امواج گرانشی و LIGO

در سال ۱۹۱۶، اینشتین، چند ماه بعد از فرمولبندی نهایی نسبیت عام، امواج گرانشی را فرموله کرد. او معادلات خود را به امواج خطی که توسط اجرامی با خودگرانی جزئی که در فضازمان تخت و تهی از ماده یا انرژی پخش می شوند، محدود کرد. اینشتین نمی توانست نظریه نسبیت را منتشر کند و به پیامدهای آن توجه نکند. یکی از این پیامدها امواج گرانشی بود.

براساس نظریه کلاسیک گرانش، برهمکنش گرانشی بین دو جسم، آنی است اما بر اساس نسبیت خاص، چنین چیزی ممکن نیست، زیرا سرعت نور سرعت حدی بر تمام برهمکنش هاست. یعنی هنگامی که دو جسم بر هم تأثیر گرانشی دارند، اگر یکی از آنها ناگهان شکلش را عوض کند و به این ترتیب میدان گرانشی متفاوتی بسازد، جسم دیگر به طور آنی متوجه این تغییر نمی شود بلکه اثر این تغییرها، تنها در ناحیه هایی حس می شود که مرکزش، جسم تغییر کننده است و شعاعش با سرعت نور زیاد می شود. سرانجام جسم دوم این تغییر را حس خواهد کرد. این پدیده مثل تکان دادن سر یک طناب است. نتیجه موجی است که در طناب منتشر می شود. در نسبیت عام نتیجه یک موج گرانشی است، موجی در میدان گرانشی که با سرعت نور به بیرون منتشر می شود.

تابش گرانشی که حاصل پیش بینی نظریه نسبیت عام بود، نوعی از تابش فوق العاده گریز پاست. علی رغم تلاش بسیاری از گروه های پژوهشی بسیار توانا تا سال گذشته، تشخیص مستقیم آن از دسترس دور مانده بود. محدودیت های آشکارسازی تابش گرانشی، اکثراً منشأ کلاسیکی داشتند، مانند نوفه گرمایی، ارتعاشات صوتی و نظایر آن. بر هر کدام از این محدودیت ها، با تمهیداتی نظیر سرد کردن آشکارسازها تا نزدیک صفر مطلق یا شناور کردن در فضای میدان مغناطیسی غلبه شده است. اما آثار تابش گرانشی آنقدر ناچیز است که برای تشخیص آن، آزمایش ها باید سرانجام با محدودیت هایی که اصل عدم قطعیت برقرار کرده است غلبه کنند! اما برخلاف محدودیت های کلاسیکی، هرگز نمی توان بر محدودیت های اصل عدم قطعیت هایزنبرگ فائق آمد، زیرا آنها بر اصول بنیادی فیزیک مبتنی هستند. اما در سال های اخیر روش هایی برای اجرای اندازه گیری ها مطرح شده اند که به کلی با آنچه که شاید تصور شود محدودیت های کوانتومی باشند، بی ارتباط هستند.

ویژگی های تابش گرانشی

تابش گرانشی شباهت کاملی به تابش الکترومغناطیسی دارد. امواج الکترومغناطیسی از شتاب دادن بارهای الکتریکی تولید می شوند در حالیکه امواج گرانشی از شتاب دادن جرم ها حاصل می شوند. موج الکترومغناطیسی را با کنترل تأثیرش بر بارها تشخیص می دهند، مثلا عبور موج الکترومغناطیسی (از آنتن)، بارها را (در آنتن) به حرکت در می آورد و شار حاصل، یک جریان الکتریکی را برقرار می سازد که ابتدا تقویت و سپس تشخیص داده می شود. به صورت مشابهی عبور امواج گرانشی، جرم را به حرکت وامیدارد. بارزترین اختلاف بین این دو تابش در شکل آنها نهفته است. در آزمایشگاه، تابش الکترومغناطیسی بسیار شدیدتر از تابش گرانشی است. مثلا الکترون ها هم بار دارند و هم جرم. از این رو وقتی شتاب داده شوند، هر دو شکل تابش را منتشر می سازند اما تابش الکترومغناطیسی حامل توانی در حدود 10^43 مرتبه بیشتر از تابش گرانشی است. این توان موج گرانشی متناسب با مجذور جرم نشر کننده از کار در می آید. بنابراین اگر نشر کننده بسیار سنگین باشد، نشر گرانشی هم شدیدتر خواهد بود. این امر حاکی از این است که تابش گرانشی در مباحث نجوم که نشر کننده ها اجسام سنگینی نظیر ستاره ها هستند، حائز اهمیت بیشتری است، مثلا وقتی ستاره ای با جرم نسبتا زیاد، به انتهای عمر سوخت هسته ای خود می رسد و از درون فروپاشیده می شود تا سیاهچاله ای شکل گیرد، چیزی در حدود 10^46 ژول انرژی گرانشی ایجاد می شود. با وجود این، حتی تشخیص چنین گسیل شدید تابش گرانشی، فوق العاده دشوار است. در واقع کوشش برای تشخیص تابش گرانشی، یکی از طرح های بلند پروازانه ی تحت بررسی در اخترفیزیک امروز است.

آشکارسازی امواج گرانشی

امواج گرانشی اثر بسیار ناچیزی بر آشکارسازها دارند. بنابراین آشکارسازی مستقیم آنها، امر پیچیده ای است، زیرا دامنه ی یک موج کروی، متناسب با عکس مجذور فاصله از منبع ارسال کننده افت پیدا می کند و بنابراین حتی امواجی که از منابع بسیار قوی مانند سیاهچاله ها ارسال می شوند را نیز نمی توان به سادگی آشکارسازی کرد.

آشکارسازهای امواج گرانشی از دو نوع هستند. آشکارسازهای اولیه، میله هایی فلزی با جرم بالغ بر ده ها تن بودند که با عبور موج گرانشی به ارتعاش در می آمدند. اما این حرکت فوق العاده ناچیز بود. دامنه ارتعاش انفجار تابش گرانشی مثلا از یک ستاره در حال فروپاشی نزدیک که در میله آشکارساز برقرار شود، تنها 10^(-21) m است.  این مقدار حدود یک صد بیلیونیم اندازه یک اتم است! نوع دیگر با تداخل سنج اپتیکی سروکار دارد. لیگو (LIGO) رصدخانه ی تداخل سنج لیزری موج گرانشی پیشنهادی، همان تداخل سنج مایکلسون بوده که در آن هر کدام از آینه ها، با کاواک اپتیکی فابری پرو، به طول 4 کیلومتر جایگزین شده است. برای تشخیص اختلاف در طول دو کاواک که امواج گرانشی ایجاد کرده اند، از فنون تداخل سنج لیزری استفاده می شود.

جستجو برای پیدا کردن امواج گرانشی کیهانی، اولین بار توسط وبر در ۱۹۶۰ آغاز شد. در زمانی که هنوز هیچ چیز در مورد چشمه های کیهانی احتمالی نمی دانستند و هیچ فرد دیگری تصوری از احتمال موفقیت نهایی با توجه به امکانات فنی نداشت. بعد از یک دهه تلاش، وبر اعلام کرد که آشکارسازهای او به صورت همزمان توسط امواج گرانشی برانگیخته شده اند. ایده اصلی وبر برای آشکارسازی امواج گرانشی، امروز هم هنوز به کار می رود. این ابزار استوانه ای صلب (معمولا آلومینیومی)، به قطر تقریبا نیم متر و طول ۱ یا ۲ متر است. وقتی موجی گرانشی در امتداد عمود بر محور استوانه می گذرد، نیروی کشندی ای که موج وارد می کند، می کوشد دو انتهای استوانه را دور و نزدیک کند. این دو انتها به دلیل ماده ای که بین شان قرار دارد، نمی توانند آزادانه حرکت کنند، در عوض نیروهای حاصل از عبور موج باعث می شوند دو انتها با بسامدهایی که از مشخصه های میله است، نوسان کنند، مثل دو گوی که با فنر به هم بسته شده باشند. تلاش ها برای یک دوره شش ساله و توسط ۱۵ گروه تحقیقاتی در سرتاسر جهان برای ساخت و راه اندازی آشکارسازهای میله ای مشابه ادامه یافت. متأسفانه حتی با افزایش حساسیت آشکارسازها، دلایل قانع کننده ای بر مشاهده امواج گرانشی ارائه نشد.

آشکارسازهای کنونی می توانند امواج گرانشی گسیل شده از ابرنواخترهای درون کهکشان خودی را آشکار کنند اما تا آنجا که می دانیم آخرین ابرنواختر در کهکشان ما در سال ۱۶۰۴  بوده است. پس هدف نهایی این است که آشکارسازها ۱۰۰۰۰ بار بهتر شوند تا بتوان امواج گرانشی از کهکشان های دیگر را آشکار ساخت. این امواج برای ما که روی زمین هستیم ضعیف تر هستند اما اگر ۱۰۰۰ کهکشان در دسترس قرار گیرد، می توان انتظار داشت چشمه های جالب بیشتری دیده شود. به این منظور کنگره آمریکا در سال ۱۹۹۱، ساخت دو رصدخانه تداخل سنجی لیزری را تصویب کرد که در حال حاضر مشغول به کارند. پس برنام هایی که وبر آغاز کرد، تمام نشده و وقتی نخستین بار موفق به آشکارسازی شویم، نوعی نجوم جدید آغاز می شود. با این حال تاکنون ۸ نوع آشکارساز در این زمینه ساخته شده اند:

  1. LIGO
  2. LISA
  3. Virgo
  4. Minigrail
  5. LCGT
  6. GEO 600
  7. TAMA 300
  8. CLIO

در شکل زیر مکان برخی از این آشکارسازها را مشاهده می کنید:

در این مقاله به بررسی مهمترین و موفقترین این آشکارسازها یعنی لیگو خواهیم پرداخت.

لیگو LIGO

از مهمترین پروژه های بزرگ فیزیک در زمینه ی آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی، پروژه لیگو می باشد که در سال ۱۹۹۲ توسط کیپ تورن و رونالد درور از کلتک و راینر وایز از دانشگاه MIT طراحی شد. حامی آن، بنیاد ملی علوم آمریکا NSF، بر روی این پروژه که بزرگترین طرح آن در طول این سال ها بوده، در سال ۲۰۰۲ حدود ۳۶۵ میلیون دلار سرمایه گذاری کرده است.

گروه های زیادی در سرتاسر دنیا بر روی این موضوع کار می کنند. از جمله ی آنها LSD7 است که متشکل از ۶۰۰ محقق لایق است که در حداقل ۴۰ مرکز، مشغول تحلیل داده های دریافت شده از آشکارساز لیگو می باشند.

لیگو شامل ۳ آشکارساز است. یکی از آنها در لیوینگستون و دو تای دیگر در هانسفورد واقع در واشنگتن می باشند. فاصله این دو رصدخانه همانطور که در شکل نشان داده شده است حدود ۳۰۳۰ کیلومتر است. از آنجایی که امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می کنند، می توان نتیجه گرفت که این امواج در مدت ده میلی ثانیه می توانند بین این دو رصدخانه جابجا شوند. از این طریق و با استفاده از روابط ساده ی مثلثاتی می توانند بفهمند که منبع ارسال کننده ی این امواج در آسمان کجاست.

رصد خانه لیوینگستون در منطقه ای روستایی و جنگلی واقع شده که آب و هوایی مرطوب دارد در حالیکه رصدخانه هانسفورد در منطقه ای بیابانی قرار دارد. هر دو از نواحی خالی از سکنه و به دور از آلودگی های انسانی به شمار می آیند.

http://marketbusinessnews.com/wp-content/uploads/2016/02/The-two-ligos.jpg

در هر منطقه، ساختار L شکلی با دو بازوی باریک وجود دارد که طول یکی از آنها ۲ کیلومتر و دیگری ۴ کیلومتر است. این بازوها از جنس فولاد ضدزنگ با قطر ۴ فوت (۱/۲ متر) می باشند که در آن خلأ با فشار کمتر از 107 پاسکال ایجاد شده است. برای آشکارسازی از ابزاری به نام تداخل سنج استفاده کرده اند.

طرز کار لیگو (رصدخانه تداخل سنج لیزری امواج گرانشی)

در تصویر زیر طرحواره ی دو بعدی رصدخانه تداخل سنج امواج گرانشی را مشاهده می کنید. نور لیزر در باریکه شکاف، منقسم و وارد دو بازوی تداخل سنج می شود و در آنجا چند مرتبه به جلو و عقب رفت و برگشت می کند و سرانجام در باریکه شکاف ترکیب شده و به طرف فوتو آشکارساز جهت می گیرد. آینه های انتهایی به جرم های بسیار سنگین m متصل هستند. باریکه شکاف و آینه های داخلی، به جرم های باز هم سنگین تر M وصل هستند. هر موج گرانشی گذرنده سبب می شود که این جرم ها نوسان کنند و از آنجا فازهای نسبی دو بازو تغییر می کند. در سال 1981 کارلتون کیوز نشان داد که اگر نور متراکم به جای نور معمولی به کار رود، عملکرد لیگو به طرز چشمگیری اصلاح و بهتر می شود. نور متراکم که از طریق دهانه ورودی دوم به تداخل سنج تزریق می شود، به عنوان وسیله ای برای اصلاح عمل تداخل سنج پیشنهاد شده است.

در واقع تداخل سنج ها با نشان دادن اختلاف فاز، وجود امواج گرانشی را اعلام می کنند. همانطور که در شکل مشاهده می شود، این ابزار از دو آینه تشکیل شده اند و نیز یک شکاف دهنده که با زاویه ۴۵ درجه در رأس آن قرار گرفته است. بازوهای تداخل سنج در واقع همان بازوهای مشاهده شده در رصدخانه های لیوینگستون و هانسفورد می باشند. عملیات اصلی در رأس ساختار انجام می شود بدین صورت که پرتو لیزری در آن شکافته شده و به درون هر یک از بازوها فرستاده می شود. در انتهای هر بازو، این پرتوهای لیزر به وسیله آینه های تعبیه شده بازتاب شده و در هنگام بازگشت (در آشکارساز) با یکدیگر ترکیب می شوند. در هنگامی که امواج گرانشی نداشته باشیم، این دو پرتو با یکدیگر اختلاف فاز نخواهند داشت چرا که اختلاف راه ندارند اما از آنجایی که امواج گرانشی در ساختار فضازمان اعوجاج ایجاد می کنند، با عبورشان از درون لوله ها باعث کشیده شدن یک لوله و فشرده شدن لوله دیگر می شود، و منجر به دور شدن یکی از آینه ها و نزدیکی دیگری می شود. این اختلاف راه اندک، اثر خود را در اختلاف فاز دو پرتو نشان می دهد و در حقیقت آشکارسازها برای اندازه گیری این اختلاف فازها به وجود آمده اند.

کشف پس از سال ها انتظار!

با اینکه از سال 2004 داده گیری لیگو آغاز شده بود اما هیچ اثری دال بر ثبت امواج گرانشی بدست نیامده بود. سرانجام در ۱۷ مارس ۲۰۱۴ دانشمندان مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیت سونین، وجود موج گرانشی را (به طور غیرمستقیم) ثابت کردند. جان کواچ، رئیس گروه پژوهشی این مرکز، در بیانیه ای اعلام کرد: "ردیابی این علائم مهمترین هدف اخترشناسی مدرن بوده است. این شواهد را تلسکوپی به نام "کلیک بایسپ" که در قطب جنوب نصب شده ثبت کرده است. این تلسکوپ امواج مایکروویو فضا را برای ثبت انرژی انفجار بزرگ پایش می کند.

در ۱۱ فوریه ۲۰۱۶ پژوهشگران در LIGO موفق به مشاهده مستقیم امواج گرانشی برای نخستین بار شدند. موج مشاهده شده ناشی از ترکیب دو سیاه چاله با جرم های تقریبی ۳۶ و ۲۹ برابر جرم خورشید، و در فاصله تقریبی ۴۱۰ مگاپارسک (حدود ۳٫۱ میلیارد سال نوری) از زمین بود. موج گرانشی ناشی از تبدیل جرمی معادل با سه برابر جرم خورشید به انرژی در هنگام ترکیب دو سیاه چاله با یکدیگر بود. این اولین مشاهده از ترکیب دو سیاه چاله با یکدیگر نیز به حساب می آید.

این کشف که یکی از مهمترین کشفیات اخترشناسی و فیزیک ارزیابی می شود به دانشمندان امکان می دهد که برای نخستین بار پژواک انفجار بزرگ (بیگ بنگ)، یعنی لحظه ای که کیهان از نیستی به هستی آمد را پس از ۱۳٫۸۲ میلیارد سال بشنوند. این امواج کاملا همگون نیستند و مثل نور در برهمکنشی با الکترون ها و اتم ها پلاریزه (قطبی) می شوند. دانشمندان با مدل سازی کامپیوتری، یک الگوی موج دار را پیش بینی کرده بودند و آنچه اکنون یافت شده این مدل را تأیید می‌کند. علاوه بر این اخترشناسان متوجه شدند این امواج قوی تر از آن چیزی هستند که قبلاً تصور می شد. دانشمندان فکر می کنند که این کشف، قفل راز آفرینش را باز خواهد کرد و توضیح خواهد داد که انفجاری با این عظمت چگونه چنین انبساطی ایجاد کرده و جهانی یکپارچه را در ده به توان منفی ۳۴ ثانیه (صفر ممیز سی و سه صفر، یک) پس از بیگ بنگ شکل داده است.

  • سومین موج گرانشی

در ژوئن ۲۰۱۷ میلادی ستاره شناسان موفق به کشف سومین موج گرانشی به نام GW170104 شدند. این رویداد، دورترین ادغام دو سیاه چاله در بین این سه مشاهده بود. از آنجایی که سرعت حرکت این امواج در فضازمان برابر با سرعت نور است، پس می توان گفت که این رویداد قدیمی ترین مشاهده در بین سه مشاهده ی دیگر بود. این برخورد بیش از ۲ میلیارد سال قبل رخ داده است. سیاه چاله ی نهایی حاصل از این رویداد، تقریبا جرمی برابر با ۵۰ جرم خورشیدی داشت.

چشم انداز آینده

ممکن است در آینده ای نه چندان دور بتوانیم امواجی گرانشی را آشکار کنیم که از منابع غیرمنتظره ای به ما می رسد. به عنوان مثال می دانیم که بخش اعظم ماده ی موجود در کیهان از جرم ناشناخته ای به نام ماده ی تاریک تشکیل شده است. ما هنوز از ماهیت ماده ی تاریک آگاهی نداریم و تنها از روی آثار گرانشی به وجود آن پی برده ایم. آیا ممکن است بتوانیم امواج گرانشی تولید شده توسط منابع ماده تاریک را آشکار کنیم؟ اگر جواب مثبت باشد، آیا این رصدها به ما کمک می کند درباره ی ماهیت ماده ی تاریک اطلاعاتی کسب کنیم؟ آیا آشکار سازی امواج گرانشی کیهان، دریچه های جدیدی را به روی ما خواهد گشود؟ باید منتظر ماند! اهمیت آشکارسازی امواج گرانشی در اینجا بیشتر مشخص می شود. اگر امواج گرانشی با سرعت نور مشاهده شوند، مهر تأیید دیگری بر نسبیت عام خواهند بود و در غیر این صورت، دنیای ناشناخته ای پیش روی ما گشوده خواهند شد. باید منتظر بمانیم. تجربه ی تاریخ علم نشان داده است که طبیعت برای ما چیزهای غیرمنتظره ای کنار می گذارد. رفتار عالم همیشه عجیب تر از آن چیزی است که ما بتوانیم تصور کنیم.

منابع:

the quantum challenge: modern research on the foundations of quantum mechanics

کیهان شناسی امواج گرانشی؛ مینا اکرام نیا، مهران باقری، گیتا بنان، شیدا حسنی، ارغوان شفیعی، سارا فیض بخش

http://www.webcitation.org/6fDrzh3tf

http://earthsky.org/space/astronomers-detect-gravitational-waves