شنيدن آسمان ها آشکارسازي امواج گرانش
نويسنده: ترودي بل
صورت فلکي جديد مثلث شکلي را تصور کنيد. التبه اين صورت فلکي، نسبت به ستاره هاي ثابت آسمان، حرکت مي کند و معمولاً در آسمان شامگاهي پس از غروب خورشيد پديدار مي شود. اين صورت فلکي جديد به آهستگي مي چرخد و هر سال يک بار به دور مرکزش دَوَران مي کند. همچنين بزرگ و کوچک مي شود. البته اين صورت فلکي با چشم برهنه (غير مسلح) قابل مشاهده نيست!
سه جرء آن و در واقع سه گوشه اين مثلث، سه فضاپيما هستند؛ آنتن هاي تداخل سنج فضايي ليزري(laser Interferometer Space Antenna) که به اختصار (Lias) ناميده مي شود. آنتن هاي ليزا کوچک تر از آن هستند که در نور مرئي ديده شوند و نوري که از آنها مي تابد در محدوده ي فروسرخ خواهد بود. اما مجموعه ي آنها وسيع ترين ساخته دست بشر بود که اجزاي آن حدود 5ميليون کيلومتر از هم فاصله دارند. از حدود سال 2018/1397 ،اين مجموعه با روشي کاملاً نوين به بررسي پديده هاي کيهاني مانند تولد کهکشان ها، مرگ سياهپاله ها و... خواهد پرداخت.
ليزا يکي از مأموريت هاي بلند پروازانه ي فضايي به شمار مي رود که قرار است در دهه هاي آتي انجام شود. در ارزيابي اي که شوراي تحقيقات ملي آمريکا (NRC)، در پروژه هايي که به ناسا پيشنهاد شده بود، انجام داد اين پروژه بالاترين رتبه علمي و بيشترين امتياز را کسب کرد. هدف اصلي اين پروژه، که فعاليت مشتريک بين ناسا (سازمان فضايي آمريکا) و اِسا (سازمان فضايي اروپا) به شمار مي رود، آشکارسازي امواج گرانشي است. که تلاطم هايي در تار و پود فضا- زمان هستند، با اندازه گيري حرکت نسبي فضاپيماها با دقتي بسيار بالا آشکار شوند.
وجود امواج گرانشي در قانون نسبيت اينشتين پيش بيني شده است. طبق نسبيت عام، امواج گرانشي اُفت و خيزهايي هستند که به صورت انبساط و انقباض در هندسه ي فضا- زمان پديدار مي شوند. اگرچه اين امواج تاکنون به طور مستقيم مشاهده نشده اند، آنقدر شواهد غيرمستقيم از آنها وجود داشته است که يکي از جايزه هاي نوبل فيزيک به اين موضوع اختصاص يابد. سي سال پيش راسل هالس و جوزف تيلور، از دانشگاه پرينستون در نيوجرسي، منظومه اي از دو ستاره نوتروني را مشاهده کردند که ره هشت ساعت يک بار دور مرکز جرمشان مي گشتند. طي مدتي طولاني، سرعت دوراني آنها کاهش يافته و اين مدرکي است که نشان مي دهد اين منظومه انرژي از دست داده است. آهنگ کاهش انرژي اين مجموعه، کاملاً بر پيش بيني هاي نسبيت عام، که بر طبق آن چنين ستاره هاي دوتايي ممکن است امواج گرانشي تابش کنند، منطبق است.
پروژه ي ليزا تلاش مي کند که با استفاده از اجسامي که سقوط آزاد مي کنند امواج گرانشي را آشکار کند. اين پروژه شامل سه بخش است: در ابتدا موقعيتي فراهم مي شود که اجسام مورد آزمايش، بدون هيچ مزاحمتي (مانند ميدان هاي مغناطيسي و ديگر نيروهاي خارجي)، تنها تحت گرانش سقوط آزاد کنند. سپس هنگامي که امواج گرانشي از مسير اين اجسام عبور و انحناي محلي فضا را آشفته مي کنند، دوباره تغييرات فاصله بين ژئودزي هاي آنها با دقت بالايي ثبت مي شود. آخرين مرحله، تحليل اين تغييرات است. با پردازش اطلاعات به دست آمده شکل دقيق اُفت و خيزهالي انحناي فضا- زمان و حتي بسامد و شدت آن به دست مي آيد.
ليزا براي بررسي ژئودزي ها و داشتن بيشترين دقت ممکن، از ليزا نئوديميوم استفاده مي کند که طول موجي کمتر از يک ميکرومتر دارد. اين ليزر به مکعب هايي از آلياژ طلا و پلاتينيوم به ضلع فقط 4 سانتي متر و جرم 4کيلوگرم مي تابد که با آلياژ طلا اندود شده اند و به زيبايي جواهرات مرغوب اما بسيار گران قيمت تر از آنها هستند! طلا و پلاتينيوم تنها در برابر ميدان گرانشي واکنش قابل توجه دارند. به گفته پل مک نامارا، يکي از دانشمندان اسا و همکار اين پروژه «ترکيب اين فلزات حساسيت مغناطيسي بسيار ناچيزي، در حّد خاصيت مغناطيسي شيشه، دارند.» تنها هدف اين جرم هاي مورد آزمايش در فضا اين است که مسير خودشان را طي کنند، هر کدام در امتداد کوتاه ترين فاصله اش تا يکي از فضاپيماهاي ليزا سقوط آزاد مي کند و در همان حال پرتو ليزر تابيده از فضاپيماي ديگررا بازتاب مي دهد.فضاپيماهاي ليزا طوري تنظيم مي شوند که اين ژئودزي ها 5ميليون کيلومتر از هم فاصله داشته باشند. فضاپيماهاي ليزا در مدار زمين و به فاصله 20 درجه اي از اين سياره قرار دارند و به همراه زمين به دور خورشيد مي گردند و در واقع حدود 5ميليون کيلومتر از زمين فاصلعه دارند. در هر گردش سالانه فضاپيماها، با دور شدن از هم و نزديک شدن آنها به هم مثلث فضاپيماها تا حدود 50000 کيلومتر بزرگ و کوچک مي شود. درست مثل اينکه اين مجموعه «تنفس» مي کند!
امواج گرانشي بر اين جابه جايي دوپلريِ پيش بيني پذير اثر مي گذارند. زيرا امواج گرانشي موجب تغيير انحناي فضاي بين فضاپيماها و طولاني شدن مسيري که نور طي مي کند مي شود. البته تغييرات فرکانس (بسامد) به سبب امواج گرانشي، در مقايسه با جابه جايي دوپلري به سبب «تنفس» مجموعه ي فضاپيماها، بسيار سريع تر- طي دوره اي بين 10 ثانيه تا 3ساعت- رخ مي دهد. اينجاست که دقت بالاي ابزارهاي ليزا وارد گود مي شود. در واقع روش دريافت و بررسي پرتو ليزر فروسرخ در ليزا مانند کاري است که راديوهاي اف. ام انجام دهند. ايستگاه راديويي اف. ام امواج يکنواختي با فرکانس هاي بالا (حدود 100 مگاهرتز، يا 108 هرتز) توليد مي کند که برنامه هاي راديويي با فرکانس پايين تر صوتي (در محدوده ي کيلوهرتز يا حدود 103 دور بر ثانيه) بر آن مدوله مي شود. گيرنده ي راديويي خانگي يا اتومبيل نيز يک نوسانگر دروني دارد که سيگنالي تقريباً معادل با فرکانس بالاي فرستنده راديويي توليد مي کند. با تفريق سيگنال رسيده از طريق هوا از فرکانسي که گيرنده ي راديويي توليد مي کند، فرايندي که به آن هيترودين مي گويند، سيگنال با فرکانس بسيار پايين تر که حاوي برنامه اي راديويي است بر جاي مي ماند. آنگاه، اين فرکانس صوتي بلندگوهاي راديو را به کار مي اندازد.
سامانه ترکيب و تفريق نوري در ليزا پرتوهاي ليزري فروسرخ با فرکانس ميليون ها بار بالاتر (در حدود 300 تراهرتز يا 1014×3 نوسان در ثانيه) را به کار مي گيرد که همان عملکرد را دارد اما با دقتي بي سابقه. پرتو ليزر پس از بازتاب از اجسام سقوط کننده مورد آزمايش، با پرتو ليزر توليده شده ي اوليه، که به عنوان موج مرجع به کار مي رود، در يک آشکارساز نوري ترکيب مي شوند. مقايسه اين دو، موجي با فرکانس بسيار کم در حّد يک مگاهرتز را از تنفس عادي مجموعه ي ليزا آشکار مي کند. امواج گرانشي به صورت مدولاسيون از اين «وزوز» ليزا با فرکانس هاي بسيار کم (يک ميلي هرتز يا 0/001 نوسان در ثانيه) خود را نشان مي دهند. با استفاده از روش هاي پردازش علائم، مشابه آنچه در گيرنده هاي ردياب ماهواره اي استفاده مي شود، ليزا مي تواند اين علائم فرکانس پايين را با دقت چند ميليونيم دور، معادل با پيکومتر، در فاصله اندازه گيري کند.
رابين استبينز، يکي از همکاران پروژه ي ليزا در مرکز پروازهاي فضايي گادرد ناسا در مريلند، بر اين باور است که «عامل خطا در جزييات نهفته است. هنگامي که با دقت بسيار بالا اندازه گيري را انجام مي دهيد، متخصص ابزار بايد بتواند همه ي خطاهاي احتمالي را برآورد کند و سپس در آزمايش هاي علمي ثابت مي کند که برآوردها درست بوده اند يا نه و نيز مدام بايد به دنبال خطاهايي باشد که ممکن است از قلم افتاده باشند. ما فهرستي از 50 پديده فيزيکي داريم که ممکن است آزمايش ليزا را مختل کنند که احتمالا 35تا از آنها در عمل مهم اند.» البته هيچ چيز متقاعد کننده تر از بررسي علمي فناوري نيست. اينجاست که اهميت نقش «رهياب ليزا» آشکار مي شود. رهياب ليزا، فضاپيمايي که در انگلستان در حال آماده سازي است، قرار است فناوري هاي بنيادين ليزا را به نمايش بگذارد: مانند بازتاب پرتوهاي ليزري فروسرخ از اجسام در حال سقوط آزادي که ژئودزي هاي خودشان را دنبال مي کنند، جرم سنجي پيکومتري و کاهش اختلال هاي ممکن بر اجرام مورد آزمايش. به گفته مک نامارا، دانشمندان پروژه ي رهياب ليزا، «سخت افزار پرواز رهياب ليزا تا سال 2010 آماده ي انجام پرواز خواهد بود.»
به گفته مک نامارا، «در اين آزمايش مي خواهيم اثر گرانشي ماه و همچنين اُفت شديد دما در اثر قرار گرفتن در سايه زمين را هم خنثي کنيم. در نقطه L1 ميزان ثابتي از انرژي خورشيدي دريافت مي شود و دما نيز ثابت است. از سوي ديگر با هزينه ي مناسبي مي توان به اين نقطه رسيد.»?
هنگامي که رهياب در مدارش قرار گرفت،مکعب هايي کاملاً شبيه به اجرام مورد آزمايش در ليزا، به آرامي از محفظه هاي نگهداري شان آزاد مي شوند. به گفته مک نامارا، «سازوکار قفسه هايي که اجسام را با سرعت صفر رها کند يکي از مشکلات مهندسي پروژه است که از سال 1994 دانشمندان در حال بررسي آن هستند.» وقتي اين جرم هاي مورد آزمايش، که درست شبيه جرم هاي خود پروژه ي ليزا هستند، رها شدند، در امتداد ژئودزي هاي خودشان سقوط آزاد مي کنند؛ با اين تفاوت که، به جاي چند ميليون کيلومتر، چند ده سانتي متر بين آنها فاصله است.
بقيه ابزارهاي فضاپيماي رهياب ليزا در خدمت حفاظت از جرم هاي مورد آزمايش در برابر چندين دوجين نيروهايي هستند که ممکن است اندازه گيري را مختل کنند. درست مانند والديني که براي حفاظت از فرزندانشان در رگبار باران کنار او حرکت مي کنند و چتري را بالاي سرش نگه مي دارند، اين فضاپيما نيز اجرام مورد آزمايش را بدون اينکه با آنها تماسي داشته باشد دنبال مي کند. فضاپيما به طور پيوسته با ارسال پيشران هاي ميکرونيوتوني مدارشان را تصحيح مي کند. اين نيروها بسيار کوچک اند؛ در حدّ اثر تنفس شما در فاصله 200 متري! اگر رهياب بتواند چنان اجرام مورد آزمايش در حال سقوط را حفاظت و کنترل کند که، فارغ از تأثير هرگونه نيروي خارجي، چنان سقوط آزاد کنند که انگار تنها اجرام موجود در عالم اند سه فضاپيماي ليزا هم مي توانند اين کار را دقيقاً انجام دهند.
رهياب ليزا مأموريتي 90 روزه است که بسيار نزديک به زمين انجام مي شود و هزينه اي حدود 300 ميليون يورو (440 ميليون دلار) در بر دارد. سه فضاپيما ي ليزا، که 5 تا 10 سال عمر خواهند کرد، حدود 2ميليارد دلار خرج روي دست سازمان هاي فضايي و مراکر تحقيقاتي مي گذارد. هزينه ي گزاف اين پروژه يکي از علت هاي همکاري ناسا و اسا در اين پروژه و نيز تاخير پرواز آن به فضاست.
کارشتن دانزمان مدير مؤسسه آلبرت اينشتين در هانوفر آلمان و عضو هيئت مديره تيم علمي ليزا مي گويد: «براي انجام مأموريتي فضايي بايد بتواند جامعه فضايي را متقاعد کنيد که اين پروژه ارزش علمي کافي دارد. گاهي انتخاب يک پروژه از ميان ده ها پروژه ي ارزشمند کار مشکلي است. اوايل دهه ي 1980/1360 اولين ايده ها در مورد مأموريت هايي چون ليزا مطرح شدند. اخترشناسان و سياره شناسان پروژه را به ظرافت ميان خود تقسيم کردند. هيچ يک از دو گروه نمي خواستند با فيزيک دانان امواج گرانشي سهيم شوند زيرا مي دانستند که اين يعني هر کدام سهم کمتري از پروژه داشته باشند. همچنين ،در آن زمان هيچ کس نمي دانست چطور بايد چنين تغييرات کوچکي را در چنين فواصل عظيمي اندازه گيري کرد.»
پروژه ي ليزا رسماً از سال 1992/1371، پس از انتشار فراخوان اِسا براي مأموريت هاي فضايي علمي با فضاپيماهايي با اندازه متوسط، و زماني که دانزمان و همکارانش- که نيمي از آنها در آمريکا بودند- طرح خود را پيشنهاد دادند، آغاز شد. در طرح اوليه ي دانزمان شش فضاپيماي کوچک پيشنهاد شده بود. در آن زمان آژانس فضايي اروپا رياست پروژه را به عهده گرفت زيرا ناسا درگير تبعات حادثه ي انفجار شاتل چَلِنجِر و رفع مشکلات آينه تلسکوپ هابل بود. اما از سال 1997/1376 به بعد، مطالعات پروژه را تا دستارودهاي امروزي به طور مشترک و هماهنگ پيش بردند.
هيوز با اين نمايش نشان داد که همان گونه که «صدا» بدون «ديدن» مي تواند اطلاعات بسياري به ما بدهد و حتي از بينايي تأثيرگذارتر باشد، خروجي بي همتاي ليزا نيز مي توان بسيار بيشتر از مشاهده ي بصري مؤثر باشد. قياس بين ليزا و شنوايي انسان مقايسه جالبي ست. انتظار مي رود دو سياهچاله با ابعاد ستاره اي، که گرد هم مي چرخند و در مسيري مارپيچ به هم نزديک مي شوند، امواج گرانشي با فرکانسي تابش کنند از مرتبه ي فرکانس امواج شنوايي انسان. اگر گوش ما به امواج گرانشي حساس بود، مي توانستيم ادغام شدن سياهچاله ها را بشنويم که احتمالاً در آغاز صدايي مثل چَهچَهه پرندگان و سپس صدايي شبيه به جيرجير موش داشت و شايد با صدايي، اگر نه جيغ دست کم فرياد مانند ميمون پايان مي يافت.
اين «صداي جيرجير» همان چيزي است که آشکار سازهاي امواج گرانشي روي زمين تلاش مي کنند بشنوند (جعبه صفحه 21 را ببينيد).
در طول موج هاي بلندتر، که ليزا به آن حساس است، ادغام سياهچاله هاي اَبَرپُرجرم درون خوشه هاي ستاره اي ممکن است «غرشي بلند» گسيل کند؛ موجي بسيار پرانرژي تر از آنچه که کل ستاره هاي تمام کهکشان ما تابش مي کنند! چنين چشمه هاي موجي به خوبي به وسيله ليزا آشکار مي شوند و همان طور که شما در جنگل از صداي جيغ ميمون مي توانيد تقريباً محل منبع صدا را تشخيص دهيد، ليزا هم مي تواند محل تابش امواج گرانشي را تعيين کند. در واقع ما چون دو گوش داريم و صدا به يکي از گوش ها زودتر از ديگري مي رسد مي توانيم جهت چشمه صوت را بيابيم. سه فضاپيماي ليزا هم بسيار از هم دورند و 13 برابر فاصله ماه تا زمين حدود 17 ثانيه نوري از يکديگر فاصله دارند. امواج گرانشي هم با سرعت نور منتشر مي شوند و اين فاصله زياد فضاپيماها و طرز قرار گرفتن مثلثي آنها به ليزا اجازه مي دهد که جهت و محل چشمه امواج گرانشي را پيدا کند.
افزون بر اين، به گفته دانزمان «در زمينه صداي ثابتي شبيه هيس هيس و ترق و توروق از امواج گرانشي با فرکانس بالاتر نيز بايد وجود داشته باشد که سرچشمه اش 20 ميليون ستاره ي دوتايي کوتوله ي سفيد معمولي است که کهکشان ما رات پر کرده اند.» ولي بايد صداهاي دورتر و عميق تري هم باشند به ويژه صداهايي مانند صداي غرش تصادم کهکشان ها و حساسيت ليزا به امواج گرانشي چنين پديده اي يکي از علت هايي است که به ما اطمينان مي دهد که چيزي براي «شنيدن» ليزا وجود دارد. رايز وايس، فيزيک دان همکار در مؤسسه فناوري ماساچوست، بر اين باور است که «چون در هسته ي همه کهکشان هاي مارپيچي اَبَرسياهچاله هاي پُرجرم -با جرم يک تا ده ميليون برابر خورشيد- وجود دارند و ما در بسياري از تصاوير اعماق آسمان مي بينيم که تصادم بين کهکشان ها در همه جاي عالم رخ مي دهد، بنابراين مي دانميم که در حدود طول موجي که ليزا کار مي کند چشمه هاي موجي براي آشکارسازي وجود دارند.»
اهداف اين پروژه فراتر از نجوم است و به فيزيک ذرات بنيادين باز مي گردد. به گفته چارلز کنل يکي از مديران سابق ناسا و مدير فعلي مؤسسه اقيانوس شناسي اسکريپس در سان ديگو کاليفرنيا، «از زمان آغاز انقلاب کپرنيک، نجوم همواره فيزيک را به چالش کشيده است. و ما هميشه از فيزيک براي درک مفاهيم نجومي بهره برده ايم. ليزا قادر است سياهچاله هاي در حال ادغام شدن را پيدا کند و نسبيت عام را در محدوده ي ميدان هاي قوي عملاً آزمايش کند.» محدوده ي ميدان هاي قوي اصطلاحي است که نسبيت دانان براي تعريف موقعيتي استفاده مي کنند که گرانش در آن بسيار قوي است- و هندسه فضا در آنجا به وضوح خميده شده است- و در آن پديده هايي رخ مي دهد که نمي توان در هيچ آزمايشگاهي يا در رصد هيچ جرم نجومي نزديکي آنها را مشاهده کرد.
البته پيش بيني هاي نسبيت درباره اين محدوده را مي توان با رصد اينکه ماده و الياف فضا- زمان چگونه در نزديکي سياهچاله هاي ابرپرجرم مرکز کهشکان ها در هم مي پيچند، آزمايش کرد. برطبق پيش بيني نسبيت عام، وقتي سياهچاله هاي کوچک تر، با جرم ده برابر خورشيد،به درونه اين هيولاي بسيار بزرگ تر بلعيده مي شوند هندسه فضا- زمان آن چنان خميده و در هم پيچيده مي شود که نمونه اش در هيچ کجاي ديگر ديده نشده است و ويژگي هاي امواج گرانشي گسيل شده بايد محدوده ي نظري نسبيت عام را آشکار کنند. فقط در مرز جرم هايي که قادر به انجام چنين هم نوع خواري کيهاني اند- پس از خود مهبانگ عظيم ترين حوادث عالم اند- مي نوان محدوده نظري نسبيت عام را آشکار کرد.
پيتر بندر، فيزيک دان دانشگاه کلرادو، مي گويد، «امواج گرانشي پنجره جديدي را به روي علم نجوم باز خواهند کرد، اما دقيق تر اين است که آشکارسازي امواج گرانشي درهايي را تماماً به روي عالمي جديد و وسيع خواهد گشود.»
- رصدخانه ي تداخل سنجي ليزري امواج گرانشي (LIGO) از يک جفت آشکارساز در هنفورد واشنگتن و آشکارساز سوم در ليوينگستون لوئيزيانا تشکيل شده است. (جعبه ليگو را در ص 24 ببينيد).
- ژئو (Geo)، آشکارسازي در هانوفر آلمان است که نامش بيانگر آن است که اين آشکارساز روي زمين قرار دارد.
- ويرگو (سنبله) به نام صورت فلکي اي ناميده شده است که خوشه هايي با کهکشان هاي فعال درونش وجود دارد و پيش بيني مي شود منبع اصلي امواج گرانش باشد. اين آشکارساز در نزديکي پيزا در ياتاليا واقع شده است.
- تاما به نام منطقه اي در حومه ي غربي توکيو، که محل نصب اين آشکارساز است، ناميده شده.
- آيگو (AIGO) رصدخانه ي بين المللي امواج گرانشي استراليا در نزديکي شهر پرت در غرب استراليا واقع شده است.
چون همه اين آشکارسازها بر سطح زمين قرار دارند، بسيار کوچک تر از ليزا هستند و طول بازوي آنها (فاصله ي آشکارسازها) در محدودي 300 تا 4کيلومتر است و بنابراين فقط به طول موج هاي کوتاه يا فرکانس بالا حساس اند. امواج زلزله روي زمين مشکلات اساسي را براي حساسيت آنها بوجود مي آورد. مشکلي که براي ليزا وجود ندارد. البته ليزا هم با امواج مختل کننده ي ديگري سر و کار دارد. پيش بيني نمي شود که آشکارسازهاي فعلي، که روي زمين فعال اند، با حساسيت و دقت کنوني شان چيزي آشکار کنند. زيرا طول موجي که آشکارسازهاي زميني به آن حساس اند، بسيار نادر و ضعيف اند.
برنامه هايي که براي بهبود و توسعه ي آنها طراحي شده اند، به ويژه توسعه ليگو که تا سال 2013/1392 پايان خواهد يافت مقدار قابل توجهي حساسيت اين آشکارسازها را افزايش خواهد داد.
از ديرباز حتي پيش از اينکه نيوتن قانون گرانش را کشف کند، دانشمندان رصدگر دريافته بودند که زمين و ديگر سيارات به دور خورشيد مي گردند. هرچند علت اين گردش را به درستي نمي دانستند حتي، از آن زمان هم آن پرسش مطرح بود که اگر خورشيد وجود نداشت حرکت سيارات چگونه مي بود؟ پس از کشف قانون گرانش و درک علل حرکت دَوَراني سيارات، اين پرسش به گونه ديگري مطرح شد. مسلم است که اگر ناگهان خورشيد از منظومه شمسي حذف شود، سيارات با سرعت مداري شان مسيري مستقيم را طي مي کنند و از منظومه شمسي خارج مي شوند، اما چقدر طول مي کشد تا «خبر» ناپديد شدن به هر سياره برسد؟
قوانين فيزيک نيوتوني و فيزيک نسبيتي پاسخ هاي متفاوتي به اين پرسش مي دهند. طبق قوانين فيزيک کلاسيک و مکانيک نيوتوني، به محض حذف خورشيد سيارات «خبردار» مي شوند اما طبق نسبيت اينشتين هيچ اطلاعاتي نمي تواند با سرعتي بيش از سرعت نور منتشر شود. اما چه چيز حامل و مسئول انتقال «اطلاعات گرانشي» است؟
بحث پيچيدگي هاي مسائل گرانشي در طول تاريخ در مورد اجرام سماوي مختلفي پيش آمده است، براي مثال تأثيرات گرانش زمين و خورشيد و ديگر سيارات بر ماه و اينکه آيا اثرات گرانش آنها بر فاصله ي ماه تا زمين اثر مي گذارد يا نه از اواخر قرن هجدهم مطرح بود. مسئله ي بسيار مهم ديگر تغيير نقطه حضيض مداري سياره ي عطارد بوده است. طبق مکانيک نيوتوني، شکل مدار سيارات بيضي اي ثابت است و حضيض مدار آنها در فضا ثابت است اما در عمل اثر گرانشي ديگر سيارات حضيض مدار سيارات را جابه جا مي کند. اما حتي با در نظر گرفتن تمام اثرات گرانشي سيارات، بخشي از جابه جايي حضيض عطارد به اندازه جابه جايي 43 ثانيه ي قوس در هر قرن با محاسبات نيوتوني توجيه پذير نيست. برخي دانشمندان عامل اين جابه جايي را سياره اي ناشناخته بين مدار عطارد و خورشيد مي دانستند. هرگز چنين سياره اي کشف نشد.
تا اينکه نظريه انقلابي نسبيت عام مطرح شد. اين نظريه در بسياري موارد با دقت بالا پاسخ برخي از مسائل حل نشده ي فيزيک را داد. تغيير موضع حضيض مداري عطارد هم يکي از يان موارد بود و جالب اينجاست که مقداري که براي جابه جايي حضيض عطارد با محسبات نسبيتي پيش بيني شد. دقيقا 43 ثانيه قوس در هر قرن است!
از طرفي با مطرح شدن قوانين مربوط به تابش امواج الکترومغناطيسي، وجود تابشي مربوط به گرانش هم مطرح شد. طبق نظريه ي ماکسول، ذرات بارداري که حرکت شتابدار داشته باشند امواج الکترومغناطيسي تابش مي کنند. باتوجه به شباهت هاي گرانش و الکترواستاتيک و الکترومغناطيس، اين پرسش مطرح شد که آيا در مورد گرانش هم موج مشابهي وجود دارد؟ احتمالا هنري پوانکاره، رياضي دان فرانسوي که در تلاش بود معضل جابه جايي حضيض مداري عطارد را حل کند، نخستين کسي بوده که واژه «موج گرانشي» را در سال 1905/1284 به کار برده است. او تلاش کرد با نسبت دادن نوعي تابش با ماهيت گرانشي، با عطارد مسئله ي حضيض را حل کند.
در نسبيت زمان مختصه اي مطلق و مستقل از فضا نيست. اگر دو جسم با شتاب هاي مختلفي حرکت کنند يا در مکان هايي با گرانش مختلف قرار گيرند گذر زمان براي آنها متفاوت خواهد بود. بنابراين مفهوم زمان کاملاً با فضا گره خورده است. در نسبيت به جاي آنکه مفاهيم فضا و زمان جداگانه نام برده شوند. دستگاهي چهار بعدي، که فضا- زمان نام دارد به کار گرفته مي شود. هر جسمي هر جرمي که داشته باشد، در فضا- زمان اطرافش انحنا ايجاد مي کند و مي تواند حتي روي گذر زمان تأثير بگذارد. البته اگر جرم و گرانش زياد نباشد اين تأثير قابل آشکارسازي نيست. اگر جسمي که در فضا- زمان انحنا ايجاد کرده است جابه جا شود يا تغييري در گرانش آن ايجاد شود، انحناي فضا- زمان هم در اطراف آن تغيير خواهد کرد و اين تغيير با سرعت نور منتشر مي شود. اين تغيير انحناي فضا- زمان به موج گرانشي تعبير مي شود.
امواج گرانشي تفاوت بسياري با امواج الکترومغناطيسي دارند. شدت امواج گرانشي اجسام کم جرم بسيار ناچيز است و فقط اجسام پرجرم در شرايطي خاص مي توانند موج گرانشي ايجاد کنند. نحوه ي ايجاد اين امواج هم با توليد امواج اللکترومغناطيسي متفاوت است. اينشتين در سال 1918/1297 اثبات کرد که امواج گرانشي در جايي ايجاد مي شوند که حرکت داخلي آنها تقارن کروي نداشته باشد. يعني يک ستاره پرجرم با گرانش بسيار زياد ،حتي اگر با سرعت قابل مقايسه با سرعت نور دوران کند، نمي تواند موج گرانشي توليد کند مگر اينکه برآمدگي يا فرورفتگي هايي قابل مقايسه با جرم و ابعاد خود ستاره داشته باشد که وجود چنين نمونه اي در طبيعت بعيد است. بهترين مکان براي جستجوي چشمه هاي امواج گرانشي، منظومه هاي دوتايي يا چندتايي از اجسام پرجرم يا اجسام با گرانش بالا، مثل کوتوله هاي سفيد يا ستاره هاي نوتروني، هستند. البته گرانش کوتوله هاي سفيد بسيار کمتر از ستاره هاي نوتروني است. در منظومه هايي مانند سيارات و اقمارشان و حتي ستاره ها و سياراتشان آن قدر امواج گرانشي توليد شده ناچيز است که آشکارسازي و مشاهده ي آنها تقريباً غيرممکن است. بنابراين حتي اگر پوانکاره اکنون زنده بود باز هم نمي توانستيم به او اميد رصد امواج گرانش مؤثر بر عطارد را بدهيم!
هنگامي که مسئله امواج گرانشي مطرح شده با اينکه در ظاهر فرضيه اي بسيار پذيرفتني به نظر مي رسيد، با توجه به اينکه در آن زمان حتي ستاره هاي نوتروني در عمل کشف نشده بودند، پذيرش مسئله با مشکلات بسياري مواجه بود. در سال 1967/1346 نخستين ستاره نوتروني در سحابي خرچنگ، که بازمانده ي انفجار ابرنواختري است، کشف شد. اما اين ستاره نوتروني همدمي نداشت. در سال 1974/1353 هالس و تيلور نخستين مجموعه ي دوتايي از ستاره هاي نوتروني را کشف کردند و نشان دادند اين منظومه دقيقاً مطابق با پيش بيني هاي نسبيت عام انيشتين انرژي از دست مي دهد و مدارش ميرا مي شود. طبق پيش بيني هاي نسبيت، اين انرژي به صورت امواج گرانشي تابش مي شود. دستاوردهاي کشف هالس و.تيلور آنقدر در حوزه هاي ديگر فيزيک مؤثر بود که جايزه اي نوبل شال 1993/1372 را از آن اين دو دانشمند کرد.
از آن پس، مشکل اصلي دانشمندان چگونگي آشکارسازي امواج گرانشي بود. براي مثال در آشکارساز عظيم ليگو (رصدخانه ي تداخل سنجي ليزري امواج گرانشي) نور ليزر به طور همزمان به دو قسمت تقسيم مي شود و دو راهرو عمود بر هم به طول چهار کيلومترو عرض چهار متر را طي مي کند و از انتهاي راهرو بازتاب مي شود و مسير رفته را بازمي گردد. اگر امواج گرانشي از مسير عبور يکي از اين پرتوهاي ليزر عبور کنند، انحناي فضا- زمان را مقدار بسيار ناچيزي تغيير مي دهد. همين مقدار ناچيز در زمان رفت و برگشت نور تأثير مي گذارد و نور بازگشته از دو راهرو با هم اختلاف فاز خواهند داشت. با توجه به انحناي زمين و مشکلاتي ديگر، بزرگي آشکارسازهايي که روي زمين نصب مي شوند نمي تواند از چند کيلومتر بيشتر شود. به همين سبب دانشمندان به فکر ساخت پروژه ي بلند پروازانه ي ليزا افتادند که در آن سه فضاپيما با فاصله اي 5 ميليون کيلومتري کار تبادل و بازتاب ليزر را انجام مي دهند. دانشمندان اميدوارند با تکميل آشکارسازهاي زميني و راه اندازي آشکارساز فضايي مشکل ديرينه آشکارسازي امواج گرانشي را برطرف کنند.
پژوهش هاي جديد مشترکي از سوي گروه علمي ليگو (رصد خانه تداخل سنجي ليزري امواج گرانشي- LIGO) و گروه ويرگو به پيشرفت درک ما از تحولات عالم مي انجامد. تحليل داده هايي، که طي دو سال از 1384 تا 1386 گردآوري ده بودند، مرزهاي مشخصي را براي ميزان امواج گرانشي اي تعيين کرده که ممکن است از زمان انفجار بزرگ يا مهبانگ در باند فرکانسي قابل رصد براي ليگو گسيل شده باشد. پژوهشگران امواج گرانشي، براي انجام اين کار، قيدهاي جديدي براي جزئيات شرايط اوليه ي عالم در نظر گرفته اند.
به گفته بِورلي بِرگِر، مدير برنامه فيزيک گرانشي در بنياد ملي علوم در ايالات متحده (NFS)، «ليگو، که چند دهه پيش توسط دانشمندان نظري آغاز و از سوي بنياد ملي علوم با عنوان پروژه ي تحقيقاتي پرخطر و پر حاصل پشتيباني شد، حالا در شُرُف کشفي مهم است. ليگو اکنون به واقع اندازه گيري هاي نجومي خود را انجام مي دهد و به روشي کاملاً جديد به عالم نگاه مي کند.»
دانشمندان بر اين باورند که مهبانگ، همان گونه که تابش زمينه ي ريزموج کيهاني را توليد کرده ،سيلي از امواج گرانشي را نيز در تارو پود فضا و زمان گسيل کرده که هنوز عالم را فراگرفته است و اطلاعاتي از نخستين دقايق تولد عالم با خود حمل مي کند. اين امواج با عنوان «زمينه ي تصادفي» رصد مي شوند؛ مشابه روي هم قرارگيري امواج بسيار با اندازه ها و جهت هاي گوناگون برسطح يک برکه. شدت اين سيگنال احتمالي ويژگي هاي عالم را در مراحل نخستين آشکار مي کند.
اندازه گيري هاي پيشين از تابش ريزموج زمينه ي کيهاني، در خوش بينانه ترين حالت، مرز حدّ بالاي امواج گرانشي تصادفي زمينه را در فواصل بسيار عظيم و فرکانس هاي پايين قرار داده بود. اندازه گيري هاي جديد توسط ليگو مستقيماً امواج گرانشي زمينه را در مقياس هاي زماني اي بسيار کوتاه تر، از آنچه در دسترس تابش ريزموج زمينه ي کيهاني است، کاوش مي کند.
اين بررسي، مدل هاي کيهان شناسي وابسته به ريسمان هاي کيهاني را نيز محدود مي کند. ريسمان ها ساختارهايي احتمالي اند که ظاهراً از ابتداي خلقت عالم باقي مانده اند و طي انبساط عالم طول آنها نيز به اندازه هايي بسيار عظيم گسترش يافته است. به گفته ي برخي از کيهان شناسان، در عالم اوليه ريسمان هاي ممکن است حلقه هايي را تشکيل دهند که حين نوسان، واپاشي و سرانجام نابوديِ خود امواج گرانشي توليد مي کنند.
امواج گرانشي حامل اطلاعاتي درباره منشأ خشن خود و ماهيت گرانش هستند که به وسيله ابزارهاي متداول نجومي به دست نمي آيند. وجود اين امواج را آلبرات اينشتين در سال 1916/1295 در نظريه نسبيت عام خود پيش بيني کرد. ابزارهاي ليگو (وهمکاران بين المللي آن) از سال 2002/1381 به طور فعال به دنبال اين امواج اند.
نويسندگان اين مقاله تحقيقاتي جديد، که بال عنوان «حدّ بالايي بر دامنه ي امواج گرانشي تصادفي زمينه با منشأ کيهان شناختي» در شماره 20 اوت 2009 مجله ي نيچر منتشر شده، گزارش کرده اند که زمينه تصادفي امواج گرانشي هنوز کشف نشده است. اما حتي کشف نشدن زمينه، آن طور که در اين مقاله شرح داده شده، نگاه تازه اي است به تاريخ ابتدايي عالم.
به گفته ووک منديک، از دانشگاه مينِه سوتا، «اين به ما نشان مي دهد که عالم چه شکلي نيست! از آنجايي که زمينه تصادفي را رصد نکرده ايم برخي از اين مدل هاي عالم ابتدايي، که ميزان زيادي زمينه ي تصادفي پيش بيني مي کنند، از رده خارج مي شوند. ما حالا کمي بيشتر درباره عواملي مي دانيم که عالم را، در زماني که کمتر از يک دقيقه عمر داشت، شرح مي دهند.»
داده هاي اين تحليل از تداخل سنج هاي ليگو گردآوري شده اند: يک جفت آشکارساز 2و4 کيلومتري در هنفورد واشنگتن و ابزاري 4 کيلومتري در ليوينگستون لوئيزيانا.
منديک چنين شرح مي دهد که «ليگو پيشرفته براي بررسي مدل هاي عالم ابتدايي، مدل هاي ريسمان کيهاني، و ديگر مدل هاي زمينه تصادفي راه درازي را طي مي کند. مي توانيم نتايج فعلي را نشانه اي از آنچه پيش مي آيد بدانيم.»
ليگو پيشرفته از زيرساخت هاي رصدخانه هاي فعلي ليگو استفاده مي کند اما حساسيت آن 10 برابر آنهاست. اين ابزار که در سال 2014/1393 آغاز به کار مي کند، به دانشمندان امکان مي دهد که رويدادهاي فاجعه باري همچون برخوردهاي سياهچاله ها و ستاره هاي نوتروني را، که توليد کننده ي امواج گرانشي اند، در فواصلي 10 بار دورتر کشف کنند. به کمک ليگو پيشرفته، به منابع امواج گرانشي فراکهکشاني در ابعادي از عالم حساس مي شويم که هزار برابر وسعت ديد امروزمان است.
امواج گرانشي تنها راه بررسي مستقيم عالم در لحظه ي تولدش است؛ اين امواج از اين جهت کاملاً يگانه اند. اين نوع اطلاعات را از هيچ طريق ديگري نمي توانيم به دست آوريم. به همين سبب است که اين نتايج،به ويژه، و نجوم امواج گرانشي، در کل، اينقدر هيجان انگيزند.
دانشمندان دو گروه علمي ليگو و ويرگو تلاش هاي خود را براي بهترين استفاده از ابزارهاي خود به کار گرفتند. ترکيب داده هاي همزمان تداخل سنج هاي ليگو و ويرگو بسيار نتيجه بخش است. صدها دانشمند سخت کار مي کنند تا به چنين نتايج بنياديني دست پيدا کنند. از دانشمنداني که آشکارسازها را طراحي و با آنها کار مي کنند تا گروه هايي که داده ها را براي محققان اختر فيزيک و تحليل گران داده آماده مي کنند. اين افراد از روش هاي حساس براي جستجوي اين علائم بسيار ضعيف و فرار در داده ها استفاده مي کنند.
پروژه ي ليگو، از سوي کلتک و مؤسسه ي فناوري ماساچوست، با هدف آشکارسازي امواج گرانشي و گسترش رصدهاي امواج گرانشي اجرا مي شود. تحقيقات را گروه علمي ليگو انجام مي دهد که از 700 دانشمند از دانشگاه هاي ايالات متحده و 11 کشور ديگر تشکيل شده است.
گروه ويرگو نيز تداخل سنج 3 کيلومتري ويرگو را در کاسينا- ايتاليا طراحي و اجرا کرد و خود شامل 200 دانشمند از 5 کشور اروپايي است. کار اين گروه را کنسرسيوم رصدحانه ي گرانشي هلندي- فرانسوي- ايتاليايي- اروپايي پشتيباني مي کند. اين دو گروه با هم کار مي کنند تا داده هاي تداخل سنج هاي ليگو، ويرگو و گئو را تحليل کنند.
منبع: ماهنامه نجوم، شماره 189.
سه جرء آن و در واقع سه گوشه اين مثلث، سه فضاپيما هستند؛ آنتن هاي تداخل سنج فضايي ليزري(laser Interferometer Space Antenna) که به اختصار (Lias) ناميده مي شود. آنتن هاي ليزا کوچک تر از آن هستند که در نور مرئي ديده شوند و نوري که از آنها مي تابد در محدوده ي فروسرخ خواهد بود. اما مجموعه ي آنها وسيع ترين ساخته دست بشر بود که اجزاي آن حدود 5ميليون کيلومتر از هم فاصله دارند. از حدود سال 2018/1397 ،اين مجموعه با روشي کاملاً نوين به بررسي پديده هاي کيهاني مانند تولد کهکشان ها، مرگ سياهپاله ها و... خواهد پرداخت.
ليزا يکي از مأموريت هاي بلند پروازانه ي فضايي به شمار مي رود که قرار است در دهه هاي آتي انجام شود. در ارزيابي اي که شوراي تحقيقات ملي آمريکا (NRC)، در پروژه هايي که به ناسا پيشنهاد شده بود، انجام داد اين پروژه بالاترين رتبه علمي و بيشترين امتياز را کسب کرد. هدف اصلي اين پروژه، که فعاليت مشتريک بين ناسا (سازمان فضايي آمريکا) و اِسا (سازمان فضايي اروپا) به شمار مي رود، آشکارسازي امواج گرانشي است. که تلاطم هايي در تار و پود فضا- زمان هستند، با اندازه گيري حرکت نسبي فضاپيماها با دقتي بسيار بالا آشکار شوند.
وجود امواج گرانشي در قانون نسبيت اينشتين پيش بيني شده است. طبق نسبيت عام، امواج گرانشي اُفت و خيزهايي هستند که به صورت انبساط و انقباض در هندسه ي فضا- زمان پديدار مي شوند. اگرچه اين امواج تاکنون به طور مستقيم مشاهده نشده اند، آنقدر شواهد غيرمستقيم از آنها وجود داشته است که يکي از جايزه هاي نوبل فيزيک به اين موضوع اختصاص يابد. سي سال پيش راسل هالس و جوزف تيلور، از دانشگاه پرينستون در نيوجرسي، منظومه اي از دو ستاره نوتروني را مشاهده کردند که ره هشت ساعت يک بار دور مرکز جرمشان مي گشتند. طي مدتي طولاني، سرعت دوراني آنها کاهش يافته و اين مدرکي است که نشان مي دهد اين منظومه انرژي از دست داده است. آهنگ کاهش انرژي اين مجموعه، کاملاً بر پيش بيني هاي نسبيت عام، که بر طبق آن چنين ستاره هاي دوتايي ممکن است امواج گرانشي تابش کنند، منطبق است.
ژئودزي ها
پروژه ي ليزا تلاش مي کند که با استفاده از اجسامي که سقوط آزاد مي کنند امواج گرانشي را آشکار کند. اين پروژه شامل سه بخش است: در ابتدا موقعيتي فراهم مي شود که اجسام مورد آزمايش، بدون هيچ مزاحمتي (مانند ميدان هاي مغناطيسي و ديگر نيروهاي خارجي)، تنها تحت گرانش سقوط آزاد کنند. سپس هنگامي که امواج گرانشي از مسير اين اجسام عبور و انحناي محلي فضا را آشفته مي کنند، دوباره تغييرات فاصله بين ژئودزي هاي آنها با دقت بالايي ثبت مي شود. آخرين مرحله، تحليل اين تغييرات است. با پردازش اطلاعات به دست آمده شکل دقيق اُفت و خيزهالي انحناي فضا- زمان و حتي بسامد و شدت آن به دست مي آيد.
ليزا براي بررسي ژئودزي ها و داشتن بيشترين دقت ممکن، از ليزا نئوديميوم استفاده مي کند که طول موجي کمتر از يک ميکرومتر دارد. اين ليزر به مکعب هايي از آلياژ طلا و پلاتينيوم به ضلع فقط 4 سانتي متر و جرم 4کيلوگرم مي تابد که با آلياژ طلا اندود شده اند و به زيبايي جواهرات مرغوب اما بسيار گران قيمت تر از آنها هستند! طلا و پلاتينيوم تنها در برابر ميدان گرانشي واکنش قابل توجه دارند. به گفته پل مک نامارا، يکي از دانشمندان اسا و همکار اين پروژه «ترکيب اين فلزات حساسيت مغناطيسي بسيار ناچيزي، در حّد خاصيت مغناطيسي شيشه، دارند.» تنها هدف اين جرم هاي مورد آزمايش در فضا اين است که مسير خودشان را طي کنند، هر کدام در امتداد کوتاه ترين فاصله اش تا يکي از فضاپيماهاي ليزا سقوط آزاد مي کند و در همان حال پرتو ليزر تابيده از فضاپيماي ديگررا بازتاب مي دهد.فضاپيماهاي ليزا طوري تنظيم مي شوند که اين ژئودزي ها 5ميليون کيلومتر از هم فاصله داشته باشند. فضاپيماهاي ليزا در مدار زمين و به فاصله 20 درجه اي از اين سياره قرار دارند و به همراه زمين به دور خورشيد مي گردند و در واقع حدود 5ميليون کيلومتر از زمين فاصلعه دارند. در هر گردش سالانه فضاپيماها، با دور شدن از هم و نزديک شدن آنها به هم مثلث فضاپيماها تا حدود 50000 کيلومتر بزرگ و کوچک مي شود. درست مثل اينکه اين مجموعه «تنفس» مي کند!
دو برابر شنيدن
امواج گرانشي بر اين جابه جايي دوپلريِ پيش بيني پذير اثر مي گذارند. زيرا امواج گرانشي موجب تغيير انحناي فضاي بين فضاپيماها و طولاني شدن مسيري که نور طي مي کند مي شود. البته تغييرات فرکانس (بسامد) به سبب امواج گرانشي، در مقايسه با جابه جايي دوپلري به سبب «تنفس» مجموعه ي فضاپيماها، بسيار سريع تر- طي دوره اي بين 10 ثانيه تا 3ساعت- رخ مي دهد. اينجاست که دقت بالاي ابزارهاي ليزا وارد گود مي شود. در واقع روش دريافت و بررسي پرتو ليزر فروسرخ در ليزا مانند کاري است که راديوهاي اف. ام انجام دهند. ايستگاه راديويي اف. ام امواج يکنواختي با فرکانس هاي بالا (حدود 100 مگاهرتز، يا 108 هرتز) توليد مي کند که برنامه هاي راديويي با فرکانس پايين تر صوتي (در محدوده ي کيلوهرتز يا حدود 103 دور بر ثانيه) بر آن مدوله مي شود. گيرنده ي راديويي خانگي يا اتومبيل نيز يک نوسانگر دروني دارد که سيگنالي تقريباً معادل با فرکانس بالاي فرستنده راديويي توليد مي کند. با تفريق سيگنال رسيده از طريق هوا از فرکانسي که گيرنده ي راديويي توليد مي کند، فرايندي که به آن هيترودين مي گويند، سيگنال با فرکانس بسيار پايين تر که حاوي برنامه اي راديويي است بر جاي مي ماند. آنگاه، اين فرکانس صوتي بلندگوهاي راديو را به کار مي اندازد.
سامانه ترکيب و تفريق نوري در ليزا پرتوهاي ليزري فروسرخ با فرکانس ميليون ها بار بالاتر (در حدود 300 تراهرتز يا 1014×3 نوسان در ثانيه) را به کار مي گيرد که همان عملکرد را دارد اما با دقتي بي سابقه. پرتو ليزر پس از بازتاب از اجسام سقوط کننده مورد آزمايش، با پرتو ليزر توليده شده ي اوليه، که به عنوان موج مرجع به کار مي رود، در يک آشکارساز نوري ترکيب مي شوند. مقايسه اين دو، موجي با فرکانس بسيار کم در حّد يک مگاهرتز را از تنفس عادي مجموعه ي ليزا آشکار مي کند. امواج گرانشي به صورت مدولاسيون از اين «وزوز» ليزا با فرکانس هاي بسيار کم (يک ميلي هرتز يا 0/001 نوسان در ثانيه) خود را نشان مي دهند. با استفاده از روش هاي پردازش علائم، مشابه آنچه در گيرنده هاي ردياب ماهواره اي استفاده مي شود، ليزا مي تواند اين علائم فرکانس پايين را با دقت چند ميليونيم دور، معادل با پيکومتر، در فاصله اندازه گيري کند.
يافتن مسير
رابين استبينز، يکي از همکاران پروژه ي ليزا در مرکز پروازهاي فضايي گادرد ناسا در مريلند، بر اين باور است که «عامل خطا در جزييات نهفته است. هنگامي که با دقت بسيار بالا اندازه گيري را انجام مي دهيد، متخصص ابزار بايد بتواند همه ي خطاهاي احتمالي را برآورد کند و سپس در آزمايش هاي علمي ثابت مي کند که برآوردها درست بوده اند يا نه و نيز مدام بايد به دنبال خطاهايي باشد که ممکن است از قلم افتاده باشند. ما فهرستي از 50 پديده فيزيکي داريم که ممکن است آزمايش ليزا را مختل کنند که احتمالا 35تا از آنها در عمل مهم اند.» البته هيچ چيز متقاعد کننده تر از بررسي علمي فناوري نيست. اينجاست که اهميت نقش «رهياب ليزا» آشکار مي شود. رهياب ليزا، فضاپيمايي که در انگلستان در حال آماده سازي است، قرار است فناوري هاي بنيادين ليزا را به نمايش بگذارد: مانند بازتاب پرتوهاي ليزري فروسرخ از اجسام در حال سقوط آزادي که ژئودزي هاي خودشان را دنبال مي کنند، جرم سنجي پيکومتري و کاهش اختلال هاي ممکن بر اجرام مورد آزمايش. به گفته مک نامارا، دانشمندان پروژه ي رهياب ليزا، «سخت افزار پرواز رهياب ليزا تا سال 2010 آماده ي انجام پرواز خواهد بود.»
مدار ليزا
به گفته مک نامارا، «در اين آزمايش مي خواهيم اثر گرانشي ماه و همچنين اُفت شديد دما در اثر قرار گرفتن در سايه زمين را هم خنثي کنيم. در نقطه L1 ميزان ثابتي از انرژي خورشيدي دريافت مي شود و دما نيز ثابت است. از سوي ديگر با هزينه ي مناسبي مي توان به اين نقطه رسيد.»?
هنگامي که رهياب در مدارش قرار گرفت،مکعب هايي کاملاً شبيه به اجرام مورد آزمايش در ليزا، به آرامي از محفظه هاي نگهداري شان آزاد مي شوند. به گفته مک نامارا، «سازوکار قفسه هايي که اجسام را با سرعت صفر رها کند يکي از مشکلات مهندسي پروژه است که از سال 1994 دانشمندان در حال بررسي آن هستند.» وقتي اين جرم هاي مورد آزمايش، که درست شبيه جرم هاي خود پروژه ي ليزا هستند، رها شدند، در امتداد ژئودزي هاي خودشان سقوط آزاد مي کنند؛ با اين تفاوت که، به جاي چند ميليون کيلومتر، چند ده سانتي متر بين آنها فاصله است.
بقيه ابزارهاي فضاپيماي رهياب ليزا در خدمت حفاظت از جرم هاي مورد آزمايش در برابر چندين دوجين نيروهايي هستند که ممکن است اندازه گيري را مختل کنند. درست مانند والديني که براي حفاظت از فرزندانشان در رگبار باران کنار او حرکت مي کنند و چتري را بالاي سرش نگه مي دارند، اين فضاپيما نيز اجرام مورد آزمايش را بدون اينکه با آنها تماسي داشته باشد دنبال مي کند. فضاپيما به طور پيوسته با ارسال پيشران هاي ميکرونيوتوني مدارشان را تصحيح مي کند. اين نيروها بسيار کوچک اند؛ در حدّ اثر تنفس شما در فاصله 200 متري! اگر رهياب بتواند چنان اجرام مورد آزمايش در حال سقوط را حفاظت و کنترل کند که، فارغ از تأثير هرگونه نيروي خارجي، چنان سقوط آزاد کنند که انگار تنها اجرام موجود در عالم اند سه فضاپيماي ليزا هم مي توانند اين کار را دقيقاً انجام دهند.
رهياب ليزا مأموريتي 90 روزه است که بسيار نزديک به زمين انجام مي شود و هزينه اي حدود 300 ميليون يورو (440 ميليون دلار) در بر دارد. سه فضاپيما ي ليزا، که 5 تا 10 سال عمر خواهند کرد، حدود 2ميليارد دلار خرج روي دست سازمان هاي فضايي و مراکر تحقيقاتي مي گذارد. هزينه ي گزاف اين پروژه يکي از علت هاي همکاري ناسا و اسا در اين پروژه و نيز تاخير پرواز آن به فضاست.
کارشتن دانزمان مدير مؤسسه آلبرت اينشتين در هانوفر آلمان و عضو هيئت مديره تيم علمي ليزا مي گويد: «براي انجام مأموريتي فضايي بايد بتواند جامعه فضايي را متقاعد کنيد که اين پروژه ارزش علمي کافي دارد. گاهي انتخاب يک پروژه از ميان ده ها پروژه ي ارزشمند کار مشکلي است. اوايل دهه ي 1980/1360 اولين ايده ها در مورد مأموريت هايي چون ليزا مطرح شدند. اخترشناسان و سياره شناسان پروژه را به ظرافت ميان خود تقسيم کردند. هيچ يک از دو گروه نمي خواستند با فيزيک دانان امواج گرانشي سهيم شوند زيرا مي دانستند که اين يعني هر کدام سهم کمتري از پروژه داشته باشند. همچنين ،در آن زمان هيچ کس نمي دانست چطور بايد چنين تغييرات کوچکي را در چنين فواصل عظيمي اندازه گيري کرد.»
پروژه ي ليزا رسماً از سال 1992/1371، پس از انتشار فراخوان اِسا براي مأموريت هاي فضايي علمي با فضاپيماهايي با اندازه متوسط، و زماني که دانزمان و همکارانش- که نيمي از آنها در آمريکا بودند- طرح خود را پيشنهاد دادند، آغاز شد. در طرح اوليه ي دانزمان شش فضاپيماي کوچک پيشنهاد شده بود. در آن زمان آژانس فضايي اروپا رياست پروژه را به عهده گرفت زيرا ناسا درگير تبعات حادثه ي انفجار شاتل چَلِنجِر و رفع مشکلات آينه تلسکوپ هابل بود. اما از سال 1997/1376 به بعد، مطالعات پروژه را تا دستارودهاي امروزي به طور مشترک و هماهنگ پيش بردند.
جيغ ستارگان
هيوز با اين نمايش نشان داد که همان گونه که «صدا» بدون «ديدن» مي تواند اطلاعات بسياري به ما بدهد و حتي از بينايي تأثيرگذارتر باشد، خروجي بي همتاي ليزا نيز مي توان بسيار بيشتر از مشاهده ي بصري مؤثر باشد. قياس بين ليزا و شنوايي انسان مقايسه جالبي ست. انتظار مي رود دو سياهچاله با ابعاد ستاره اي، که گرد هم مي چرخند و در مسيري مارپيچ به هم نزديک مي شوند، امواج گرانشي با فرکانسي تابش کنند از مرتبه ي فرکانس امواج شنوايي انسان. اگر گوش ما به امواج گرانشي حساس بود، مي توانستيم ادغام شدن سياهچاله ها را بشنويم که احتمالاً در آغاز صدايي مثل چَهچَهه پرندگان و سپس صدايي شبيه به جيرجير موش داشت و شايد با صدايي، اگر نه جيغ دست کم فرياد مانند ميمون پايان مي يافت.
اين «صداي جيرجير» همان چيزي است که آشکار سازهاي امواج گرانشي روي زمين تلاش مي کنند بشنوند (جعبه صفحه 21 را ببينيد).
در طول موج هاي بلندتر، که ليزا به آن حساس است، ادغام سياهچاله هاي اَبَرپُرجرم درون خوشه هاي ستاره اي ممکن است «غرشي بلند» گسيل کند؛ موجي بسيار پرانرژي تر از آنچه که کل ستاره هاي تمام کهکشان ما تابش مي کنند! چنين چشمه هاي موجي به خوبي به وسيله ليزا آشکار مي شوند و همان طور که شما در جنگل از صداي جيغ ميمون مي توانيد تقريباً محل منبع صدا را تشخيص دهيد، ليزا هم مي تواند محل تابش امواج گرانشي را تعيين کند. در واقع ما چون دو گوش داريم و صدا به يکي از گوش ها زودتر از ديگري مي رسد مي توانيم جهت چشمه صوت را بيابيم. سه فضاپيماي ليزا هم بسيار از هم دورند و 13 برابر فاصله ماه تا زمين حدود 17 ثانيه نوري از يکديگر فاصله دارند. امواج گرانشي هم با سرعت نور منتشر مي شوند و اين فاصله زياد فضاپيماها و طرز قرار گرفتن مثلثي آنها به ليزا اجازه مي دهد که جهت و محل چشمه امواج گرانشي را پيدا کند.
نوزادي عالم
افزون بر اين، به گفته دانزمان «در زمينه صداي ثابتي شبيه هيس هيس و ترق و توروق از امواج گرانشي با فرکانس بالاتر نيز بايد وجود داشته باشد که سرچشمه اش 20 ميليون ستاره ي دوتايي کوتوله ي سفيد معمولي است که کهکشان ما رات پر کرده اند.» ولي بايد صداهاي دورتر و عميق تري هم باشند به ويژه صداهايي مانند صداي غرش تصادم کهکشان ها و حساسيت ليزا به امواج گرانشي چنين پديده اي يکي از علت هايي است که به ما اطمينان مي دهد که چيزي براي «شنيدن» ليزا وجود دارد. رايز وايس، فيزيک دان همکار در مؤسسه فناوري ماساچوست، بر اين باور است که «چون در هسته ي همه کهکشان هاي مارپيچي اَبَرسياهچاله هاي پُرجرم -با جرم يک تا ده ميليون برابر خورشيد- وجود دارند و ما در بسياري از تصاوير اعماق آسمان مي بينيم که تصادم بين کهکشان ها در همه جاي عالم رخ مي دهد، بنابراين مي دانميم که در حدود طول موجي که ليزا کار مي کند چشمه هاي موجي براي آشکارسازي وجود دارند.»
اهداف اين پروژه فراتر از نجوم است و به فيزيک ذرات بنيادين باز مي گردد. به گفته چارلز کنل يکي از مديران سابق ناسا و مدير فعلي مؤسسه اقيانوس شناسي اسکريپس در سان ديگو کاليفرنيا، «از زمان آغاز انقلاب کپرنيک، نجوم همواره فيزيک را به چالش کشيده است. و ما هميشه از فيزيک براي درک مفاهيم نجومي بهره برده ايم. ليزا قادر است سياهچاله هاي در حال ادغام شدن را پيدا کند و نسبيت عام را در محدوده ي ميدان هاي قوي عملاً آزمايش کند.» محدوده ي ميدان هاي قوي اصطلاحي است که نسبيت دانان براي تعريف موقعيتي استفاده مي کنند که گرانش در آن بسيار قوي است- و هندسه فضا در آنجا به وضوح خميده شده است- و در آن پديده هايي رخ مي دهد که نمي توان در هيچ آزمايشگاهي يا در رصد هيچ جرم نجومي نزديکي آنها را مشاهده کرد.
البته پيش بيني هاي نسبيت درباره اين محدوده را مي توان با رصد اينکه ماده و الياف فضا- زمان چگونه در نزديکي سياهچاله هاي ابرپرجرم مرکز کهشکان ها در هم مي پيچند، آزمايش کرد. برطبق پيش بيني نسبيت عام، وقتي سياهچاله هاي کوچک تر، با جرم ده برابر خورشيد،به درونه اين هيولاي بسيار بزرگ تر بلعيده مي شوند هندسه فضا- زمان آن چنان خميده و در هم پيچيده مي شود که نمونه اش در هيچ کجاي ديگر ديده نشده است و ويژگي هاي امواج گرانشي گسيل شده بايد محدوده ي نظري نسبيت عام را آشکار کنند. فقط در مرز جرم هايي که قادر به انجام چنين هم نوع خواري کيهاني اند- پس از خود مهبانگ عظيم ترين حوادث عالم اند- مي نوان محدوده نظري نسبيت عام را آشکار کرد.
پيتر بندر، فيزيک دان دانشگاه کلرادو، مي گويد، «امواج گرانشي پنجره جديدي را به روي علم نجوم باز خواهند کرد، اما دقيق تر اين است که آشکارسازي امواج گرانشي درهايي را تماماً به روي عالمي جديد و وسيع خواهد گشود.»
در همين حين در زمين چه خبر است؟
- رصدخانه ي تداخل سنجي ليزري امواج گرانشي (LIGO) از يک جفت آشکارساز در هنفورد واشنگتن و آشکارساز سوم در ليوينگستون لوئيزيانا تشکيل شده است. (جعبه ليگو را در ص 24 ببينيد).
- ژئو (Geo)، آشکارسازي در هانوفر آلمان است که نامش بيانگر آن است که اين آشکارساز روي زمين قرار دارد.
- ويرگو (سنبله) به نام صورت فلکي اي ناميده شده است که خوشه هايي با کهکشان هاي فعال درونش وجود دارد و پيش بيني مي شود منبع اصلي امواج گرانش باشد. اين آشکارساز در نزديکي پيزا در ياتاليا واقع شده است.
- تاما به نام منطقه اي در حومه ي غربي توکيو، که محل نصب اين آشکارساز است، ناميده شده.
- آيگو (AIGO) رصدخانه ي بين المللي امواج گرانشي استراليا در نزديکي شهر پرت در غرب استراليا واقع شده است.
چون همه اين آشکارسازها بر سطح زمين قرار دارند، بسيار کوچک تر از ليزا هستند و طول بازوي آنها (فاصله ي آشکارسازها) در محدودي 300 تا 4کيلومتر است و بنابراين فقط به طول موج هاي کوتاه يا فرکانس بالا حساس اند. امواج زلزله روي زمين مشکلات اساسي را براي حساسيت آنها بوجود مي آورد. مشکلي که براي ليزا وجود ندارد. البته ليزا هم با امواج مختل کننده ي ديگري سر و کار دارد. پيش بيني نمي شود که آشکارسازهاي فعلي، که روي زمين فعال اند، با حساسيت و دقت کنوني شان چيزي آشکار کنند. زيرا طول موجي که آشکارسازهاي زميني به آن حساس اند، بسيار نادر و ضعيف اند.
برنامه هايي که براي بهبود و توسعه ي آنها طراحي شده اند، به ويژه توسعه ليگو که تا سال 2013/1392 پايان خواهد يافت مقدار قابل توجهي حساسيت اين آشکارسازها را افزايش خواهد داد.
ماهيت امواج گرانشي
از ديرباز حتي پيش از اينکه نيوتن قانون گرانش را کشف کند، دانشمندان رصدگر دريافته بودند که زمين و ديگر سيارات به دور خورشيد مي گردند. هرچند علت اين گردش را به درستي نمي دانستند حتي، از آن زمان هم آن پرسش مطرح بود که اگر خورشيد وجود نداشت حرکت سيارات چگونه مي بود؟ پس از کشف قانون گرانش و درک علل حرکت دَوَراني سيارات، اين پرسش به گونه ديگري مطرح شد. مسلم است که اگر ناگهان خورشيد از منظومه شمسي حذف شود، سيارات با سرعت مداري شان مسيري مستقيم را طي مي کنند و از منظومه شمسي خارج مي شوند، اما چقدر طول مي کشد تا «خبر» ناپديد شدن به هر سياره برسد؟
قوانين فيزيک نيوتوني و فيزيک نسبيتي پاسخ هاي متفاوتي به اين پرسش مي دهند. طبق قوانين فيزيک کلاسيک و مکانيک نيوتوني، به محض حذف خورشيد سيارات «خبردار» مي شوند اما طبق نسبيت اينشتين هيچ اطلاعاتي نمي تواند با سرعتي بيش از سرعت نور منتشر شود. اما چه چيز حامل و مسئول انتقال «اطلاعات گرانشي» است؟
بحث پيچيدگي هاي مسائل گرانشي در طول تاريخ در مورد اجرام سماوي مختلفي پيش آمده است، براي مثال تأثيرات گرانش زمين و خورشيد و ديگر سيارات بر ماه و اينکه آيا اثرات گرانش آنها بر فاصله ي ماه تا زمين اثر مي گذارد يا نه از اواخر قرن هجدهم مطرح بود. مسئله ي بسيار مهم ديگر تغيير نقطه حضيض مداري سياره ي عطارد بوده است. طبق مکانيک نيوتوني، شکل مدار سيارات بيضي اي ثابت است و حضيض مدار آنها در فضا ثابت است اما در عمل اثر گرانشي ديگر سيارات حضيض مدار سيارات را جابه جا مي کند. اما حتي با در نظر گرفتن تمام اثرات گرانشي سيارات، بخشي از جابه جايي حضيض عطارد به اندازه جابه جايي 43 ثانيه ي قوس در هر قرن با محاسبات نيوتوني توجيه پذير نيست. برخي دانشمندان عامل اين جابه جايي را سياره اي ناشناخته بين مدار عطارد و خورشيد مي دانستند. هرگز چنين سياره اي کشف نشد.
تا اينکه نظريه انقلابي نسبيت عام مطرح شد. اين نظريه در بسياري موارد با دقت بالا پاسخ برخي از مسائل حل نشده ي فيزيک را داد. تغيير موضع حضيض مداري عطارد هم يکي از يان موارد بود و جالب اينجاست که مقداري که براي جابه جايي حضيض عطارد با محسبات نسبيتي پيش بيني شد. دقيقا 43 ثانيه قوس در هر قرن است!
از طرفي با مطرح شدن قوانين مربوط به تابش امواج الکترومغناطيسي، وجود تابشي مربوط به گرانش هم مطرح شد. طبق نظريه ي ماکسول، ذرات بارداري که حرکت شتابدار داشته باشند امواج الکترومغناطيسي تابش مي کنند. باتوجه به شباهت هاي گرانش و الکترواستاتيک و الکترومغناطيس، اين پرسش مطرح شد که آيا در مورد گرانش هم موج مشابهي وجود دارد؟ احتمالا هنري پوانکاره، رياضي دان فرانسوي که در تلاش بود معضل جابه جايي حضيض مداري عطارد را حل کند، نخستين کسي بوده که واژه «موج گرانشي» را در سال 1905/1284 به کار برده است. او تلاش کرد با نسبت دادن نوعي تابش با ماهيت گرانشي، با عطارد مسئله ي حضيض را حل کند.
در نسبيت زمان مختصه اي مطلق و مستقل از فضا نيست. اگر دو جسم با شتاب هاي مختلفي حرکت کنند يا در مکان هايي با گرانش مختلف قرار گيرند گذر زمان براي آنها متفاوت خواهد بود. بنابراين مفهوم زمان کاملاً با فضا گره خورده است. در نسبيت به جاي آنکه مفاهيم فضا و زمان جداگانه نام برده شوند. دستگاهي چهار بعدي، که فضا- زمان نام دارد به کار گرفته مي شود. هر جسمي هر جرمي که داشته باشد، در فضا- زمان اطرافش انحنا ايجاد مي کند و مي تواند حتي روي گذر زمان تأثير بگذارد. البته اگر جرم و گرانش زياد نباشد اين تأثير قابل آشکارسازي نيست. اگر جسمي که در فضا- زمان انحنا ايجاد کرده است جابه جا شود يا تغييري در گرانش آن ايجاد شود، انحناي فضا- زمان هم در اطراف آن تغيير خواهد کرد و اين تغيير با سرعت نور منتشر مي شود. اين تغيير انحناي فضا- زمان به موج گرانشي تعبير مي شود.
امواج گرانشي تفاوت بسياري با امواج الکترومغناطيسي دارند. شدت امواج گرانشي اجسام کم جرم بسيار ناچيز است و فقط اجسام پرجرم در شرايطي خاص مي توانند موج گرانشي ايجاد کنند. نحوه ي ايجاد اين امواج هم با توليد امواج اللکترومغناطيسي متفاوت است. اينشتين در سال 1918/1297 اثبات کرد که امواج گرانشي در جايي ايجاد مي شوند که حرکت داخلي آنها تقارن کروي نداشته باشد. يعني يک ستاره پرجرم با گرانش بسيار زياد ،حتي اگر با سرعت قابل مقايسه با سرعت نور دوران کند، نمي تواند موج گرانشي توليد کند مگر اينکه برآمدگي يا فرورفتگي هايي قابل مقايسه با جرم و ابعاد خود ستاره داشته باشد که وجود چنين نمونه اي در طبيعت بعيد است. بهترين مکان براي جستجوي چشمه هاي امواج گرانشي، منظومه هاي دوتايي يا چندتايي از اجسام پرجرم يا اجسام با گرانش بالا، مثل کوتوله هاي سفيد يا ستاره هاي نوتروني، هستند. البته گرانش کوتوله هاي سفيد بسيار کمتر از ستاره هاي نوتروني است. در منظومه هايي مانند سيارات و اقمارشان و حتي ستاره ها و سياراتشان آن قدر امواج گرانشي توليد شده ناچيز است که آشکارسازي و مشاهده ي آنها تقريباً غيرممکن است. بنابراين حتي اگر پوانکاره اکنون زنده بود باز هم نمي توانستيم به او اميد رصد امواج گرانش مؤثر بر عطارد را بدهيم!
هنگامي که مسئله امواج گرانشي مطرح شده با اينکه در ظاهر فرضيه اي بسيار پذيرفتني به نظر مي رسيد، با توجه به اينکه در آن زمان حتي ستاره هاي نوتروني در عمل کشف نشده بودند، پذيرش مسئله با مشکلات بسياري مواجه بود. در سال 1967/1346 نخستين ستاره نوتروني در سحابي خرچنگ، که بازمانده ي انفجار ابرنواختري است، کشف شد. اما اين ستاره نوتروني همدمي نداشت. در سال 1974/1353 هالس و تيلور نخستين مجموعه ي دوتايي از ستاره هاي نوتروني را کشف کردند و نشان دادند اين منظومه دقيقاً مطابق با پيش بيني هاي نسبيت عام انيشتين انرژي از دست مي دهد و مدارش ميرا مي شود. طبق پيش بيني هاي نسبيت، اين انرژي به صورت امواج گرانشي تابش مي شود. دستاوردهاي کشف هالس و.تيلور آنقدر در حوزه هاي ديگر فيزيک مؤثر بود که جايزه اي نوبل شال 1993/1372 را از آن اين دو دانشمند کرد.
از آن پس، مشکل اصلي دانشمندان چگونگي آشکارسازي امواج گرانشي بود. براي مثال در آشکارساز عظيم ليگو (رصدخانه ي تداخل سنجي ليزري امواج گرانشي) نور ليزر به طور همزمان به دو قسمت تقسيم مي شود و دو راهرو عمود بر هم به طول چهار کيلومترو عرض چهار متر را طي مي کند و از انتهاي راهرو بازتاب مي شود و مسير رفته را بازمي گردد. اگر امواج گرانشي از مسير عبور يکي از اين پرتوهاي ليزر عبور کنند، انحناي فضا- زمان را مقدار بسيار ناچيزي تغيير مي دهد. همين مقدار ناچيز در زمان رفت و برگشت نور تأثير مي گذارد و نور بازگشته از دو راهرو با هم اختلاف فاز خواهند داشت. با توجه به انحناي زمين و مشکلاتي ديگر، بزرگي آشکارسازهايي که روي زمين نصب مي شوند نمي تواند از چند کيلومتر بيشتر شود. به همين سبب دانشمندان به فکر ساخت پروژه ي بلند پروازانه ي ليزا افتادند که در آن سه فضاپيما با فاصله اي 5 ميليون کيلومتري کار تبادل و بازتاب ليزر را انجام مي دهند. دانشمندان اميدوارند با تکميل آشکارسازهاي زميني و راه اندازي آشکارساز فضايي مشکل ديرينه آشکارسازي امواج گرانشي را برطرف کنند.
ليگو به پژواک هاي گرانشي تولد عالم گوش مي سپارد
پژوهش هاي جديد مشترکي از سوي گروه علمي ليگو (رصد خانه تداخل سنجي ليزري امواج گرانشي- LIGO) و گروه ويرگو به پيشرفت درک ما از تحولات عالم مي انجامد. تحليل داده هايي، که طي دو سال از 1384 تا 1386 گردآوري ده بودند، مرزهاي مشخصي را براي ميزان امواج گرانشي اي تعيين کرده که ممکن است از زمان انفجار بزرگ يا مهبانگ در باند فرکانسي قابل رصد براي ليگو گسيل شده باشد. پژوهشگران امواج گرانشي، براي انجام اين کار، قيدهاي جديدي براي جزئيات شرايط اوليه ي عالم در نظر گرفته اند.
به گفته بِورلي بِرگِر، مدير برنامه فيزيک گرانشي در بنياد ملي علوم در ايالات متحده (NFS)، «ليگو، که چند دهه پيش توسط دانشمندان نظري آغاز و از سوي بنياد ملي علوم با عنوان پروژه ي تحقيقاتي پرخطر و پر حاصل پشتيباني شد، حالا در شُرُف کشفي مهم است. ليگو اکنون به واقع اندازه گيري هاي نجومي خود را انجام مي دهد و به روشي کاملاً جديد به عالم نگاه مي کند.»
دانشمندان بر اين باورند که مهبانگ، همان گونه که تابش زمينه ي ريزموج کيهاني را توليد کرده ،سيلي از امواج گرانشي را نيز در تارو پود فضا و زمان گسيل کرده که هنوز عالم را فراگرفته است و اطلاعاتي از نخستين دقايق تولد عالم با خود حمل مي کند. اين امواج با عنوان «زمينه ي تصادفي» رصد مي شوند؛ مشابه روي هم قرارگيري امواج بسيار با اندازه ها و جهت هاي گوناگون برسطح يک برکه. شدت اين سيگنال احتمالي ويژگي هاي عالم را در مراحل نخستين آشکار مي کند.
اندازه گيري هاي پيشين از تابش ريزموج زمينه ي کيهاني، در خوش بينانه ترين حالت، مرز حدّ بالاي امواج گرانشي تصادفي زمينه را در فواصل بسيار عظيم و فرکانس هاي پايين قرار داده بود. اندازه گيري هاي جديد توسط ليگو مستقيماً امواج گرانشي زمينه را در مقياس هاي زماني اي بسيار کوتاه تر، از آنچه در دسترس تابش ريزموج زمينه ي کيهاني است، کاوش مي کند.
اين بررسي، مدل هاي کيهان شناسي وابسته به ريسمان هاي کيهاني را نيز محدود مي کند. ريسمان ها ساختارهايي احتمالي اند که ظاهراً از ابتداي خلقت عالم باقي مانده اند و طي انبساط عالم طول آنها نيز به اندازه هايي بسيار عظيم گسترش يافته است. به گفته ي برخي از کيهان شناسان، در عالم اوليه ريسمان هاي ممکن است حلقه هايي را تشکيل دهند که حين نوسان، واپاشي و سرانجام نابوديِ خود امواج گرانشي توليد مي کنند.
امواج گرانشي حامل اطلاعاتي درباره منشأ خشن خود و ماهيت گرانش هستند که به وسيله ابزارهاي متداول نجومي به دست نمي آيند. وجود اين امواج را آلبرات اينشتين در سال 1916/1295 در نظريه نسبيت عام خود پيش بيني کرد. ابزارهاي ليگو (وهمکاران بين المللي آن) از سال 2002/1381 به طور فعال به دنبال اين امواج اند.
نويسندگان اين مقاله تحقيقاتي جديد، که بال عنوان «حدّ بالايي بر دامنه ي امواج گرانشي تصادفي زمينه با منشأ کيهان شناختي» در شماره 20 اوت 2009 مجله ي نيچر منتشر شده، گزارش کرده اند که زمينه تصادفي امواج گرانشي هنوز کشف نشده است. اما حتي کشف نشدن زمينه، آن طور که در اين مقاله شرح داده شده، نگاه تازه اي است به تاريخ ابتدايي عالم.
به گفته ووک منديک، از دانشگاه مينِه سوتا، «اين به ما نشان مي دهد که عالم چه شکلي نيست! از آنجايي که زمينه تصادفي را رصد نکرده ايم برخي از اين مدل هاي عالم ابتدايي، که ميزان زيادي زمينه ي تصادفي پيش بيني مي کنند، از رده خارج مي شوند. ما حالا کمي بيشتر درباره عواملي مي دانيم که عالم را، در زماني که کمتر از يک دقيقه عمر داشت، شرح مي دهند.»
داده هاي اين تحليل از تداخل سنج هاي ليگو گردآوري شده اند: يک جفت آشکارساز 2و4 کيلومتري در هنفورد واشنگتن و ابزاري 4 کيلومتري در ليوينگستون لوئيزيانا.
منديک چنين شرح مي دهد که «ليگو پيشرفته براي بررسي مدل هاي عالم ابتدايي، مدل هاي ريسمان کيهاني، و ديگر مدل هاي زمينه تصادفي راه درازي را طي مي کند. مي توانيم نتايج فعلي را نشانه اي از آنچه پيش مي آيد بدانيم.»
ليگو پيشرفته از زيرساخت هاي رصدخانه هاي فعلي ليگو استفاده مي کند اما حساسيت آن 10 برابر آنهاست. اين ابزار که در سال 2014/1393 آغاز به کار مي کند، به دانشمندان امکان مي دهد که رويدادهاي فاجعه باري همچون برخوردهاي سياهچاله ها و ستاره هاي نوتروني را، که توليد کننده ي امواج گرانشي اند، در فواصلي 10 بار دورتر کشف کنند. به کمک ليگو پيشرفته، به منابع امواج گرانشي فراکهکشاني در ابعادي از عالم حساس مي شويم که هزار برابر وسعت ديد امروزمان است.
امواج گرانشي تنها راه بررسي مستقيم عالم در لحظه ي تولدش است؛ اين امواج از اين جهت کاملاً يگانه اند. اين نوع اطلاعات را از هيچ طريق ديگري نمي توانيم به دست آوريم. به همين سبب است که اين نتايج،به ويژه، و نجوم امواج گرانشي، در کل، اينقدر هيجان انگيزند.
دانشمندان دو گروه علمي ليگو و ويرگو تلاش هاي خود را براي بهترين استفاده از ابزارهاي خود به کار گرفتند. ترکيب داده هاي همزمان تداخل سنج هاي ليگو و ويرگو بسيار نتيجه بخش است. صدها دانشمند سخت کار مي کنند تا به چنين نتايج بنياديني دست پيدا کنند. از دانشمنداني که آشکارسازها را طراحي و با آنها کار مي کنند تا گروه هايي که داده ها را براي محققان اختر فيزيک و تحليل گران داده آماده مي کنند. اين افراد از روش هاي حساس براي جستجوي اين علائم بسيار ضعيف و فرار در داده ها استفاده مي کنند.
پروژه ي ليگو، از سوي کلتک و مؤسسه ي فناوري ماساچوست، با هدف آشکارسازي امواج گرانشي و گسترش رصدهاي امواج گرانشي اجرا مي شود. تحقيقات را گروه علمي ليگو انجام مي دهد که از 700 دانشمند از دانشگاه هاي ايالات متحده و 11 کشور ديگر تشکيل شده است.
گروه ويرگو نيز تداخل سنج 3 کيلومتري ويرگو را در کاسينا- ايتاليا طراحي و اجرا کرد و خود شامل 200 دانشمند از 5 کشور اروپايي است. کار اين گروه را کنسرسيوم رصدحانه ي گرانشي هلندي- فرانسوي- ايتاليايي- اروپايي پشتيباني مي کند. اين دو گروه با هم کار مي کنند تا داده هاي تداخل سنج هاي ليگو، ويرگو و گئو را تحليل کنند.
منبع: ماهنامه نجوم، شماره 189.
