روزی که جهان لرزید؛ داستان موجی که ۱٫۳ میلیارد سال در راه بود

صبح ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، دو آشکارساز LIGO در آمریکا تقریباً هم‌زمان سیگنالی عجیب ثبت کردند، سیگنالی بسیار کوتاه که فرکانسش به‌سرعت بالا رفت و بعد ناپدید شد.

چند دقیقه بررسی کافی بود تا مشخص شود با یک نویز معمولی طرف نیستند. این موج از برخورد دو سیاهچاله در فاصله حدود ۱٫۳ میلیارد سال نوری آمده بود. برخوردی که فضاـزمان را لرزاند و اثر آن پس از بیش از یک میلیارد سال به زمین رسید. برای نخستین‌بار، انسان توانسته بود امواج گرانشی را مستقیماً آشکار کند؛ همان پدیده‌ای که آلبرت اینشتین حدود یک قرن قبل وجودش را پیش‌بینی کرده بود.

دو هیولا در تاریکی؛ داستانی که ۱٫۳ میلیارد سال پیش آغاز شد

برای فهمیدن اتفاقی که ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ ثبت شد، باید به حدود ۱٫۳ میلیارد سال قبل برگردیم، زمانی که در نقطه‌ای دور از جهان، دو سیاهچاله به دور یکدیگر می‌چرخیدند. جرم یکی از آن‌ها حدود ۳۶ برابر جرم خورشید و جرم دیگری حدود ۲۹ برابر جرم خورشید بود.

این دو سیاهچاله در یک مدار پایدار باقی نمی‌ماندند. طبق نسبیت عام، اجرام بسیار پرجرمی که به دور یکدیگر می‌چرخند، بخشی از انرژی خود را به شکل امواج گرانشی از دست می‌دهند. همین کاهش انرژی باعث می‌شود فاصله آن‌ها به‌تدریج کمتر شود. هرچه به هم نزدیک‌تر می‌شوند، سریع‌تر می‌چرخند و امواج گرانشی قوی‌تری تولید می‌کنند.

این روند به‌تدریج شتاب می‌گیرد. در آخرین مرحله، دو سیاهچاله با سرعت بسیار زیادی به دور یکدیگر حرکت می‌کنند و فاصله‌شان به چند صد کیلومتر می‌رسد. فرکانس امواج گرانشی نیز هم‌زمان افزایش پیدا می‌کند. همین افزایش سریع فرکانس بعدها در داده‌های LIGO به شکل یک سیگنال مشخص دیده شد، سیگنالی که دانشمندان آن را «چهچه» (Chirp) می‌نامند، زیرا با تبدیل داده‌های آن به صدا، آوایی کوتاه شنیده می‌شود که فرکانسش به‌سرعت افزایش پیدا می‌کند.

در این مرحله دیگر نمی‌توان ماجرا را فقط با فیزیک نیوتنی توضیح داد. میدان گرانشی به‌شدت تقویت شده، فضاـزمان به شکل محسوسی خمیده است و دو سیاهچاله با سرعتی بسیار بالا به دور یکدیگر می‌چرخند و به‌هم نزدیک‌تر می‌شوند. این روند ادامه پیدا می‌کند تا سرانجام دو سیاهچاله با یکدیگر ادغام شوند و سیاهچاله‌ای بزرگ‌تر به‌وجود بیاید. اما اندازه‌گیری جرم‌ها یک نکته مهم داشت.

جرم دو سیاهچاله پیش از برخورد در مجموع حدود ۶۵ برابر جرم خورشید بود، درحالی‌که جرم سیاهچاله نهایی حدود ۶۲ برابر جرم خورشید به‌دست آمد. بنابراین، حدود سه جرم خورشیدی در جرم نهایی دیده نمی‌شد.

این سه جرم خورشیدی واقعاً از بین نرفته بودند. بخش بزرگی از آن‌ها طبق رابطه معروف E = MC2 به انرژی تبدیل و به صورت امواج گرانشی در فضا منتشر شده بود. تحلیل‌های منتشرشده در سال ۲۰۱۶ نشان دادند که انرژی تابش‌شده در این رویداد حدود ۵٫۳ ضربدر ۱۰ به توان ۴۷ ژول بوده است. همچنین، در لحظه اوج ادغام، توان تابش امواج گرانشی به حدود ۳٫۵ ضربدر ۱۰ به توان ۴۹ وات رسید.

با اینکه در این برخورد انرژی فوق‌العاده زیادی آزاد شد، چیزی نبود که بتوان آن را با تلسکوپ‌های معمولی دید. رد اصلی این رویداد به شکل امواج گرانشی در فضا پخش شد، امواج بسیار ضعیف که با سرعت نور حرکت کردند. این امواج حدود ۱٫۳ میلیارد سال در راه بودند تا سرانجام در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ به زمین رسیدند. همان روز، دو آشکارساز LIGO این سیگنال را ثبت کردند، سیگنالی که نشان می‌داد دو سیاهچاله در نقطه‌ای بسیار دور از جهان با هم ادغام شده‌اند.

وقتی اینشتین گفت خود فضا می‌تواند بلرزد

برای رسیدن به ریشه این ماجرا باید حدود یک قرن به عقب برگردیم، زمانی که هنوز کسی ابزاری برای ثبت امواج گرانشی نداشت و حتی معلوم نبود چنین امواجی روزی قابل اندازه‌گیری باشند.

در سال ۱۹۱۵، آلبرت اینشتین نظریه نسبیت عام را ارائه کرد و نگاه ما به گرانش را تغییر داد. در فیزیک نیوتنی، گرانش به‌صورت نیرویی میان اجرام در نظر گرفته می‌شد، اما اینشتین تصویر متفاوتی پیشنهاد کرد: جرم و انرژی، فضاـزمان را خم می‌کنند و اجسام در همین فضای خمیده حرکت می‌کنند.

به‌عنوان مثال، خورشید به‌دلیل جرم بسیار زیادش ساختار فضاـزمان اطراف خود را تغییر می‌دهد و زمین در این فضای خمیده به دور آن حرکت می‌کند. بنابراین در نگاه اینشتین، گرانش فقط یک نیروی کششی میان دو جسم نیست، بلکه نتیجه تغییر شکل فضاـزمان است.

یک سال بعد، در ۱۹۱۶، اینشتین نشان داد که حرکت شتاب‌دار اجرام بسیار پرجرم می‌تواند در فضاـزمان موج ایجاد کند، امواجی که از منبع دور می‌شوند و با سرعت نور در جهان پیش می‌روند. این همان چیزی بود که بعدها امواج گرانشی نام گرفت.

البته نباید این امواج را شبیه موج صوتی تصور کرد. موج صوتی در هوا حرکت می‌کند و با فشرده و منبسط کردن مولکول‌های هوا پیش می‌رود، اما موج گرانشی در یک محیط جداگانه منتشر نمی‌شود؛ خود فضاـزمان است که برای لحظاتی کشیده و فشرده می‌شود.

برای تصور ساده‌تر، حلقه‌ای از ذرات آزاد را در فضا در نظر بگیرید. با عبور یک موج گرانشی، فاصله ذرات در یک جهت افزایش پیدا می‌کند و در جهت عمود بر آن کاهش می‌یابد. لحظه‌ای بعد این الگو جابه‌جا و حلقه یک‌بار کشیده و بار دیگر فشرده دیده و در پایان دوباره به حالت اولیه نزدیک می‌شود.

«راینر وایس» (Rainer Weiss)، فیزیکدان آمریکایی آلمانی‌تبار نیز برای توضیح عملکرد این امواج از همین ویژگی استفاده می‌کرد: عبور موج گرانشی باعث می‌شود فاصله‌ها در یک جهت بیشتر و هم‌زمان در جهت دیگر کمتر شوند.

اما مسئله این بود که این تغییرات بسیار کوچک، نه با حواس انسان قابل تشخیص‌ هستند و نه به‌سادگی از لرزش‌های معمول محیط جدا می‌شوند. حالا یک مشکل جدی باقی می‌ماند: وقتی خود فضا کشیده و فشرده می‌شود، این تغییر ناچیز را چطور باید اندازه گرفت؟

وقتی نور به ابزار اندازه‌گیری فضا تبدیل شد

برای اندازه‌گیری امواج گرانشی، دانشمندان به چیزی نیاز داشتند که بتواند کوچک‌ترین تغییر در فاصله را نشان دهد. راه‌حل، استفاده از نور و دستگاهی به‌نام تداخل‌سنج بود که ساختن نسخه‌ای با حساسیت لازم، چند دهه زمان برد.

در آشکارساز LIGO، یک پرتو لیزر به دو بخش تقسیم و هر بخش وارد یکی از دو بازوی عمود بر هم می‌شود. طول هر بازو چهار کیلومتر است. پرتوها پس از رسیدن به آینه‌های انتهای مسیر برمی‌گردند و دوباره به هم می‌رسند.

در حالت عادی، مسیر دو پرتو طوری تنظیم شده است که هنگام بازگشت تقریباً یکدیگر را خنثی کنند. اما عبور یک موج گرانشی، برای لحظه‌ای طول یکی از بازوها را کمی بیشتر و بازوی دیگر را کمی کمتر می‌کند. درنتیجه، دو پرتو دیگر دقیقاً مسیر یکسانی را طی نکرده‌اند و نحوه تداخل آن‌ها تغییر می‌کند. همین تغییر بسیار کوچک در نور، نشانه‌ای از عبور موج گرانشی است.

مشکل اصلی، اندازه این تغییرات بود. در نخستین موج گرانشی ثبت‌شده توسط LIGO که بعدها GW150914 نام گرفت، مقدار کرنش موج حدود ۱۰ به توان منفی ۲۱ بود. GW مخفف Gravitational Wave به معنای موج گرانشی است و کرنش نیز نسبت تغییر طول به طول اولیه را نشان می‌دهد. به زبان ساده، LIGO باید تغییری در طول بازوهای چهارکیلومتری خود تشخیص می‌داد که از اندازه یک پروتون هم بسیار کوچک‌تر بود.

رسیدن به چنین دقتی روی زمین ساده نیست. عبور خودروها، زمین‌لرزه‌های دور، لرزش زمین، تغییرات دما و حتی خود تجهیزات می‌توانند روی اندازه‌گیری اثر بگذارند. به‌همین‌دلیل LIGO دو آشکارساز جدا از هم دارد؛ یکی در هانفورد واشنگتن و دیگری در لیوینگستون لوئیزیانا. یک لرزش محلی ممکن است فقط در یکی از آن‌ها دیده شود، اما موج گرانشی باید با اختلاف زمانی مشخص در هر دو آشکارساز ثبت شود.

راینر وایس از اواخر دهه ۱۹۶۰ از اواخر دهه ۱۹۶۰ به این فکر کرد که برای آشکار کردن امواج گرانشی، فقط ساخت یک تداخل‌سنج کافی نیست، باید تمام چیزهایی را که می‌توانند نتیجه را خراب کنند، شناخت. او اثر لرزش‌های زمین، نویز حرارتی و محدودیت‌های لیزر را بررسی کرد و همین کار بعدها در شکل‌گیری طراحی LIGO نقش مهمی داشت.

از چند دهم ثانیه سیگنال چه فهمیدند؟

ثبت سیگنال فقط آغاز کار بود. دانشمندان حالا باید می‌فهمیدند این چند دهم ثانیه چه اطلاعاتی درباره منبع موج در خود دارد. فرکانس GW150914 از حدود ۳۵ هرتز آغاز شد و در مدت کوتاهی تا حدود ۲۵۰ هرتز بالا رفت. هم‌زمان دامنه موج نیز افزایش یافت، الگویی که با نزدیک شدن سریع دو سیاهچاله و لحظه ادغام آن‌ها مطابقت داشت. پس از برخورد، سیگنال به‌سرعت ضعیف شد و نشان می‌داد سیاهچاله تازه‌تشکیل‌شده در حال رسیدن به وضعیت پایدار خود بود.

البته پیش از هر نتیجه‌گیری باید احتمال خطای دستگاه یا نویز محیطی کنار گذاشته می‌شد. داده‌ها با الگوهای نظری متعددی مقایسه شدند و در یکی از تحلیل‌های اصلی، احتمال ایجاد چنین سیگنالی بر اثر نویز به کمتر از یک مورد در ۲۰۳ هزار سال رسید.

همین سیگنال کوتاه، اطلاعات زیادی از جرم دو سیاهچاله و جرم سیاهچاله نهایی تا فاصله منبع و ویژگی‌های حرکت آن‌ها، در اختیار دانشمندان گذاشت. به این ترتیب، برای نخستین‌بار مشخصات یک برخورد سیاهچاله‌ای مستقیماً از امواج گرانشی استخراج شد.

از ایده‌های اولیه تا نوبل فیزیک

کشف امواج گرانشی نتیجه کار یک نفر یا یک آزمایش کوتاه‌مدت نبود، پشت آن چند دهه تلاش نظری، آزمایشگاهی و مهندسی قرار داشت.

در دهه ۱۹۶۰، «جوزف وبر» (Joseph Weber)  تلاش کرد این امواج را با میله‌های تشدیدکننده آشکار کند و حتی مدعی ثبت آن‌ها شد، اما گروه‌های دیگر نتوانستند نتایجش را تکرار کنند. همین موضوع نشان داد که برای رسیدن به یک آشکارسازی قابل اعتماد، به روش دقیق‌تری نیاز است.

در همین سال‌ها، راینر وایس هنگام تدریس نسبیت عام، تغییر فاصله میان جرم‌های آزاد در اثر عبور موج گرانشی را به‌عنوان یک مسئله برای دانشجویانش مطرح کرد. همین ایده ساده بعدها او را به‌سمت استفاده از تداخل‌سنج لیزری برد. وایس این ایده را از حد یک بحث نظری فراتر برد و نشان داد برای ساخت یک آشکارساز واقعی، چه دقتی لازم است و تداخل‌سنج لیزری چگونه می‌تواند به آن دقت برسد. همین نگاه عملی، مسیر طراحی آشکارسازهای امواج گرانشی را روشن‌تر کرد.

در کنار او، «کیپ تورن» (Kip S. Thorne) روی جنبه‌های نظری امواج گرانشی و منابع احتمالی آن‌ها کار می‌کرد. سال‌ها بعد، «بری بریش» (Barry Barish) نقش مهمی در سازمان‌دهی و گسترش پروژه LIGO داشت و آن را به یک همکاری علمی بزرگ و منسجم تبدیل کرد.

این مسیر طولانی سرانجام در سال ۲۰۱۷ به جایزه نوبل فیزیک رسید. نیمی از جایزه به راینر وایس و نیم دیگر به‌طور مشترک به بریش و تورن تعلق گرفت. بااین‌حال، این موفقیت حاصل کار سه نفر نبود. صدها دانشمند، مهندس و پژوهشگر در طول چند دهه در ساخت آشکارسازها، کاهش نویز، تحلیل داده‌ها و توسعه مدل‌های نظری نقش داشتند. و تازه پس از این کشف بود که سؤال بعدی مطرح شد: آیا می‌شود رویدادی را پیدا کرد که هم امواج گرانشی تولید کند و هم نور آن را با تلسکوپ‌ها ببینیم؟ تنها دو سال بعد، پاسخ این سؤال پیدا شد.

وقتی یک رویداد کیهانی را هم شنیدیم و هم دیدیم

دو سال بعد، در ۱۷ اوت ۲۰۱۷، آشکارسازهای امواج گرانشی با سیگنالی متفاوت روبه‌رو شدند. این بار سیگنال به‌جای چند دهم ثانیه، حدود ۱۰۰ ثانیه ادامه داشت و شکل آن نشان می‌داد منبعش دو سیاهچاله سنگین نیست.

بررسی داده‌ها مشخص کرد که دو ستاره نوترونی در حال نزدیک شدن به یکدیگر و ادغام هستند. ستاره نوترونی، هسته بسیار فشرده‌ای است که پس از مرگ بعضی ستاره‌های پرجرم باقی می‌ماند. جرمی در حد خورشید دارد، اما اندازه‌اش تقریباً در حد یک شهر است. این رویداد GW170817 نام گرفت، یعنی موج گرانشی ثبت‌شده در ۱۷ اوت ۲۰۱۷.

اما ماجرا به همین‌جا ختم نشد. تنها حدود ۱٫۷ ثانیه پس از رسیدن موج گرانشی، تلسکوپ فضایی فرمی ناسا یک فوران کوتاه پرتو گاما را از همان بخش کلی آسمان ثبت کرد. برای نخستین‌بار نشانه‌های یک رویداد کیهانی تقریباً هم‌زمان از دو مسیر متفاوت به زمین رسیده بود: یکی به شکل موج گرانشی و دیگری به شکل تابش الکترومغناطیسی.

حالا باید محل دقیق برخورد پیدا می‌شد. اطلاعات LIGO و Virgo در کنار داده‌های رصدخانه‌های پرتو گاما، محدوده جست‌وجو را کوچک‌تر کرد و تلسکوپ‌های مختلف به سراغ آن بخش از آسمان رفتند. حدود ۱۱ ساعت بعد، یک منبع نوری تازه در کهکشان NGC 4993 پیدا شد. یعنی همان برخوردی که اثرش در قالب امواج گرانشی ثبت شده بود، این بار با تلسکوپ نیز دیده می‌شد.

پس از آن، ده‌ها رصدخانه زمینی و فضایی این رویداد را در طول‌موج‌های مختلف، از امواج رادیویی و نور مرئی تا پرتو ایکس و گاما دنبال کردند. برای نخستین‌بار، دانشمندان توانسته بودند یک رویداد کیهانی را هم از طریق امواج گرانشی و هم از طریق نور بررسی کنند. این اتفاق آغاز دوره‌ای تازه در اخترشناسی بود، روشی که امروز آن را اخترشناسی چندپیام‌رسان می‌نامیم.

طلا چگونه در برخورد ستاره‌های نوترونی ساخته می‌شود؟

رویدادGW170817  فقط به دانشمندان نشان نداد که دو ستاره نوترونی با هم برخورد کرده‌اند، این برخورد سرنخ مهمی درباره منشأ برخی از سنگین‌ترین عناصر جهان نیز نشان داد. دانشمندان از مدت‌ها قبل می‌دانستند بسیاری از عناصر درون ستاره‌ها ساخته می‌شوند، اما منشأ عناصری مانند طلا و پلاتین کاملاً روشن نبود. یکی از توضیحات اصلی این بود که این عناصر در محیط‌هایی به‌وجود می‌آیند که مقدار بسیار زیادی نوترون آزاد وجود دارد.

برخورد دو ستاره نوترونی دقیقاً چنین شرایطی ایجاد می‌کند. هنگام برخورد، مقدار زیادی ماده غنی از نوترون با سرعت به فضا پرتاب می‌شود. در این محیط، هسته‌های اتمی می‌توانند در مدت کوتاهی تعداد زیادی نوترون جذب کنند و درادامه، عناصر سنگین‌تری شکل بگیرند. این فرایند را جذب سریع نوترون می‌نامند.

پس از GW170817، تلسکوپ‌ها در محل برخورد یک درخشش تازه را دنبال کردند.. تغییر رنگ و روشنایی این درخشش در روزهای بعد، شواهد مهمی در اختیار دانشمندان گذاشت که نشان می‌داد در این برخورد عناصر سنگینی مانند طلا و پلاتین ساخته شده‌اند.

قدم بعدی؛ آشکارسازی امواج گرانشی از فضا

با وجود حساسیت بسیار بالای LIGO، این آشکارساز نمی‌تواند همه انواع امواج گرانشی را ثبت کند. هر آشکارساز فقط به محدوده مشخصی از فرکانس‌ها حساس است، درست مثل چشم انسان که تنها بخش کوچکی از طیف نور را می‌بیند.

آشکارسازهای زمینی مانند LIGO برای ثبت امواجی که از برخورد سیاهچاله‌های ستاره‌ای یا ستاره‌های نوترونی ایجاد می‌شوند بسیار مناسب هستند. اما بعضی از امواج گرانشی فرکانس بسیار پایین‌تری دارند و برای شناسایی آن‌ها به آشکارسازی در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر نیاز است.

اینجاست که LISA  وارد می‌شود، رصدخانه‌ای فضایی که برای شناسایی امواج گرانشی طراحی شده است. LISA از سه فضاپیما تشکیل خواهد شد که با فاصله حدود ۲٫۵ میلیون کیلومتر از یکدیگر، آرایشی مثلثی در فضا می‌سازند. پرتوهای لیزر میان این فضاپیماها رفت‌وآمد می‌کنند و فاصله آن‌ها را با دقت بسیار بالا می‌سنجند. اگر موجی گرانشی از این مجموعه عبور کند، فاصله میان فضاپیماها مقدار بسیار کمی تغییر می‌کند و همین تغییر قابل اندازه‌گیری خواهد بود.

LISA قرار است در دهه ۲۰۳۰ فعالیت خود را آغاز کند و برخلاف آشکارسازهای زمینی، به امواج گرانشی با فرکانس‌های پایین‌تر حساس خواهد بود. به‌همین‌دلیل، LISA  می‌تواند امواجی را ثبت کند که آشکارسازی آن‌ها برای LIGO دشوار است و منابع متفاوتی مانند منظومه‌های دوتایی ستاره‌های فشرده و ادغام سیاهچاله‌های کلان‌جرم در مرکز کهکشان‌ها را بررسی کند.

کشف امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵ پایان یک جست‌وجوی طولانی نبود. آن کشف در واقع آغاز راهی تازه بود؛ راهی که حالا قرار است از آشکارسازهای زمینی به رصدخانه‌های فضایی برسد و بخش‌های بیشتری از جهان را در دسترس ما قرار دهد.

جهان دیگر ساکت نیست

تا مدت‌ها، بیشتر آنچه از جهان می‌دانستیم از راه نور به‌دست می‌آمد. نور مرئی، امواج رادیویی، فروسرخ، پرتو ایکس و گاما هرکدام بخشی از کیهان را برای ما آشکار کردند. اما در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، برای نخستین‌بار اطلاعات یک رویداد کیهانی را از راهی کاملاً متفاوت دریافت کردیم. این بار پیام نه با نور، بلکه با موجی در خود فضاـزمان به زمین رسیده بود.

دو سال بعد،GW170817  نشان داد که وقتی امواج گرانشی را در کنار نور بررسی کنیم، می‌توانیم اطلاعات بیشتری از یک رویداد کیهانی به‌دست آوریم و بهتر بفهمیم برخورد ستاره‌های نوترونی چگونه رخ می‌دهد، عناصر سنگین چگونه شکل می‌گیرند و ماده در شرایط بسیار شدید چه رفتاری دارد. همه این‌ها با سیگنالی کوتاه آغاز شد که بیش از یک میلیارد سال در راه بود و در چند دهم ثانیه از آشکارسازهای LIGO گذشت.

روی زمین هیچ‌کس چیزی احساس نکرد، اما همان چند دهم ثانیه کافی بود تا پیش‌بینی صدساله اینشتین برای نخستین‌بار به‌طور مستقیم ثبت شود. امواج گرانشی همیشه در جهان وجود داشتند. تفاوت این بود که حالا ما توانایی اندازه‌گیری آن‌ها را پیدا کرده بودیم.