رصد‌های آتی با استفاده از امواج گرانشی

مشاهده مستقیم امواج گرانشی، یعنی شكن‌هایی كه در اثر حركت اجرام در فضا – زمان پدید می‌آید، دریچه دیگری خواهد بود به درون جهان هستی. دست‌كم در پانزده سال گذشته، چند بار قول برنامه‌های پنج ساله برای آشكارسازی امواج گرانشی داده شده است، اما اخیراً در یك گردهمایی اعضای گروه‌هایی كه روی این مسئله كار می‌كنند اعلام شد كه گویا قرار است در شش سال آینده امیدها به داده‌های واقعی تبدیل شوند. این خوش بینی از اتفاق نظری سرچشمه می‌گیرد كه در مورد براوردهای نظری شدت چشمه‌های كیهانی تابش گرانشی وجود دارد. دلیل دیگری برای امیدواری وجود دارد و آن اطمینان روزافزونی است كه درباره تحقق پیشرفت‌های فنی لازم برای ساختن آشكارسازهای تداخلی با حساسیت كافی، ابراز می‌شود.
آشكار ساز تداخلی موج گرانشی اساساً تشكیل شده است از سه جرم معلق كه در گوشه‌های یك L قرار گرفته‌اند. دو بازوی یك تداخل سنج مایكلسون، كه با نصب آینه‌هایی بر جرم‌ها به وجود آمده‌اند، طول‌های نسبی دو ضلع L را اندازه می‌گیرند. عبور یك موج گرانشی از آشكارساز باعث می‌شود كه جرم‌های یك بازو از هم دور و جرم‌های بازوی دیگر به هم نزدیك شوند و در نتیجه انتقالی در نقش فریزهای تداخل سنج پدیدار شود. برای مشخص كردن شدت برهم‌كنش موج از پارامتر h استفاده می‌كنند كه به صورت نسبت اختلاف پدید آمده در طول دو بازو، به طول یكی از بازوها تعریف می‌شود. صرف رؤیت چشمه‌ها، احتمالاً مستلزم آشكارسازی مقادیری از h به كوچكی 20-10 است. برای به دست آوردن اطلاعات اختر فیزیكی مفید باید بتوان چیزی در حدود 22-10h≈ را اندازه‌گیری كرد. بدیهی است كه مشكلات فنی كار بسیار زیاد است، زیرا حتی در حد 20-10h≈ باید بتوان در تداخل سنجی به طول بازوی یك كیلومتر تغییرات حدود 2-10 فرمی (حدود یك‌صدم شعاع هسته) را در طول بازوها اندازه‌گیری كرد. آشكارسازهای تداخلی در محدوده بسامدهایی در حدود چند هزار هرتز كار می‌كنند و با توجه به سطح اپتیكی مورد نظر، چشمه نوفه و آشكارساز فوتون به نور معمولی یا فروسرخ نزدیك محدود می‌شوند.
همان‌طور كه كیپ ثورن (انستیتوی تكنولوژی كالیفرنیا یا كلتك) در این گردهمایی متذكر شد، چشمه‌های امواج گرانشی اغلب تك رویدادهایی هستند كه مرتبط‌اند با رمبش هسته یك ستاره در انفجار ابر نواختری و یا به هم پیوستن اعضای یك منظومه دوتایی ستاره‌های فشرده نزدیك به هم. تولید امواج گرانشی به شدت تابع انحراف از تقارن كروی یا محوری است كه در خلال رمبش گرانشی یك ستاره به هنگام تبدیل به ستاره نوترونی یا سیاه‌چاله، پدیدار می‌شود، و نامعین بودن اندازه انحرافات موجب عدم قطعیت در شار پیش‌بینی شده امواج گرانشی می‌شود. اگر حساسیت h از مرتبه 22-10 باشد، می‌توان سیاه‌چاله‌های در حال رمبشی را كه جرمشان 100 برابر جرم خورشید است در سرتاسر جهان مرئی مشاهده كرد. رمبش‌های فاقد تقارن محوری ستاره‌های نوترونی را در كهكشان‌هایی به فاصله كهكشان‌های خوشه سنبله می‌توان دید؛ انتظار وقوع چندین رویداد از این نوع در هر سال می‌رود. یكی از برتری‌های آشكارسازهای تداخلی نسبت به آشكارسازهای میله – جامد تشدید كننده، امكان استخراج اطلاعات طیفی از آن‌ها است. محاسبات عددی اخیر رمبش گرانشی شكل‌های كاملاً مشخصی برای امواج ناشی از رمبش سیاه‌چاله‌ها و ستاره نوترونی به دست می‌دهد. در واقع آشكارسازهای مشخصه‌های موجی یك رمبش سیاه‌چاله‌ای احتمالاً تنها راه ممكن برای نشان دادن وجود سیاه‌چاله‌هاست. همچنین اگر نور ابر نواختر تولید كننده موج گرانشی نیز رؤیت شود، نسبت زمان رسیدن نور به زمان رسیدن موج گرانشی، آزمونی قوی برای نظریه‌های گرانش خواهد بود. نسبیت عام سرعت انتشار نور و امواج گرانشی را یكی می‌داند، در حالی كه بعضی از نظریه‌های رقیب تفاوت‌هایی در حدود یك در 610 را پیشگویی می‌كنند. این رصدها می‌تواند حدودی از مرتبه یك در 1010 روی این نسبت بگذارد.
اگر حدود h به 22-10 رسانده شود، باید بتوان امواج گرانشی دو ستاره نوترونی را كه گردهم می‌پیچند، از فاصله خوشه سنبله رصد كرد. زمینه تصادفی امواج گرانشی به جا مانده از زمان‌های آغاز جهان نیز ممكن است آشكار سازی شود و شاید از این راه بتوان به برخی دقایق دوران پلانك (s43-10t~) پی برد كه مطابق بعضی براوردها دوران گسیختن پیوند امواج گرانشی از ماده جهان بوده است؛ یا به وسیله‌ای برای فهم دوران‌های بعدی جهان دست یافت كه افت و خیزهای چگالی آن‌ها مالاً به تكوین كهكشان‌ها انجامیده است. چشمه‌های تناوبی منظم امروزی (نظیر تپ اخترهایی كه به سرعت می‌چرخند) ممكن است با h بسیار كوچكتر از 22-10 مشاهده شوند زیرا اثرشان روی تعداد زیادی دوره تناوب جمع بسته می‌شود. ر.و.پ درور (كلتك و دانشگاه گلاسگو) روش‌های تجربی كم نقصی را توضیح داد كه آشكارسازهای تداخلی را نامزدهای عملی مناسبی ساخته است. نخستین بار از این روش‌ها در 1971 در آزمایشگاه‌های مؤسسه هواپیماسازی هیوز استفاده شد. حساسیت آشكارساز با افزایش طول بازو زیاد می‌شود، طول مؤثر بازوها را می‌توان یا از طریق بازتاب‌های متوالیی زیاد كرد كه مسیرهای موازی چندگانه‌ای در امتداد بازوها به دست می‌دهند و یا از طریق تبدیل بازوها به حفره‌های تشدید، كه عملاً نور را در هر دوره تناوب موج گرانشی به دفعات بسیار به جلو و عقب منعكس می‌كنند. در برنامه‌ای كه در آلمان در دست اجراست و و. وینكلر (از انستیتوی ماكس پلانك در گارخینگ) آن را توصیف كرد (نظیر برنامه انستیتوی تكنولوپی ماساچوست) از طرح مسیرهای چند گانه استفاده می‌شود؛ طول كل مسیر، كه از سه بازو به شكل مثلث تشكیل شده است به 100 كیلومتر می‌رسد.
دستگاهی كه هم اكنون در گلاسگو برپاست، بازویی به طول 10 متر دارد و بازوی دستگاهی كه در كلتك سوارهم شده 40 متر است. در هر دو دستگاه برای تدارك ابزارهای بسیار بزرگتر، از روش حفره‌های تشدید استفاده می‌شود. سیستم كنترل servo – loopای كه گروه درور، برای پایدار كردن بسامد لیزر در این تداخل سنج‌ها ابداع كرده است، به روش استانداردی برای پایدار كردن لیزرها در بسیاری كاربردهای دیگر منجر شده است – و این مطلب مطمئناً درس عبرتی است برای كسانی كه در فواید فنی پرداختن به علوم محض به دیده تردید می‌نگرند.
روش جدیدی براساس استفاده از یك دستگاه مدوله‌گر پیشنهاد شده است. در این دستگاه از نور به كار رفته در تداخل سنج، به نحوی كه باعث تقویت نور لیزر شود، مجدداً استفاده می‌شود. با این روش شاید بشود توان لیزر مورد نیاز را یكصد بار كاهش داد و به چیزی در حدود 20 تا 30 وات (توان تك عدد) رساند كه هدف نامعقولی نخواهد بود.
روش مفیدتری نیز برای كاهش دادن توان لیزر مورد نیاز وجود دارد. این روش مبتنی بر پیشرفت‌هایی است كه در امر ساختن آینه‌هایی با توان بازتاب زیاد – در حدود 99995ر0 گزارش شده است: امید می‌رود كه در آینده دورتر بتوان اثرات نوفه فوتونی را با استفاده از روشی كه چلاندن حالات نامیده شده و اخیراً كاراییش به طور تجربی در آزمایش‌گاه‌های بل به اثبات رسیده است كاهش داد. در این روش سعی بر آن است كه با انتخاب دقیق كمیات مورد اندازه‌گیری، پاره‌ای از محدودیت‌هایی را كه اصل عدم قطعیت اعمال می‌كند از راه بردارند.
احتمالاً نخستین رصدخانه‌های موج گرانشی حاصل كار گروه‌های تحقیق ایالات متحده و گلاسگو خواهد بود. پروژه ایالات متحده برای رصدخانه موج گرانشی با تداخل سنج لیزری منجر به پیدایش دو ابزار 4 كیلومتری، یكی در مین و دیگری در كالیفرنیا خواهد شد. در برنامه بریتانیا، وسیله‌ای 1 كیلومتری پیشنهاد شده است كه مرحله اول آن تا شش سال دیگر شروع به كار خواهد كرد. اینها رصدخانه‌هایی واقعی خواهند بود و قسمت اعظم هزینه آن‌ها صرف تهیه لوله‌هایی چند كیلومتری خواهد شد كه خلأ نسبتاً كاملی در آن‌ها ایجاد می‌شود و بازوهای تداخل سنج را تشكیل می‌دهند. قطر لوله‌ها حدود 1 متر خواهد بود و در خلئی بهتر از 8-10 توریچلی كار خواهد كرد.
در این گردهمایی ارزش همیاری‌های بین‌المللی در تحقیقات مربوط به موج گرانشی مورد توافق عام بود. گذشته از صرفه جویی‌های حاصل از مشاركت صنعتی نیازی واقعی به وجود چند آشكار ساز وجود دارد تا بتوان اطلاعاتی درباره جهت امواج به دست آورد و علائم مزاحم را از طریق بررسی همبستگی اطلاعات رسیده از مخل‌های مختلف حذف كرد. همان‌طور كه بی. اف. شوتز از دانشگاه كاردیف متذكر شد، چهار آشكارساز عمده پیشنهاد شده را می‌توان طوری تعبیه كرد كه آسمان را به خوبی بپوشانند و میزان آشكار سازی را بدواً به چند رویداد در سال برسانند.