ردیاب‌های امواج گرانشی چگونه کار می‌کنند؟

پنج‌شنبه‌ی گذشته، یازدهم فوریه، مصادف با ۲۲ بهمن ۱۳۹۴، ساعت ۱۰:۳۰ به وقت شرق آمریکا، یا هفت عصر به وقت ایران، اخبار معرکه‌ای منتشر شد. تیم ردیابی امواج گرانشی لایگو، خبر نخستین رصد مستقیم امواج گرانشی را اعلام کردند.

محافل علمی قبل از برگزاری کنفرانس نیز حدس می‌زدند که چنین خبری اعلام شود، اما این آگاهی چیزی از هیجان‌انگیز بودن آن کم نکرد.

بحث اعوجاج بسیار اندک فضا ـ زمان، برای اجسامی که با سرعت نور حرکت می‌کنند، اولین بار تقریباً در صد سال پیش توسط اینشتین مطرح شد؛ زمانی برای جایزه‌ی نوبل!

و اکنون، زمان آن فرا رسیده که آگاهی خود را در زمینه‌ی امواج گرانشی بالا ببریم.

پیش از این، در مطلبی دیگر با عنوان «امواج گرانشی چه هستند»، نگاهی به درک امواج گرانشی و این که چطور در فضا معوج می‌شوند، انداختیم. گام بعد، آن است که بدانیم چطور می‌توان کاری که این امواج می‌کنند را اندازه گرفت و این که ردیاب‌های امواج گرانشی، همچون لایگو، چطور این کار را انجام می‌دهند.

امواج گرانشی چه هستند ـ نگاهی ساده به تئوری امواج گرانشی

به یاد بیاورید که امواج گرانشی، به شکل زیر، فاصله‌ی میان ذرات را تغییر داده و آزادانه در فضای خالی، به حالت دایره‌وار شناور هستند:gw-waves-single

این موج عمود بر صفحه، به سوی شما حرکت می‌کند. البته همان طور که ذکر شد، در این شکل اغراق بسیار زیادی در تغییر فاصله‌ی میان ذرات صورت گرفته است. در یک موج واقعی، تغییرات بسیار بسیار اندک هستند. حتی در فاصله‌ی عظیمی همچون فاصله‌ی زمین تا خورشید، این تغییر فاصله‌ی میان ذرات تنها به کم‌تر از قطر یک اتم هیدروژن می‌شد.

چگونه می‌توان امواج گرانشی را رصد کرد؟

در نخستین تلاش ناموفق برای رصد امواج گرانشی، در سال ۱۹۶۰ (۱۳۳۹ جلالی)، دانشمندان تلاش کردند اندازه بگیرند که چطور این امواج گرانشی می‌توانند کاری کنند که استوانه‌های آلومینیومی، همچون یک زنگ ملایم به صدا درآیند. این داستان ختم به خیر نشد. جو وبر (۱۹۱۹ ـ ۲۰۰۰)، فیزیک‌دان مسئول این آزمایشات، مطمئن بود که از این طریق امواج گرانشی را رصد کرده، اما پس از تحلیل‌های دقیق و آزمایش‌های مجدد، جامعه‌ی علمی به این نتیجه رسید که او اشتباه می‌کرد.

بعد از آن، فیزیک‌دان‌ها برنامه‌ی دیگری را پیشنهاد کردند. تصور کنید که نقطه‌ی سیاه مرکز انیمیشن قبلی را با یک ردیاب، و ذره‌ی قرمز سمت راست را با یک منبع نور لیزری جایگزین کنیم. آنگاه پالس‌های نوری (که در شکل زیر با نقطه‌هیا تندروی قرمز نشان داده شده‌اند) را از یک منبع نوری به سمت ردیاب بفرستیم. بیایید چنین شکلی را بدون امواج گرانشی ببینیم:

simplified-nogw

هر بار که یک پالس نوری به ردیاب می‌رسد، نمایش‌گر زردرنگ سمت راست چشمکی می‌زند. پالس‌ها به صورت مرتب ارسال می‌شوند و همگی با سرعتی یکسان حرکت می‌کنند و در نتیجه، همه‌ی آن‌ها با فاصله‌ی زمانی یکسانی به ردیاب می‌رسند.

حال اگر موج گرانشی، دوباره از عقب و عمود بر صفحه و به سمت شما در سیستم قرار گیرد، این فاصله‌ها دیگر یکسان نمی‌مانند. اگر دوربین خود را روی ردیاب تنظیم کنیم تا محل آن ثابت بماند، تغییر فاصله تا منبع نور، تغییر فاصله‌ی میان هر پالس نوری، و همچنین برخی فاصله‌های میان پالس‌های نوری و ردیاب یا منبع نور را مشاهده می‌کنیم که دلیلی جز همین امواج گرانشی ندارند.

این پدیده را به شکلی اغراق‌شده، در انیمیشن زیر می‌توانید ببینید:
simplified-gwاگر به نور چشمک‌زن خیره شویم، درمی‌یابیم که فاصله‌ی زمانی میان روشن و خاموش شدن‌ها دیگر همچون گذشته یکسان نیستند. چراغ نمایش‌گر ما گاهی تندتر چشمک می‌نزد و گاهی کندتر.

ما برای سالیان سال در انتظار مشاهده‌ی همین تأثیر بودیم تا آن را نشانه‌ای از وجود امواج گرانشی و اثبات تأثیر آن‌ها در عمل قلمداد کنیم.

منظور از «ما»، در واقع ستاره‌شناسان رادیویی‌ای است که بر روی قضیه‌ای با عنوان «آرایه‌ی زمانی تپ‌اختر» کار می‌کنند. فرستنده‌ی پالس‌های منظم، تپ‌اخترها هستند که ستاره‌های نوتورونی را می‌چرخانند و یک موج رادیویی را مانند یک فانوی دریایی کیهانی، بر فراز آنتن های ما می‌پراکنند. ردیاب‌ها نیز تلسکوپ‌های رادیویی روی زمین هستند. رصد این امواج، ابداً آسان نیست. با یک تپ‌اختر تنها، لازم است که زمان رسیدن هر پالس را با دقت چندین میلیاردم ثانیه در یک نیم‌سال ردیابی کنیم و در ضمن، مطمئن شویم که بسیاری متغیرهای زمانی دیگر ما را گمراه نمی‌کنند.

پیش از این هیچ نوع موج گرانشی‌ای به این ترتیب رصد نشده بود و ستاره‌شناسان رادیویی لایگو، برای نخستین بار به این افتخار نائل آمدند.

بیایید کمی بیشتر وارد جزئیات شویم تا ببینیم آن‌ها دقیقاً چه کردند.

نحوه‌ی استقرار ردیاب‌های تداخلی موج گرانشی

در شکل زیر می‌توانید نحوه‌ی استقرار این ردیاب‌ها را ببینید. همان طور که مشاهده می‌کنید، دو آینه، یک دریافت کننده (یا ردیاب نور)، یک منبع نور، چیزی که به عنوان شکافنده‌ی پرتو شناخته می‌شوند، در این شکل وجود دارند.

 

detector-setup-580x409

نور از منبع لیزری (LS) به شکافنده‌ی پرتو (B) فرستاده می‌شود. شکافنده، همان‌طور که از نامش برمی‌آید، نور را می‌شکند و نیمی از آن را به آینه‌ی M1 فرستاده و به نیم دیگر اجازه می‌دهد تا مسیر خود را به سمت آینه‌ی M2 ادامه دهد. آینه‌های M1 و M2، نور را دوباره به سوی شکافنده بازتاب می‌دهند. در شکافنده، نورهای بازتاب‌یافته از آینه‌ها نیز دوباره شکسته می‌شوند و نیمی از آن‌ها به سمت ردیاب نور (LD) و نیم دیگر به سمت منبع نور (LS) باز می‌گردد. ما برای ساده‌تر شدن قضیه، قسمت آخر را نادیده گرفته و تصور می‌کنیم که همه‌ی نور منعکس‌شده از آینه‌ها، که از شکافنده عبور می‌کنند، به سمت ردیاب نور (LD) می‌روند.

(برای جلوگیری از سردرگمی، در مورد بخش LD همیشه کلمه‌ی «ردیاب نور» را به طور کامل استفاده می‌کنیم و عبارت «ردیاب» را برای کل مجموعه به کار می‌بندیم.)

مجموعه‌ای که در تصویر می‌بینید، با نام «تداخل‌سنج مایکلسن» شناخته می‌شود و در ادامه نشانتان می‌دهیم که چرا این تنظیمات برای ردیابی امواج گرانشی مناسب هستند.

حال فرض کنید که آینه‌ها و شکافنده‌ی نور، که در تصویر به صورت معلق نشان داده شده بودند، همان‌گونه نسبت به موج گرانشی واکنش نشان می‌دهند که ذرات معلق آزاد واکنش نشان می‌دهند. اثرات اصلی موج گرانشی میان آینه‌ها و شکافنده‌ی پرتو رخ می‌دهد که دو بازوی ردیاب محسوب می‌شوند. در ردیاب‌های واقعی، طول هر بازو بسیار طولانی بوده و به چندین کیلومتر می‌رسد. در مقایسه، منبع نور و ردیاب نور چنان به شکافنده‌ی پرتو نزدیک هستند که تغییرات فاصله میان این سه، ناچیز است.

پالس‌های نوری در یک ردیاب موج گرانشی

حال می‌بایست رد حرکت پالس‌های نور از درون ردیاب را مورد بررسی قرار دهیم. شکل زیر، همان تشکیلات شکل قبل است که این بار از بالا به آن نگاه می‌کنیم.

int-working-static-en

منبع نور با نشانه‌ی LS، آینه‌ها با نشانه‌هیا M1 و M2، شکافنده‌ی پرتو با نشانه‌ی B و ردیاب نور با نشانه‌ی LD مشخص شده‌اند.

می‌خواهیم رد نور را در ردیاب دنبال نماییم ولی پیش از این کار، اجازه دهید برای فهم بهتر، دو تغییر مصنوعی و غیرواقعی ایجاد کنیم.

اول آن که پالس‌ها را با دو رنگ قرمز و سبز به درون ردیاب می‌فرستیم. پالس قرمز نشان‌گر نوری است که به بازوی افقی رفته و پالس سبز برای بازوی عمودی استفاده می‌شود. در واقعیت، هیچ تفاوتی بین نورها نیست و این شکافنده است که آن‌ها را می‌شکند.

تغییر دوم این است که نوری که به سمت آینه‌ی M1 می‌رود، کمی به سمت چپ منحرف شده و نوری که از همین آینه بازمی‌گردد به سمت راست انحراف دارد. در آینه‌ی M2 نیز همین داستان تکرار شده است. این کار نیز برای واضح‌تر شدن مسأله صورت گرفته و در عمل، این نورها منحرف نمی‌شوند و از روی هم عبور می‌کنند.

حال در شکل زیر به پالس‌های نوری بنگرید.

int-working

نور ابتدا از منبع نور در سمت چپ تصویر خارج می‌شود و چون پالس‌های نور با هم خارج می‌شوند، تا زمان رسیدن به شکافنده، سبزها و قرمزها با هم حرکت می‌کنند. شکافنده، پالس‌های سبز را به سمت بالا می‌فرستد و پالس‌های قرمز را به حال خود رها می‌کند تا مسیرشان را به سمت آینه‌ی سمت راست ادامه دهند. هر دو دسته، پس از انعکاس از آینه‌ها به سمت شکافنده بازمی‌گردند و همگی به سمت ردیاب نور در پایین هدایت می‌شوند.

بازوی افقی کمی بلندتر از بازوی عمودی است، در نتیجه پالس‌های قرمز می‌بایست مسافت بیشتری را طی کنند و از همین رو با کمی تأخیر به ردیاب می‌رسند و ما با یک ریتم متناوب روبه‌رو می‌شویم که تواتری یکنواخت دارند: سبز، قرمز، سبز، قرمز…! کمی بعد به اهمیت این نکته اشاره خواهیم کرد.

در زیر، نموداری از نوع یک نوار ثبت را می‌بینیم که زمان رسیدن پالس‌های قرمز و سبز به ردیاب نور را نشان می‌دهند.

no-gw-timeplot-580x93و همان طور که می‌بینید، الگوی این طرح کاملاً واضح است. پالس‌هیا قرمز و سبز، با بازه‌ی زمانی یکسان، یکی پس از دیگری به ردیاب نور می‌رسند.

موج گرانشی وارد می‌شود!

حال می‌خواهیم موج گرانشی استاندارد خود را روشن کنیم (و به یاد داشته باشید که باز هم این کار را به صورتی اغراق‌شده انجام می‌دهیم).

موج عمود بر صفحه و به سمت شما در حرکت است و نتیجه‌ای همچون شکل زیر به بار می‌آورد:int-working-gwدوربین ما بر روی شکافنده تنظیم شده و در نتیجه شکافنده‌ی پرتو در این شکل حرکت نمی‌کند. در ضمن، هر گونه تغییر جزئی در مسافت بین شکافنده و منبع و ردیاب نور را نادیده می‌گیریم. در عض توجه خود را بر روی آینه‌های M1 و M2 منعطف می‌کنیم که همان‌طور که انتظار می‌رفت، فاصله‌ی خود را با شکافنده تغییر می‌دهند.

حال، به نحوه‌ی رسیدن پالس‌های نوری به ردیاب نور دقت کنید. گاهی نور قرمز و سبز با فاصله‌ی زمانی یکسان و بعد از یکدیگر به ردیاب نور می‌رسند و گاه هم‌زمان می‌رسند. این بی‌نظمی دلیلی جز امواج گرانشی ندارد. بدون وجود این امواج، امکان نداشت که نظم دقیق سیستم تکانی بخورد.

اکنون، حتی بدون نگاه کردن به نمودار نوار ثبت زیر نیز می‌توانید حدس بزنید که فاصله‌ی پالس‌های نوری سبز و قرمز دیگر در کنار هم ثابت نیست و گاهی به هم نزدیک و گاهی قرمز می‌شوند.

ankunft-pulse-gw-580x95در لحظه‌ای که در شکل مشخص شده، پالس‌های قرمز و سبز، تقریباً هم‌زمان به ردیاب نور می‌رسند.

این الگو، به طور مشخص و واضحی با الگوی بدون تابش موج گرانشی تفاوت پیدا کرده و اگر این تفاوت را درک کرده باشید، نحوه‌ی رصد امواج گرانشی را نیز متوجه شده‌اید.

امواج تداخل

اگر این پرسش برایتان پیش آمده که چرا ردیاب‌هایی مانند لایگو را «ردیاب تداخلی امواج گرانشی» می‌خوانند، باید بیشتر در مورد پدیده‌ی موج فکر کنیم. اگر نه، بگذارید فقط بگوییم که ردیاب‌هایی مانند لایگو، از ویژگی‌های موجی نور استفاده می‌کنند تا تغییرات زمان رسیدن پالس نوری را که در انیمیشن قبل مشاهده کردید، اندازه بگیرند. اگر به جزئیات علاقه ندارید، این قسمت را نادیده گرفته و مستقیم به بخش آخر مقاله مراجعه کنید.

نور، موجی است با فراز و فرودهایی متناظر با بیشینه و کمینه‌ی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی. با این که انیمیشن‌های نمایش داده شده برا ردیابی انتشار پالس‌های نوری بودند، از آن‌ها می‌توان برای درک این که در تداخل‌سنج چه اتفاقی برای موج نوری می‌افتد نیز استفاده کرد. فقط تصور کنید که هر یک از نقاط متحرک قمرز و سبز در ردیاب، محل اوج موج را نشان می‌دهند.

ذرات تنها به هم اضافه می‌شوند. برای مثال، شما دو ذره را در نظر بگیرید و دو ذره‌ی دیگر به آن اضافه کنید تا در نهایت چهار ذره داشته باشید. اما این موضوع در مورد امواج کمی متفاوت است. اگر امواج به هم اضافه شوند (یعنی با هم ترکیب شوند و روی هم قرار گیرند)، گاه یک موج بزرگ‌تر می‌سازند و گاهی موج کوچک‌تری خواهند ساخت و یا حتی هیچ موجی نمی‌سازند. برخی اوقات قضیه پیچیده می‌شود.

هنگامی که دو موج به طور کامل با هم هماهنگ هستند، فرازهای یکی با فرازهای دیگری، و فرودهای یکی با فرودهای دیگر هم‌تراز می‌شوند. نمودار زیر، نشان می‌دهد که در چه زمان‌هایی قسمت‌های مختلف دو موج نوری به ردیاب نور می‌رسند و چگونه به هم ملحق می‌شوند. (در این شکل، بالای هر فراز یک نقطه قرار داده شده است، و این‌ها مثلا همان نقطه‌هایی هستند که در انیمیشن‌های بالا به آن‌ها نگاه می‌کردیم.)

interferenz-konstruktiv_en
در بالای شکل، موج سبز به طور کامل با موج قرمز (که برای وضوح شکل دقیقاً زیر موج سبز نشان داده شده) ه‌ تراز است. حال دو موج را به هم اضافه می‌کنیم و موج آبی را که در پایین نمودار قرار دارد و مشخصاً قوی‌تر است به دست می‌آوریم.

اما اگر دو موج سبز و قرمز از لحاظ تراز به طور کامل خلاف هم باشند و فرازهای یکی با فرودهای دیگر هم تراز شود، اوضاع تغییر می‌کند، چرا که فرازهای یکی فرودهای دیگری را لغو می‌کند و حاصل دو موج که هر دو با یک قدرت بودند و کاملا در تراز مخالف هم قرار داشتند، چیزی نمی‌شود جز لغو کامل هر دو. در نهایت ما هیچ موجی نخواهیم داشت.

شکل زیر نمودار این شرایط را نشان میدهد:
interferenz-destruktiv_enردیاب موج گرانشی ما، در غیاب امواج گرانشی، دقیقاً همین حالت را تجربه می‌کند. پالس‌های قرمز و سبز، با فاصله‌ی یکسان حرکت می‌کردند و فرازهای یکی کاملاً بر فرودهای دیگری منطبق بود و بدین ترتیب یکدیگر را خنثی می‌کردند و هیچ نوری در ردیاب نور ثبت نمی‌شد. ردیاب‌های واقعی موج گرانشی نیز تقریباً همین رویه را دارند.

هنگامی که یک موج گرانشی از ردیاب عبور می‌کند، این نظم پایدار به هم می‌ریزد. در شکل زیر، الگوی زمان رسیدن فراز پالس/موج را برای انیمیشنی که مربوط به پس از تابش موج گرانشی بود، می‌بینیم.
interferenz-gw_enنمودار آبی‌رنگ، که حاصل ترکیب امواج قرمز و سبز است، شکل پیچیده‌ای دارد و دیگر یک خط صاف نیست. یعنی بدون امواج گرانشی هیچ نوری در ردیاب دیده نمی‌شد و اکنون این امواج نوری پیچیده دیده می‌شوند و خبر از عبور موجی گرانشی می‌دهند.

به طور خلاصه، می‌توان گفت که این تصاویر و توضیحات، نمونه‌های بسیار ساده‌شده‌ای هستند که نشان می‌دهند ردیاب‌های موج گرانشی مانند لایگو، چگونه کار می‌کنند.

هر آنچه که دانشمندان لایگو در روز پنج‌شنبه‌ی گذشته گزارش داده‌اند، بر مبنای سیگنال‌های نوری در خروجی چنین ردیاب تداخلی‌ای بوده است.

و اکنون برای چیزی هزاران بار پیچیده‌تر…

صد البته که ردیاب‌های موج گرانشی واقعی، بسیار پیچیده‌تر از این حرف‌ها هستند. در اینجا ما کوچک‌ترین اشاره‌ای هم به هزاران اختلال محتملی که دانشمندان لازم است در نظر بگیرند، نکرده‌ایم.

برای مثال، آینه‌ها چگونه باید آویزان شوند که (حداقل برای بعضی از امواج گرانشی)، واقعاً مانند ذرات معلق آزاد تحت تأثیر قرار گیرند؟ یا این که چگونه می‌توان جلوی اختلال‌هایی همچون لرزه‌های حاصل از صدای ماشین‌ها و حرکت قطارها را گرفت تا کمترین ارتعاشی در آینه‌ها ایجاد نکنند؟ در نظر گرفتن نوسانات نور لیزر هم کاری دشوار است.

شکار موج گرانشی، تا حد زیادی، شکار صداها و یافتن راهی برای فرو نشاندن آن‌هاست. ردیاب‌های امواج گرانشی لایگو و مانند آن، ماشین‌های پیچیده‌ای هستند شامل صدها مدار کنترل، معلق نگه‌دارنده‌های بسیار دقیق آینه، و باثبات‌ترین (و قدرتمندترین) لیزرهایی که در فیزیک شناخته شده‌اند.

تکنولوژی این ردیاب‌ها توسط گروه‌های بی‌شماری در سراسر دنیا تولید شده است. ولی اطلاعاتی بیش از این، در حوصله‌ی مطلب ما نمی‌گنجد. برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توانید به صفحات انگلیسی ردیاب‌ها در اینترنت، یا گروه‌های مجری این طرح‌ها مراجعه کنید:

برای اطلاعات بیشتر در مورد امواج گرانشی هم می‌توانید به صفحه‌ی انگلیسی سایت اینشتین آنلاین مراجعه کنید که انیمیشن‌های این مقاله نیز از آنجا برداشته شده است.

کهکشان آنلاین، این مطلب را از سایت یونیورس تودی به فارسی ترجمه کرده است.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *