امواج گرانشی چه هستند

یازدهم فوریه ۲۰۱۶، ساعت ۱۰:۳۰ به وقت شرق آمریکا، مصادف با ۷ عصر روز پنج‌شنبه ۲۲ بهمن ۱۳۹۴ به وقت تهران، اتفاق بزرگی در تاریخ علم افتاد:

پژوهش‌گران رصدخانه‌ی موج گرانشی تداخل لیزری آمریکا (لایگو)، موفق به رصد امواج گرانشی شده‌اند که اینشتین، یک قرن پیش، در جریان ارائه‌ی نظریه‌ی عام خود، آن را پیش‌بینی کرده بود. (+)

در صورتی که همه‌چیز آن‌گونه که دانشمندان امیدوارند پیش برود، این کشف، آغازگر عصری تازه برای علم نجوم خواهد بود.

اما اگر هنوز نمی‌دانید که امواج گرانشی چه هستند، حالا و به بهانه‌ی اعلام این خبر، فرصت خوبی است که با ما باشید تا با زبانی ساده، گام به گام، شرحی از آن ارائه دهیم.

این یک کرم فضایی نیست. این کاری است که امواج گرانشی با فضا ـ زمان می‌کنند
این یک کرم فضایی نیست. این کاری است که امواج گرانشی با فضا ـ زمان می‌کنند

انحنای فضا ـ زمان در نظریات اینشتین

به بیان نسبیت‌گرای برجسته، جان ویلر، نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین را می‌توان در دو حکم خلاصه کرد: ماده، چگونگی انحنای فضا و زمان را تعیین می‌کند و انحنای فضا و زمان، چگونگی حرکت ماده را. (کمی بلندترش را اینجا، به زبان انگلیسی، در سایت اینشتین آنلاین بخوانید.)

اینشتین نظریه‌ی خود را در نوامبر ۱۹۱۵ (پاییز ۱۲۹۴ جلالی) منتشر کرد. در بهار ۱۹۱۶ به نتیجه‌ی منطقی دیگری از نظریه‌ی انحنای فضا و زمان خود پی برد: نسبیت عام، امواج گرانشی را نیز وا می‌دارد تا در فضا و در سرعت نور منحرف شوند.

برای مدت‌ها فیزیک‌دانان نمی‌دانستند که این امواج گرانشی واقعی هستند یا نتیجه‌ای ریاضی از نظریه‌ی اینشتین. اما از دهه‌ی ۱۹۸۰ به بعد، شواهدی غیرمستقیم بر وجود این امواج به دست آمد که در سال ۱۹۹۳ جایزه‌ی نوبل فیزیک را نصیب کاشفانش ساخت. (+)

امواج گرانشی توسط اجسام در حال چرخش و برخی دیگر از اجسام شتاب‌دار ساتع می‌شوند. در حال حاضر، تلاش‌های بسیاری برای مشاهده‌ی مستقیم امواج گرانشی در جریان است و با ممکن شدن این کار، دانشمندان امیدوارند برخی از مهیب‌ترین فرآیندهای کیهانی را، همچون ادغام سیاهچاله‌ها و یا ستاره‌های نوترونی، یا انفجارهای هسته‌ی ابرنواخترها را «بشنوند».

همان‌گونه که ستاره‌شناسی متعارف از نور و تابش‌های دیگر الکترومغناطیسی اجرام دور را مورد مطالعه قرار می‌دهد، ستاره‌شناسی جدید مبتنی بر امواج گرانشی نیز می‌تواند با استفاده از اطلاعات کسب‌شده از این امواج، به اکتشافاتی در گیتی بپردازد. و همان‌طور که در اخبار می‌بینیم، ستاره‌شناسی مبتنی بر امواج گرانشی، از اواسط سپتامبر ۲۰۱۵ (شهریور ۹۴) کار خود را آغاز کرده است.

امواج گرانشی چه می‌کنند؟

برای پاسخ به این پرسش، بیایید نگاهی به یک حالت کاملاً فرضی ساده‌شده داشته باشیم. (برای این کار از انیمیشن‌های ارائه‌شده در سایت اینشتین آنلاین (+) استفاده شده است.)

ذراتی را در نظر بگیرید که به دور از هر گونه منبع گرانشی، در فضا حرکت می‌کند. تصور کنید که این ذرات (به رنگ قرمز)، به شکل دایره‌ای‌شکل، دور تا دور نقطه‌ای در مرکز (به رنگ سیاه) قرار دارند.

gw-waves-single

حالا اگر یک موج گرانشی ساده از وسط این عکس بگذرد و به سوی شما بیاید، فاصله‌ی میان ذرات، مطابق شکل زیر، به صورت هماهنگی تغییر خواهند کرد:

عبور یک موج گرانشی از میان ذرات

کشیده شدن دایره در جهت عمودی، منجر به فشرده شدنش در جهت افقی می‌شود، و بالعکس. این اعوجاج چهار قطبی، تأثیر معمول امواج گرانشی است.

باید به خاطر داشته باشیم که این انیمیشن و آنچه در ادامه می‌آید، واقعیت را به میزان قابل توجهی اغراق‌آمیز جلوه داده‌اند. تأثیر امواج گرانشی‌ای که پژوهش‌گران لایگو کشف کرده‌اند، بسیار بسیار ضعیف‌تر از این حرف‌هاست. در واقعیت، اگر دایره‌ای که کشیده‌ایم را به اندازه‌ی مدار زمین به دور خورشید در نظر بگیریم، تأثیر امواج گرانشی به کمتر از قطر یک اتم هیدروژن محدود می‌شود.

حرکت امواج گرانشی در فضا

انیمیشن‌های بالا را می‌توان «نوسان گرانشی» نامید. برای مشاهده‌ی یک موج واقعی، به مدلی سه‌بعدی نیاز داریم.

می‌خواهیم بدانیم تابش یک موج گرانشی در فضا چه تأثیری دارد. یک موج آب را در نظر بگیرید. روی هر نقطه‌ای از سطح که دست بگذاریم، با آهنگی منظم به بالا و پایین در نوسان است. ولی نوسان یک نقطه اصلاً به چشم نمی‌آید و آهنگ حرکت هر ذره، در کنار ذرات مجاور آن است که معنا پیدا می‌کند و شمایل یک موج را به آن می‌دهد.

در مورد امواج گرانشی نیز وضع بر همین منوال است. برای این که تأثیر یک موج گرانشی را ببینیم، به جای آن که به یک حلقه از ذرات شناور در فضا بنگریم، می‌بایست حلقه‌هایی بی‌شمار در کنار یکدیگر را زیر نظر بگیریم که در کنار هم تشکیل یک استوانه می‌دهند.

حلقه‌های بی‌شماری از ذرات در کنار هم

در این تصویر، تشخیص آن که کدام نقاط جلو هستند و کدام نقاط در عقب قرار دارند دشوار است. اجازه دهید هر ذره را با یک خط آبی به همسایه‌ی متصل کنیم و فضای میان این خط‌ها را نیز پر نماییم تا درک بهتری از هندسه‌ی موجود به دست آوریم:

استوانه‌ای از حلقه‌های بی‌شماری از ذرات در کنار هم

فراموش نکنید که هیچ کدام از خط‌ها و همچنین سطح سفید آن‌ها واقعی نیستند. برعکس، برای این که این ذرات باید بتوانند تحت تأثیر یک موج گرانشی قرار گیرند، باید آزادانه شناور باشند و قطعاً به هیچ شکلی نمی‌توانند با هم متصل شوند.

حالا می‌توانیم ببینیم موج گرانشی‌ای که بر حلقه‌ی قبلی ما تابید و آن را در چهار قطب خود به نوسان انداخت، در این طرح سه‌بعدی چه خواهد کرد. در این مدل، موج گرانشی ما از سمت راست وارد استوانه می‌شود و از جلوی لوله در سمت چپ بیرون می‌آید:

این یک کرم فضایی نیست. این کاری است که امواج گرانشی با فضا ـ زمان می‌کنند
این یک کرم فضایی نیست. این کاری است که امواج گرانشی با فضا ـ زمان می‌کنند

حال می‌توانید حرکت موج در فضا را مشاهده نمایید. چنین به نظر می‌رسد که بخش متورم لوله، به سمت جلو می‌آید، حال آن که هر ذره همچنان در مکان قبلی خود مستقر است و بالا و پایین می‌رود. اگر این استوانه را کمی بچرخانیم و از یک وجه به آن خیره شویم، ماهیت موج را بهتر درک می‌کنیم.

تأثیر موج گرانشی بر استوانه‌ی ذرات

و اما تمام مدل‌هایی که تاکنون بررسی کردیم، تنها شکل ساده‌ای از امواج گرانشی را با قطبی‌سازی خطی به نمایش گذاشته بودند. حالا مدلی را ببینید که در آن امواج گرانشی به صورت دایره‌ای ذرات اطراف خود را به نوسان درمی‌آورند.

قطبی‌سازی دورانی در امواج گرانشی

و این چیزی است که رصدکنندگان امواج گرانشی به دنبالش بودند و آن را یافتند، با این تفاوت که آن‌ها ذرات معلقی در فضا را در اختیار ندارند. در عوض آینه‌هایی بسیار بزرگ را به شکل ماهرانه‌ای همین‌جا روی زمین به حالت معلق نصب کرده‌اند و از آن‌ها به عنوان اجسام آزمایشی استفاده می‌کنند و با نور لیزر تلاش می‌کنند تغییرات فاصله‌ای در اثر امواج گرانشی را رصد نمایند.

با این حال، دانشمندان لایگو چیزی واقعی‌تر از آنچه پژوهشگران در صدد یافتن آن بودند را یافتند. آن‌ها قادر به تشخیص چنین موجی پس از ادغام دو سیاهچاله در فاصله‌ی بیش از یک میلیارد سال نوری از زمین شده‌اند و برای نخستین بار، آنچه که در ادغام دو سیاهچاله روی می‌دهد را مستقیماً رصد کردند. (+)

امواج گرانشی که توسط پژوهشگران لایگو رصد شد
برای درک بهتر آنچه لایگو رصد کرد این انیمیشن را ببینید

انیمیشین‌هایی که در این صفحه دیدیم، شبیه کرم‌های فضایی بودند. اما همین کرم‌های فضایی، بهترین یاور ستاره‌شناسان برای کسب اطلاعات از آن بخش از کیهان خواهند بود که با شیوه‌ی متعارف رصد از طریق نور قابل رؤیت نیستند و بدین ترتیب می‌توان مستقیماً به یک میلیارد سال پیش «گوش فرا داد» و حتی لحظه‌ی مه‌بانگ (انفجار بزرگ)‌ را لمس کرد.

کهکشان آنلاین بخش عمده‌ی این مطلب را از یونیورس تودی ترجمه کرده و اخبار روز را بدان افزوده است.

پاسخ دهید

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