امواج گرانشی — به زبان ساده

سپتامبر سال ۲۰۱۵ یعنی در حدود ۱۰۰ سال بعد از پیش‌بینی نسبیت اینشتین در مورد وجود امواج گرانشی، رصدخانه «لایگو» (LIGO) در ساعت ۵:۵۱ صبح به وقت واشنگتن توانست اثر این امواج را ثبت کند. شاید اگر کسی بخواهد خرافات را وارد علم کند، اینشتین را پیشگو بنامد، زیرا توانسته رویدادی را ۱۰۰ سال قبل از وقوع پیش‌بینی کند. حقیقت این است که (احتمالا) اینشتین پیشگو نبوده است، اما قدرت تحلیل و تخیل فوق‌العاده او سبب شده است که نظریاتش سال‌ها پس از او نیز به قوت خود باقی بمانند. در ادامه این مطلب در مورد امواج گرانشی اطلاعات بیشتری بیان می‌کنیم و با آن‌ها آشنا می‌شویم.

امواج گرانشی چیست؟

انتشار امواج گرانشی در فضا-زمان به دلیل قوی‌ترین و پرانرژی‌ترین رخداد عالم اتفاق می‌افتد. آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ وجود امواج گرانشی را در نظریه نسبیت عام خود پیشگویی کرد. محاسبات اینشتین نشان می‌داد که اشیاء بسیار سنگین و شتابدار (مانند ستاره‌های نوترونی یا سیاهچاله‌های چرخان) می‌توانند فضا-زمان را به گونه‌ای مختل کنند که امواج گرانشی در همه جهات انتشار یابند.

این امواج گرانشی که با سرعت نور حرکت می‌کنند، حاوی اطلاعاتی در مورد منشاء و ماهیت گرانش هستند و به این دلیل مشاهده این امواج برای محققان مهم بوده است.

فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ – گرانش و نوسان در فرادرس

کلیک کنید

پیش‌بینی می‌شود قوی‌ترین امواج گرانشی از برخورد سیاه‌چاله‌ها، انفجار سوپرنواها (ستاره‌های عظیم در پایان عمر خود) و برخورد ستاره‌های نوترونی تولید شود. براساس این پیش‌بینی‌ها، امواج گرانشی ضعیف‌تر در اثر چرخش ستاره‌های نوترونی ایجاد ‌شود که در مسیر دایروی کاملی حرکت نمی‌کنند و احتمالاً بقایای تابش گرانشی ایجاد شده در انفجار عظیم در ابتدای عالم هستند.

فیلم کوتاه زیر نشان می‌دهد که چگونه امواج گرانشی توسط دو ستاره نوترونی که در مدار خود به دور یکدیگر می‌چرخند و سپس با یکدیگر برخورد می‌کنند، ایجاد می‌شود. واضح است که امواج گرانشی در واقعیت نامرئی هستند. ولی در اینجا نشان داده شده‌اند تا انتشارشان در اطراف منبع نمایش داده شود.

بعد از پیش‌بینی اینشتین از وجود امواج گرانشی، اولین شواهد وجود این امواج ۲۰ سال پس از مرگ او، یعنی در سال ۱۹۷۴، به دست آمد. در آن سال دو ستاره‌شناس در مرکز رصدی Arecibo که در پورتوریکو قرار داشت، یک «دوتایی تپ‌اختری» (Binary Pulsar) (دوتایی تپ‌اختری منظومه‌ای دوتایی از یک تَپ‌اختر و یک ستاره است که به دور یکدیگر می‌چرخند) کشف کردند که با ساختاری که اینشتین برای انتشار امواج گرانشی پیش‌بینی کرده بود، همخوانی داشت.

دانشمندان با علم به این موضوع که این ساختار می‌تواند برای آزمایش پیش‌بینی‌های انیشتین به کار رود، شروع به اندازه‌گیری نحوه تغییر مدار ستارگان با گذشت زمان کردند. آن‌ها پس از هشت سال اعلام کردند كه ستاره‌ها دقیقاً با میزان پیش‌بینی شده توسط نسبیت عام در صورت انتشار امواج گرانشی، به یکدیگر نزدیک می‌شوند.

از آن زمان، بسیاری از ستاره‌شناسان شروع به اندازه‌گیری میزان انتشار امواج رادیویی تپ‌اخترها کردند (تپ‌اخترها ستاره‌های نوترونی هستند که امواج رادیویی ساطع می‌کنند) و اثرات مشابهی یافتند که وجود امواج گرانشی را بیشتر تایید می‌‌کردند. با این‌ حال این تاییدات همه از لحاظ ریاضی بود و مشاهد‌ه مستقیمی از امواج گرانشی تا سال ۲۰۱۵ انجام نشده بود.

در سپتامبر سال ۲۰۱۵ رصدخانه لایگو موج گرانشی حاصل از برخورد دو سیاهچاله را ثبت کرد که ۱٫۳ میلیارد سال نوری از زمین فاصله داشت. این کشف به عنوان یکی از بزرگترین یافته‌های بشر در قرن اخیر شناخته می‌شود. اگر چه آنطور که اینشتین پیش‌بینی کرده بود، امواج گرانشی در برخوردهای بسیار پرانرژی و مخرب رخ می‌دهند، ولی زمانی که این امواج به زمین می‌رسند هزاران میلیارد بار کوچکتر می‌شوند. در حقیقت، موج گرانشی که توسط لایگو ثبت شد هزار برابر کوچکتر از هسته یک اتم بود و این چیزی بود که باعث شد لایگو سال ۲۰۱۷ نوبل فیزیک را دریافت کند.

چرا اصرار داریم امواج گرانشی را مشاهده کنیم؟

هزینه تحقیقاتی مانند لایگو طبق محاسبات تا سال ۲۰۱۶، برابر با ۱٫۱ میلیارد دلار بوده است. بدین ترتیب باید به این سوال پاسخ داد که چرا باید هزینه‌ای چنین سنگین برای این پروژه صرف شود؟ در کنار اینکه کشور انجام‌دهنده آزمایش به عنوان سرآمد علمی در جهان معرفی می‌شود، دانش محققان نسبت به عالم را به امواج الکترومغناطیس (نور‌ مرئی، تابش‌های اشعه ایکس، امواج رادیویی و امواج مایکروویو) منحصر نمی‌کند. علاوه بر این در برخی تحقیقات تلاش می‌شود تا از ذرات زیر‌اتمی یعنی نوترینوها برای مطالعه عالم استفاده شود. هر یک از این روش‌ها حاوی اطلاعاتی از عالم از جنبه‌های مختلف آن است.

امواج گرانشی نیز وسیله‌ای برای شناخت عالم هستند، با این تفاوت که حیطه کاملاً جدیدی نسبت به امواج الکترومغناطیس ارائه می‌دهند. آن‌ها به همان اندازه که شنوایی از بینایی متفاوت است، از نور متمایز هستند.

تصور کنید شناخت انسان از محیط اطراف خود محدود به استفاده از چشم بود. در این صورت انسان به سادگی می‌توانست با مطالعه نور از اشیاء مختلف چیزهای زیادی در مورد جهان اطراف خود بیاموزد. سپس فرض کنید یک روز، کسی چیزی به اسم گوش را اختراع می‌کرد که قادر به ثبت ارتعاشات موجود در هوا یا آب بود؛ چیزی که قبل از آن از وجودش بی‌اطلاع بودیم. این گوش قلمرو کاملاً جدیدی را ثبت می‌کرد که شما با مطالعه اشعه الکترومغناطیسی به آن‌ها دسترسی نداشتید! لایگو دقیقاً مانند گوش در این مثال عمل می‌کند. این رصدخانه به عنوان یک آنتن قادر به شناسایی ارتعاشات در فضا-زمان است.

بدین ترتیب می‌توان گفت که رصدخانه لایگو پنجره جدیدی به روی جهان گشوده است. موضوع دیگر و مهم‌تر در رابطه با لایگو این است که به دلیل اینکه امواج گرانشی برهم‌کنش ضعیفی با ماده دارند (برخلاف امواج الکترومغناطیس که می‌توانند توسط مواد دیگر جذب، بازتابیده یا منحرف شوند)، می‌توانند بدون هیچ مانعی در عالم حرکت ‌کنند و بیان روشنی از دیدگاه موجی گرانش ارائه دهند. این امواج حاوی اطلاعاتی راجع به منشاء خود یعنی گرانش هستند.

منبع و انواع امواج گرانشی

هر جسم با جرم زیاد که حرکت شتابدار انجام دهد، امواج گرانشی ایجاد می‌کند. این موضوع شامل انسان‌ها، اتومبیل‌ها، هواپیماها و غیره می‌شود، اما جرم و شتاب اشیاء روی زمین امواج گرانشی بسیار کوچکی تولید می‌کند که توسط دستگاه‌های ما قابل ردیابی نیست. برای یافتن امواج گرانشی به اندازه کافی بزرگ که بتوان آن‌ها را ثبت و مشاهده کرد، باید به خارج از منظومه شمسی خودمان نگاه کنیم. دانشمندان و محققین رصدخانه لایگو امواج گرانشی را بر اساس منبع به وجود آورنده این امواج به چهار دسته تقسیم‌بندی می‌کنند که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

فیلم آموزش مبانی گرانش یا Gravitation در فرادرس

کلیک کنید

امواج گرانشی پیوسته

این امواج توسط یک جسم بزرگ و سنگین در حال چرخش مانند ستاره نوترونی تولید می‌شوند.

امواج گرانشی الهام گرفته از سیستم‌های دوتایی فشرده

در این دسته، امواج گرانشی از چرخش یک جفت جرم در مدارهای خود و به دور یکدیگر، ایجاد می‌شوند. مانند دوتایی‌های کوتوله سفید، سیاهچاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی.

امواج گرانشی تصادفی

محققین اعتقاد دارند که منابع موج گرانشی پیوسته یا دوتایی محدود است. با این حال امواج گرانشی کوچک و تصادفی همواره در سراسر عالم وجود دارند. این امواج گرانشی کوچک که در همه جهات انتشار می‌یابند را امواج گرانشی تصادفی می‌نامیم. ثبت این نوع از امواج به دلیل ساختار تصادفی و تاثیرات کوچک آن‌ها بسیار دشوار است، اما ممکن است بخشی از این امواج تصادفی ناشی از انفجار بزرگ در ابتدای عالم باشند. بررسی امواج گرانشی به جامانده از انفجار بزرگ به ما امکان بررسی گذشته عالم را می‌دهند.

امواج گرانشی سیستم‌های ناشناخته

جستجو برای این امواج در حقیقت جستجو برای پدیده‌های غیرمنتظره است. هم از این لحاظ که لایگو هنوز آن‌ها را شناسایی و ثبت نکرده است و هم از این جهت که ساختار این اجرام هنوز ناشناخته هستند. در حقیقت دانشمندان معتقدند هنوز ساختارهای پیچیده بسیاری در عالم وجود دارد که ما آن‌ها را نمی‌شناسیم، اما این ساختار‌های ناشناخته امواج گرانشی تولید می‌کنند که هنوز مشاهده نشده است.

پروژه لایگو

در قسمت آخر این مطلب قصد داریم به معرفی رصدخانه لایگو بپردازیم. لایگو مخفف Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory و به معنای رصدخانه تداخل‌سنج لیزری موج گرانشی است. این مرکز بزرگترین رصدخانه برای بررسی موج گرانشی در جهان است که مشابه آن غیر از یک تداخل‌سنج دیگر، در دنیا موجود نیست.

اگرچه لایگو به عنوان یک مجموعه واحد است، اما شامل چهار بخش اصلی است: دو تداخل‌سنج برای رصد امواج گرانشی در کالیفرنیا و لوییزانا و دو مرکز تحقیقاتی برای تحلیل و بررسی نتایج در «انستیتوی فناوری کالیفرنیا» (Caltech) و «انستیتوی فناوری ماساچوست» (MIT).

از آنجا که رصدخانه لایگو نیازی به جمع‌آوری نور ستارگان ندارد، شکل ظاهری آن مانند آینه‌های تلسکوپ نوری یا دیش‌های تلسکوپ رادیویی مدور و بشقاب‌گونه نیست. هر آشکارساز لایگو از دو بازو تشکیل شده است که طول هر بازو 4 کیلومتر است. لایگو قادر به تشخیص امواج گرانشی در هر راستایی است.