهی به این مطلب، لطفا وارد شوید: برای ورود کلیک کنید

فروش اسکریپت

اسکریپت مجله تفریحی فان سیتی به فروش میرسد. جهت دریافت اطلاعات بیشتر به صفحه زیر مراجعه کنید.

فروش اسکریپت

گزارش تخلف

تمامی مطالب از سایت های مجاز فارسی و ایرانی تهیه و جمع آوری شده است، در صورت وجود هرگونه مشکل از طریق صفحه گزارش تخلف اطلاع دهید.

تبلیغات


جدیدترین اخبار

داغ ترین اخبار