دانشمندان چگونه به تلاش هایشان برای یافتن امواج گرانشی ادامه خواهند داد؟

حالا که نخستین سیگنال های امواج گرانشی کشف شدند دانشمندان مشتاقند که بیشتر به کند و کاو در این حوزه بپردازند. امواج گرانشی روش تازه ای را برای شناخت اشیاء دوری چون سیاه چاله ها و ستاره های نوترونی در اختیار دانشمندان قرار می دهند و از این پس می توان امواج گرانشی تولیدی توسط این اشیاء را اندازه گرفت؛ روش کار نیز تا حدود زیادی شبیه به استفاده از تشعشعات الکترومغناطیسی برای مشاهده ستاره ها و کهکشان های دور است.

ائتلاف علمی لیگو که کشف دو روز پیش را انجام داد در نظر دارد مشاهداتش را به روز رسانی کرده و با بالا بردن حساسیت ابزارهای مورد استفاده اش امواج بیشتری را ردیابی کند.

اما لیگو صرفا می تواند امواجی را تشخیص دهد که فرکانس های به شدت بالایی دارند و جالب است بدانید که امواج گرانشی بعضا فرکانس هایی دارند که روزها، ماه ها و یا حتی سال ها کشیده می شوند و دانشمندان برای تشخیص و دنبال کردن آن امواج به ابزارهای متفاوتی نیاز خواهند داشت.

اما سال هاست که پژوهشگران به دنبال راهکارهای تشخیصی جایگزین برای این منظور هستند؛ یکی از ایده های مطرح شده ساخت آشکارسازهای موجی فضا-پایه بزرگ تر است که پرتوهای لیزری ساطع شده از آنها صدها هزار کیلومتر برد داشته باشد.

امواج گرانشی طیف وسیعی از طول موج ها را شامل می شوند

تکنیک دیگر مشاهده و پایش چندین ساله ستاره هایی با عنوان تپ اختر است تا هر گونه تغییر و دگرگونی در آنها از طریق امواج گرانشی را مشخص نمایند. البته این تلاش ها سال هاست که ادامه دارند اما متاسفانه به نتیجه محسوس و قابل قبولی دست پیدا نکرده اند.

در هر حال برای مطالعه انواع مختلف امواج گرانشی موجود در هستی به هر سه این متدها نیاز است. به گفته Ira Thorpe از متخصصان فیزیک نجومی در ناسا، امواج گرانشی طیف وسیعی از طول موج ها را در بر می گیرند و این سه روش نیز برای شناسایی انواع مختلف این امواج مناسبند.

لیگوی فوق حساس

ائتلاف لیگو که به معنای رصدخانه تداخل سنج لیزری امواج گرانشی است از سال 2002 میلادی به دنبال این امواج بوده است اما در هشت سال نخست از آغاز فعالیت آن هیچگونه سیگنال یا نشانه ای از این امواج پیدا نشد.

شین لارسن از فیزیکدانات نظری در دانشگاه نورث وسترن و عضو ائتلاف لیگو در این باره گفت: ما می دانستیم فاز نخست لیگو آنقدر حساس نیست که به شناسایی این امواج ختم گردد.

هنوز فضای زیادی برای بهتر شدن لیگو وجود دارد

سپس در سال 2010، فعالیت این ائتلاف متوقف گردید تا دو رصدخانه آن در لوئیزیانا و واشنگتن بهینه سازی و به روز شوند. در جریان این فرایند یک آینه دیگر به آن رصدخانه ها اضافه گردید و قدرت لیزرهایشان نیز بالا برده شد.

بعد از اعمال این تغییرات، لیگو فعالیت هایش را در سال 2015 میلادی از سر گرفت و این کشف تاریخی را رقم زد. با این همه، ائتلاف مورد بحث هنوز راه درازی برای پیشرفت در پیش دارد و لازم است که به طور مشخص بهبودهایی را در لیزرهای خود اعمال نماید.

رصدخانه های این ائتلاف برای تشخیص آنکه آیا امواج گرانشی مکان-زمان را دچار انحراف یا خمیدگی کرده اند یا خیر از پرتوهای لیزری استفاده می کند. برای این منظور دانشمندان مدت زمانی که طول می کشد پرتوهای لیزری از دو آینه رصدخانه بازتاب پیدا کنند را اندازه می گیرند؛ اگر در آن حین، یک موج گرانشی در حال عبور باشد، پرتوها به مدت زمان متفاوتی نیاز خواهند داشت تا از هر آینه بازتاب پیدا کنند.

در حال حاضر این لیزرها فوق العاده حساس هستند و می توانند تغییرات به وجود آمده در موقعیت آینه ها را اندازه بگیرند؛ تغییراتی که ممکن است به اندازه یک دهم ابعاد یک پروتون باشند.

با این همه، این لیزرها از تمام توان خود نیز بهره نمی گیرند و آنطور که لارسون گفته است از حالا تا سال دیگر این لیزرها بالاخره بیشترین حساسیت ممکن را پیدا خواهند کرد.

افزایش قدرت این لیزرها بدان معناست که لیگو می تواند امواج گرانشی را از فرسنگ ها آنطرف تر در هستی تشخیص دهد. امواجی که لیگو چندی پیش موفق به تشخیص شان شد از سیاه چاله هایی ایجاد شده بودند که 1.3 میلیارد سال نوری آنطرف تر با هم ادغام شده بودند و حالا لارسون می گوید که با بهبود این لیزرها مسافت قابل تشخیص حتی از این نیز بیشتر می شود.

لیگو همچنین قادر خواهد بود نوع دیگری از اشیاء مرموز را با این لیزرهای قدرتمند شناسایی کند و آن ستاره های نوترونی است. این اجرام آسمانی فوق العاده کم نور بعد از مرگ یک ستاره شکل می گیرند و از این لحاظ می توان آنها را به سیاه چاله ها تشبیه نمود.

اما ستاره های نوترونی به اندازه سیاهچاله ها هم سنگین نیستند و به همین خاطر امواج گرانشی ایجاد شده توسط آنها زیاد هم قوی نیستند. با این همه، لیگو می تواند با بهره گیری از تمام توان لیزرهای خود امواج را از ستاره های نوترونی که حدودا 600 تا 700 میلیون سال نوری آنطرف تر با هم ادغام می شوند تشخیص دهد.

eLISA

ابزارهای مورد استفاده در رصدخانه های لیگو بسیار دقیق هستند اما این ائتلاف مرتبا باید به یک مشکل مهم فائق بیاید و آن زمین است. سیاره ما محلی پر سر و صداست و حرکت ماشین ها می تواند عملکرد این ابزارها را مختل نماید که البته بسیاری از این مشکلات هم در صورتی که تجهیزات به فضا انتقال داده شوند از بین خواهند رفت.

این همان ایده ایست که در پس eLISA یا آنتن فضایی تداخل سنج لیزری توسعه یافته قرار دارد؛ منظور در واقع نوعی ردیاب مستقر در فضا است که می تواند امواج گرانشی را شناسایی کند و پیشنهاد ساخت آن نیز در ابتدا توسط آژانس فضایی اروپا مطرح گردید.

این پروژه در سال 2034 انجام خواهد شد و در جریان آن، سه فضاپیمای مختلف در مدار پیرامونی خورشید جای می گیرند و در آنجا نوعی مثلث متساوی الاضلاع را می سازند.

الیسا شناسایی و تشخیص امواج گرانشی را در مقیاسی وسیع تر انجام خواهد داد

عملکرد این سیستم شبیه به لیگو خواهد بود و این ابزارها نیز از طریق پرتوهای لیزری به یکدیگر متصل می گردند و لیزرهای تعبیه شده روی آنها می توانند نشان دهند که آیا یک موج گرانشی موقعیت اشیاء موجود درون فضاپیماها را تغییر داده است یا خیر.

با این کار، علاوه بر اینکه حرکات زمین از بین می روند، پروسه تشخیص و شناسایی امواج گرانشی نیز مقیاس بزرگ تری می یابد. برد لیزرهای لیگو تنها برابر با 4 کیلومتر است اما پرتوهای لیزری eLISA حدودا صد هزار کیلومتر برد دارند و در نتیجه فضاپیماها می توانند امواج دارای فرکانس های پایین تر را نیز شناسایی کنند.

لیگو اما همانطور که گفته شد صرفا می تواند سیگنال های دارای فرکانس بالا را شناسایی کند که از اشیاء در حال حرکت با سرعت بالا تولید می شوند (مثلا سیاهچاله هایی که در هر ثانیه چندین مرتبه به دور خود می چرخند) در حالی که الیسا می تواند امواج متصاعد شده از اشیائی که سرعت به مراتب پایین تری دارند را نیز تشخیص دهد که از آن جمله می توان به سیستم ستاره های نوترونی دوگانه یا سیاهچاله های بسیار عظیم اشاره کرد که در دور دست ها با هم ادغام می شوند.

زمانبندی تپ اختر

روش دیگر برای وسعت بخشیدن به فرایند شناسایی امواج گرانشی مشاهده ستاره های مرده عجیبی است که با نام تپ اختر شناخته می شوند و این کار باید برای مدت چند سال انجام گیرد.

تپ اخترها ستاره های نوترونی چرخانی هستند که پرتوی بلندی از اشعه الکترومغناطیسی از خود ساطع می کنند. این پرتوها را می توان از زمین و زمانی که به سمت سیاره ما تابیده می شوند اندازه گرفت و زمانبدی این «تپ اختر»ها به ما خواهد گفت که آیا امواج گرانشی وجود دارند یا خیر.

یک تپ اختر در دوره های بسیار دقیقی می چرخد و به همین خاطر به سادگی می توان تشخیص داد که امواج آن چه زمانی توسط زمین منحرف شده است. بنابراین اگر هرگونه پراکندگی یا انحراف در پالس های این تپ اخترها وجود داشته باشد، دانشمندان به سادگی می توانند آن را تشخیص داده و اندازه بگیرند.

به این ترتیب، پرتو ناشی از تپ اخترها تا حدودی شبیه به لیزرهایی عمل می کند که توسط لیگو مورد استفاده قرار می گیرند. زمان حرکت این پرتوها نشان خواهد داد که آیا توسط امواج گرانشی منحرف شده اند یا خیر.

مائورا مک لافلین یکی از متخصصین فیزیک نجومی در رصدخانه امواج گرانشی نانوهرتز آمریکای شمالی در این باره گفت: به جای آنکه لیزرهای مصنوعی در داخل تیوب های خلاء حرکت کنند، ما از پالس های رادیویی بهره می گیریم که در خلاء فضا سفر می کنند.

دانشمندان با بهره گیری از این روش تشخیصی قادر خواهند بود امواجی با فرکانس به مراتب بالا را که سال ها دوام می آورند شناسایی نمایند. مک لافلین می گوید این سیگنال ها احتمالا از سیاهچاله هایی می آیند که با سرعت بسیار کم به دور هم می گردند یا اینکه از ادغام کهکشان ها در دوردست به وجود آمده اند.

البته این شانس هم وجود دارد که امواج تپ اختر به واسطه دیگر منابع موجی عجیب که تحت عنوان رشته های کیهانی شناخته می شوند منحرف گردند.

اینها در واقع برجستگی ها یا ناهمواری هایی در فضا-زمان هستند که می لرزند و امواج گرانشی از خود تولید می کنند. حتی این احتمال هم وجود دارد که تپ اخترها امواجی را نشان دهند که از انفجار عظیم یا بیگ بنگ بر جای مانده اند.

با این همه لازم است یادآور شویم که تا به امروز پایش تپ اخترها به کشف هیچ شواهد یا نشانه ای از وجود امواج گرانشی نیانجامده است. حدودا یک دهه است که ائتلاف NANOGrav پنجاه تپ اختر را در کهکشان مورد پایش قرار داده است و متاسفانه به نتیجه مناسبی هم دست پیدا نکرده.

اما مک لافلین اعلام کرده که بر اثر گذشت زمان بر میزان حساسیت داده هایشان اضافه خواهد شد چراکه آنها مدتی است به دنبال امواجی با طول موج بیشتر می گردند و موفقیت لیگو قطعا میتواند حرکت رو به جلوی NANOGrav را به دنبال داشته باشد.