نگاهی به آینده با آرایه‌ی یک کیلومتر مربعی

این شبکه از تلسکوپ­ها، می­توانند به منجمین در کشف رازی که در پشت سیاهچاله­ها ، تپ‌اخترها و دیگر چیزهاست کمک کنند.

در دهه ­های بعدی، تپ‌اخترها و سیاهچاله­ها مهم­ترین مراکز توجه، تحقیقات اخترفیزیکی خواهند بود. محققان روی ساخت تلسکوپ­های فوق قدرتمند کار می­کنند، تا بتوانند روی تپ‌اخترها و اگر خوش شانس باشند روی ابرسیاهچاله­هایی که در مرکز کهکشان ها پیدا شدند، تحقیقات خود را ادامه دهند. آرایه­ی یک کیلومتر مربعی(SKA)، یک مشارکت بین المللی بین 10 کشور است که شبکه­ای از تلسکوپ­هایی که در آفریقای جنوبی، غرب استرالیا و تعدادی از کشورهای آفریقایی هستند را به هم متصل کرده است و قرار است این موضوعات را مطالعه و فرضیات گرانش و نسبیت عام را آزمایش کنند.

تشعشات تپ‌اخترها و امواج گرانشی چیزهای جالبی درباره­ی جهان به ما می­گویند، و تحقیقات آینده احتمالاً بینش­های بهتر و جالبتری به ما بدهند.  SKA قدرتمندترین و کاربردی­ترین تلسکوپ در بین تلسکوپ­های پیش از خودش خواهد بود و اجازه می­دهد تا تحقیقات جامعی در موضوعات متنوعی داشته باشیم.

رابرت براون مدیر علمی SKA گفت:" چیزی که مرا هیجان زده می­کند، یافتن پدیده­های غیرمنتظره است. شما به دنبال پدیده­ای می­گردید و چیزی کاملا غیر منتظره می­یابید."

رابطه­ی بین تپ‌اخترها و امواج گرانشی

تپ‌اخترها نگهدارندگان عالی زمان هستند. هنگامی که تپ‌اخترها در محورشان می­چرخند،پالس­هایی از جنس امواج رادیویی با دوره تناوبی،در حدود یک میلی ثانیه منتشر می­کنند، سیگنال­های این امواج از یونوسفر زمین عبور می­کنند و به زمین می­رسند، و این زمانی است که محققان می­توانند آن­ها را ضبط و آنالیز کنند. آن­ها به طور مرتب می­چرخند بنابراین دانشمندان می­توانند از آن­ها به عنوان ساعت­های دقیقی برای تحقیقات استفاده کنند.

نمای هوایی دیش های SKA و دیش های  MeerKAT در آفریقای جنوبی

ثابت بودن دوره تناوب تپ‌اخترها آن­ها را به یک راه قابل اعتماد برای مطالعه­ی امواج گرانشی تبدیل کرده است. امواج گرانشی فضا زمان را خم می­کنند بنابراین هرچیزی سر راه آن­ها باشد، خم می­شود. اگر یک موج گرانشی از یک جفت ابرسیاهچاله که به دور یکدیگر می­چرخند در فضای بین یک تپ‌اختر و سیاره­ی ما منتشر شود، محققان می­توانند یک تأخیر کوچک در سیگنال­های رادیویی دریافت شده را پیدا کنند، چرا که فضا خم می­شود. تلسکوپ SKA قادر خواهد بود که از تپ‌اخترها برای آشکار کردن امواج گرانشی ابر سیاهچاله­های دوتایی دور، بسیار دقیق­تر از تلسکوپ­های کنونی استفاده کند.

به گفته­ی آلبرتو سسانا، پژوهشگر دانشگاه بیرمنگهام، یک چالش بزرگ برای جستجوی شواهد امواج گرانشی با تابش رادویی تپ‌اختر، جدا کردن سیگنال­هایی است که از منابع دیگر صوتی در جهان می­آیند.

سسانا گفت:" وقتی صحبت از آشکار کردن امواج گرانشی به میان می­آید، سخت­ترین قسمت این است که ما نویز طبیعی تپ‌اختر را به خوبی نمی­شناسیم. این یک مسئله است­، زیرا آشکار کردن یک سیگنال به معنی جدا کردن آن از نویز است و اگر ما ندانیم نویز چگونه است، مشخص کردن سیگنال سخت خواهد بود."مثل این است که با چشم­های بسته در یک کنسرت باشید و سعی کنید بفهمید که کدام اسپیکر گیتار باس پخش می­کند.

تلسکوپ­هایی که در حال حاضر استفاده می­شوند، آنقدر حساس نیستند که این تفاوت­ها را به خوبی تشخیص دهند. تلسکوپ SKA ابزارهایی قدرتمندتر با دقت بالاتر از قبلی­ها را فراهم می­کنند و به محققان جهت مطالعه­ی دقیق تر اجسام سماوی کمک خواهد کرد.

کلوزاپ آرایه های دهانه ی فرکانس پایین SKA و دیش های ASKAP استرالیا. سازمان SKA

آزمایش­های نسبیت عام

از زمانی که برای اولین بار،امواج گرانشی توسط لایگو آشکار شد، جفت شدن ستاره­های نوترونی بهترین آزمون برای نسبیت عام بوده است. بر طبق نظریه تابش امواج گرانشی هنگامی که ستاره­ها دور هم می­چرخند باعث کم شدن فاصله­ی بین دو ستاره می­شود. این زمان گردش ستاره­ها به دور یکدیگر را نیز کاهش می­دهد و زمان تپ‌اخترها را تحت تاثیر قرار می­دهد. بررسی دقیق تغییرات زمانبندی به محققان اجازه می­دهد تا میزان انقباض دقیق را مشخص کرده و آن را با آنچه که نظریه نسبیت عام می­گوید اتفاق می­افتد مقایسه می­کند.

PSR J0737_3039، یک سیستم دوتایی ستاره­ی نوترونی تپ‌اختر است که به دور هم می­چرخند، تا به حال بهترین آزمایش این قاعده بوده است. میزان کاهش مشاهده شده( حدود نیم درصد) با نسبیت عام موافق است، اما از نظر روش علمی رایج، این هنوز شاهد کافی برای تایید تئوری­های موجود نیست.

در مطالعات آینده، تلسکوپ­های SKA بنا دارد که سیستم­های دوتایی مانند این را بیشتر پیدا کند، که باعث پیدا شدن شواهد قوی­تر بر تایید یا علیه تئوری کنونی نسبیت عام می­شود.

دلفینه پرودین، محقق موسسه­ی ملی اختر فیزیزک ایتالیا( INAF) گفت:« با تلسکوپ­ها و الگوریتم­های بهتر، ما می­توانیم تپ‌اخترهای بیشتری پیدا کنیم، و در میان آن­ها اشیای خارجی­تر مانند ستاره­های نوترونی دوتایی که به اثبات نسبیت عام کمک می­کنند و سیستم دوتایی تپ‌اختر- کوتوله­های سفید به اثبات دیگر نظریات گرانش کمک می­کنند.»

دیگر نظریات گرانش

همچنین سیستم­های تپ‌اختر- کوتوله ی سفید می توانند دیگر نظریات گرانش را آزمایش کنند. PSR J0337+1715 یک مثال خوب برای این سیستم هاست.

این موضوع برای مطالعه مهم است چرا که هنوز نسبیت عام یک تئوری کاملاً درست نیست. نظریات نسبیت عام و مکانیک کوانتومی به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته­اند اما فیزیک­دانان هنوز نمی­توانند آن­ها را با یکدیگر تطبیق دهند.

سیستم PSR J0337+1715،فیزیک­دانان را از زمان کشفش در 2007 هیجان زده کرده است. دو کوتوله­ی سفید به دور یک تپ‌اختر می­چرخند. یکی بسیار نزدیک و دیگری دور است. این سیستم جالب است چرا که میدان گرانشی کوتوله­ی سفید خارجی به مدار دو جسم داخلی، شتابی بسیار بیشتر از آن چه که با تئوری­های کنونی پیش بینی می­شود، می­دهد. محققان با تلسکوپ­های حساس تر می­توانند، سیستم­های بیشتری مانند این برای مطالعه و فهم بیشتر پیدا کنند. به طور مثال، در میان دیگر نظریات، اصل قوی هم ارزی ( SEP) هست که می­گوید، قوانین گرانش از سرعت و مکان تاثیر نمی­گیرند، اما رفتار سیستم  PSR J0337+1715 نشان می­دهد که چیزی فراتر از دانش ما برای کشف وجود دارد. تلسکوپ SKA قادر خواهد بود که این نقضیات را دقیق­تر بررسی کند.

هر نتیجه ای که به دست آید، فیزیکدانان یا توضیح بهتری از SEP و دیگر نظریات گرانش ارائه خواهند داد و یا باید این نظریات را کاملاً دور بریزند.

آینده­ی اختر فیزیک

 SKAعملاً انقلابی، در مطالعات اخترفیزیک خواهد بود و حتی در حوزه­های دیگر فیزیک هم کمک خواهد کرد. با چنین طیف گسترده­ای از قابلیت، SKA تئوری­های ماده­ی تاریک و انرژی تاریک را پیش خواهد برد و اطلاعاتی درباره­ی تشکیل کهکشان­ها در جهان اولیه و محلی به دست خواهد آورد. امیدواریم محل اولین جفت ابر سیاهچاله­ها را دقیقاً به دست آوریم. محققان امیدوارند که ازSKA برای تنظیم  یک "فیلم" از روند پیشرفت جهان اولیه به حالت فعلی­اش با مطالعه­ی باز ترکیب هیدروژن بعد از انفجار بزرگ استفاده کنند.

براون گفت:" اگر ما بتوانیم از پس چالش­هایی که ابزارها ایجاد می­کنند برآییم، می­توانیم " سپیده­ی کیهانی" را که اولین لحظاتی است که جهان شروع به یونیزه شدن می­کند ببینیم و پیشروی این یونیزاسیون را تماشا کنیم."

بر طبق گفته­ی سسانا، هدف نهایی این تحقیق، پیدا کردن اجسام جالب که برای مطالعه نزدیک­تر و آسان­تر هستند، می­باشد.

" ایده آل دیگر پیدا کردن احتمالی یک تپ‌اختر که در نزدیکی ابر سیاهچاله­ی مرکز راه شیری می­چرخد، می­باشد و این یک رویا خواهد بود. این اجازه می­دهد که نسبیت عام را در مورد تپ‌اختر- سیاهچاله با دقت بیشتری آزمایش کنیم."

کشفیات مهیج پیش رو

پتانسیل کشف پدیده­های جدید، در جهان حداقل هیجان­انگیز است. بعضی سوالات پاسخ داده می­شوند ولی سوالات بسیاری به وجود خواهند آمد.

 

ترکیب هنرمندانه ای از تمام آرایه­های SKA1 با دیش­های SKA و دیش­های MeerKAT در آفریقا و آرایه­های دیافراگمی فرکانس پایین و دیش های ASKAP در استرالیا.

براون گفت:" طبیعت بسیار مبتکر است. اگر از ابزارهای جدید استفاده کنی، جالب­ترین و غیرقابل پیش بینی ترین چیزهایی را پیدا می­کنی که هیچ وقت انتظارشان را نداشتی. طبیعت ابتکار بسیار بیشتری نسبت به انسان­ها دارد."

پروژه­ی کلان SKA امیدوار است که یک پیمان­ نامه­ی بین دولتی را تا 2018 امضا شده ببیند، و در سال­های 2019 و یا 2020 پروژه­ی ساخت 5 ساله­ی خود را شروع کند. براون می­گوید که رادیو تلسکوپ MeerKAT آفریقای جنوبی، که یک پروژه­ی پیشرو است که با SKA همکاری خواهد کرد، تقریباً تکمیل است و انتظار می­رود در آوریل 2018 کار خود را شروع کند. دیگر وسایل پیشرو علمی مانند ASKAP و رادیو تلسکوپ­های MWA در استرالیا و همچنین تعدادی از وسایل کوچکتر در سراسر جهان راه را برای SKA هموار می­کنند.

www.astronomy.com