یک قرن با نسبیت عام؛ در جستجوی طنین امواج گرانشی

دقیقا صد سال پیش در ۲۵ نوامبر ۱۹۱۵، آلبرت اینشتین برای آخرین بار در فرهنگستان علوم پروس، به توضیح نظریه‌ی گرانشی جدید خود پرداخت؛ نظریه‌ای که نام آن نسبیت عام گذاشته شد. تقریبا یک سال بعد، او وجود پدیده‌ای به نام امواج گرانشی در فضا-زمان را پیش‌بینی کرد. نوساناتی در پارچه‌ی فضا زمان که بر اثر شتاب گرفتن اجرام یا برخورد‌های بزرگ در عالم ایجاد می‌شوند؛ درست مثل زمانی که یک قایق روی دریاچه حرکت می‌کند و امواجی روی سطح آب بوجود می‌آورد. حالا دانشمندان در چند قدمی کشف مستقیم این امواج قرار دارند. با یافتن امواج گرانشی فضا-زمان، پنجره‌ای جدید رو به شناخت عالم باز می‌شود.

تقریبا ۷۰ سال پیش، بمب اتمی مشهور روی شهر ناکازاکی ژاپن انداخته شد و هزاران نفر را کشت. پلوتونیوم موجود در این بمب، در رآکتوری واقع در مرکز «هنفورد» (Hanford) شهر واشنگتن ساخته شد. ولی حالا کاربری این مرکز تغییر کرده و آن‌جا محلی برای پیشبرد یکی از بزرگترین پروژه‌های دنیای فیزیک شده است. مرکز هنفورد، خانه‌ی یکی از حساس‌ترین ابزارهای علمی ساخت بشر است. دانشمندان امیدوارند به کمک این ماشین، بتوانند صدای امواج مرموز گرانشی را از دوردست‌های عالم بشنوند.

پژوهشگران اخیرا توانسته‌اند «رصدخانه‌ی تداخل‌سنج لیزری موج گرانشی» یا به اختصار «لیگو» (LIGO) که در مرکز هنفورد واشنگتن قرار دارد را به لیزرهای جدید و قدرتمند، آینه‌های فوق پایدار و ابرکامپیوترهای بسیار ‌سریع مجهز کنند. آن‌ها امیدوارند بتوانند با استفاده از این رصدخانه، امواج ضعیف گرانشی فضا-زمان را دریافت کنند. «فردریک راب» (Frederick Raab) که سرپرست این رصدخانه است می‌گوید: «اگر چیزی پیدا نشود، مردم کاملا شگفت‌زده می‌شوند!»

رصدخانه‌های «لیگو» در واشنگتن و لوییزیانا می‌توانند در آینده‌ای نزدیک امواج گرانشی را آشکار کنند

دیگر دانشمندان هم به همین اندازه امیدوار هستند. در یازدهمین کنفرانس «ادواردو آمالدی» (Edorado Amaldi) که اوایل امسال در گوانگجوی کره‌ی جنوبی برگزار شد، حاضران تقریبا به صورت متفق‌القول امیدوار بودند که با فناوری کنونی، می‌توان امواج گرانشی را به صورت مستقیم آشکار کرد. «برنارد شوتز» (Bernard Schutz) از موسسه‌ی مکس‌پلانک می‌گوید: «گوش دادن به صدای امواج گرانشی، راهی جدید برای کاوش کیهان در اختیار ما می‌گذارد. اگر در یک جنگل باشید، با گوش دادن به صداهای اطراف می‌توانید اطلاعات بیشتری نسبت به نگریستن پیرامونتان کسب کنید. عالم ما جنگلی پر از موجودات عجیب و غریب است و اعتقاد دارم در عرض یک یا دو سال آینده می‌توانیم به صدای این حیوانات وحشی گوش بدهیم.»

رصدخانه‌ی امواج گرانشی لیگو در ماجراجویی گوش دادن به صدای جنگل کیهانی تنها نیست. در «لیوینگستون» (Livingstone) ایالت لوییزیانا، رصدخانه‌ای مشابه وجود دارد که در سال‌های اخیر، تغییرات زیادی در آن انجام شده است. برای مطمئن شدن از صحت هر کشفی، این دو رصدخانه باید با یکدیگر همکاری کنند. بنابراین ما دو رصدخانه‌ی امواج گرانشی یا همان لیگو داریم که یکی از آن‌ها در واشنگتن و دیگری در لوییزیانا است. از سال دیگر، رصدخانه‌ی تداخل سنج دیگری در ایتالیا با آن‌ها همراه می‌شود. در ضمن رصدخانه‌ای کوچک‌تر در هانوفر آلمان به نام Geo600 هم وجود دارد که می‌تواند به آن‌ّها کمک کند. ژاپن هم در حال ساخت یک رصدخانه‌ی آشکارساز امواج گرانشی بزرگ در زیر زمین است و هندوستان هم برنامه‌هایی برای این کار دارد. در همین میان، اخترشناسان رادیویی سراسر جهان در حال همکاری با یکدیگر هستند که بتوانند از «تپ‌اخترها» (دقیق‌ترین ساعت‌های طبیعت) به عنوان ابزارهایی برای یافتن امواج گرانشی استفاده کنند؛ البته امواجی که طول موج بیشتری نسبت به طول موجی که رصدخانه‌ی لیگو در آن کار می‌کند، دارند.

هرچند که هنوز مشاهده‌ی مستقیمی از امواج گرانشی صورت نگرفته، ولی دانشمندان به آینده‌ی این رشته امیدوار هستند و برای آن برنامه‌ریزی می‌کنند. در حالی که شما این مقاله را می‌خوانید، فضاپیمای اروپایی «لیزا» (LISA) روی یک موشک، آماده‌ی پرتاب شدن به فضا است. لیزا فضاپیمایی آزمایشی جهت تمرین و آزمون و خطا برای پروژه‌ی اصلی «ای‌لیزا» (eLISA) است. نخستین رصدخانه‌ی امواج گرانشی در فضا که قرار است در سال ۲۰۳۴ به فضا پرتاب شود.

رصدخانه‌ی «ای‌لیزا» در سال ۲۰۳۴ به فضا پرتاب می‌شود و اولین رصدخانه‌ی امواج گرانشی در فضا خواهد بود.

امواج گرانشی هیچ‌ربطی به صوت ندارند. آن‌ها با سرعت نور، یعنی ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. با این حال جزو طیف الکترومغناطیس، یعنی مثل امواج رادیویی و پرتوی ایکس نیستند. امواج گرانشی، نوسان‌هایی کوچک در پارچه‌ی فضا-زمان هستند. آن‌ها در رویدادهایی مثل انفجار ستاره‌ها یا گردش سیاه‌چاله‌ها در مدار یکدیگر ایجاد می‌شوند. هرچه جرم اجرام بیشتر و شتاب آن‌ها قوی‌تر باشد، امواج گرانشی هم قدرتمند‌تر می‌شوند. وقتی این امواج ساطع می‌شوند، انرژی را از سامانه خارج می‌کنند. این امواج در همه جای عالم طنین انداخته‌اند. شوتز می‌گوید: «آن‌ها همه جا حضور دارند، چرا که فضا همه جا هست.» امواج گرانشی با فرکانس‌های مختلفی ساطع می‌شوند؛ از کمتر از چند نانوهرتز گرفته تا چند کیلوهرتز.

دانشمندان دقیقا نمی‌دانند چه زمانی باید جشن صدسالگی پیش‌بینی امواج گرانشی را بگیرند. اینشتین اولین بار در سال ۱۹۱۶ به عنوان یکی از نتایج نسبیت عام، وجود این امواج را در مقاله‌ای پیش‌بینی کرد. با این حال این مقاله دارای یک اشکال ریاضی بود که اینشتین آن را در مقاله‌ای دیگر و سال ۱۹۱۸ اصلاح کرد. ولی او معتقد بود که این نوسانات خیلی کوچک هستند نمی‌توان آن‌ها را در پارچه‌ی فضا-زمان پیدا کرد.

تا اواسط دهه‌ی ۱۹۷۰، تعداد خیلی کمی از فیزیک‌دان‌ها به نسبیت عام اهمیت می‌دادند. یکی از آن‌ها «جوزف وبر» (Joseph Weber) بود. او توانست در اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ و اوایل دهه‌ی ۱۹۷۰، چند «استوانه‌ی رزونانسی» (Resonant Bar) بسازد. قرار بود این ستون‌ها به هنگام عبور امواج گرانشی با فرکانسی خاص، آن‌ها را آشکار کنند. ولی این دستگاه هیچ‌وقت موفق به کشف امواج گرانشی نشد. با این حال در سال ۱۹۷۴، تپ‌اختر دوتایی PSR B1913+16 کشف شد. این کشف و تحقیقات انجام شده روی آن، چنان بزرگ و مهم بود که کاشفان‌اش در سال ۱۹۹۳، جایزه‌ی نوبل گرفتند. اندازه‌گیری‌های دقیق از اثر داپلری این تپ‌اختر که در طول چند سال انجام شد، نشان داد دو ستاره‌ی این تپ‌اختر در حال نزدیک‌ شدن به یکدیگر هستند. این دو ستاره‌ی نوترونی با سرعتی معادل ۳٫۵ متر در سال به یکدیگر نزدیک می‌شوند و در حدود ۳۰۰ میلیون سال دیگر به هم می‌خورند. آن‌ها اکنون چیزی معادل ۷ کوادریلیون وات انرژی از دست می‌دهند! دقیقا همان میزان انرژی که انتظار می‌رود از طریق امواج گرانشی از دست بدهند. پیام این کشف واضح بود: امواج گرانشی وجود دارند. اکنون دانشمندان باید هوشیار باشند که بتوانند آن‌ها را به طور مستقیم مشاهده کنند.

دو ستاره‌ی نوترونی تپ‌اختر PSR B1913+16 تا ۳۰۰ میلیون سال دیگر به هم برخورد می‌کنند. بدین ترتیب امواج گرانشی خیلی عظیمی تولید می‌کنند.

فردریک راب با اطمینان می‌گوید که رصدخانه‌ی به روز رسانی شده‌ی لیگو آماده به کار است. نسخه‌های آزمایشی لیگو از سال ۲۰۰۲ در لوییزیانا و واشنگتن کار می‌کردند. در عرض هشت سالی که رصدخانه‌ی آزمایشی لیگو کار می‌کرد، نتوانست هیچ نوع امواج گرانشی را ثبت کند. ولی انتظار می‌رود لیگوی جدید که چند برابر حساس‌تر است، بتواند امواج گرانشی را آشکار کند. تکنیک آشکار‌سازی لیگو خیلی ساده است. دو پرتوی منسجم لیزر به درون دو تونل خلاء تابیده می‌شود. هرکدام از آن‌ها چهار کیلومتر طول دارد و این دو تونل در زاویه‌ای قائم نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند. در انتهای تونل‌ها آینه‌هایی بسیار دقیق وجود دارد که باعث می‌شود پرتوهای لیزر بارها در تونل بازتاب شوند و در عمل این پرتوها صدها کیلومتر راه بپیمایند. سپس این پرتوها به طریقی روی همدیگر قرار می‌گیرند که امواج بتوانند با یکدیگر تداخل مخرب داشته باشند. البته این در صورتی است که دو پرتو دقیقا مسافتی یکسان را پیموده باشند. اگر یک موج گرانشی قدرتمند از آزمایشگاه رد شود، فضا اندکی تاب برمی‌دارد و در نتیجه مسافتی که هر پرتو طی می‌کند اندکی دچار تغییر می‌شود. بدین ترتیب امواج پرتوی لیزر نمی‌توانند تداخل مخرب داشته باشند و در نتیجه دانشمندان متوجه عبور موج گرانشی می‌شوند.

رصدخانه‌ی امواج گرانشی «لیگو»، از دو پرتوی لیزر برای کشف عبور امواج گرانشی استفاده می‌کند.

مشکل این‌جاست که امواج گرانشی به طور غیر قابل تصوری ضعیف هستند. لیگو طوری طراحی شده که بتواند به امواج قدرتمندی که مثلا بر اثر برخورد دو ستاره‌ی نوترونی مثل چیزی که در PSR B1913+16 وجود دارد، حساس باشد. ولی پارچه‌ی فضا-زمان بسیار زمخت است و علی‌رغم انرژی خیلی زیاد بعضی رویدادهای کیهانی، نوسانات ایجاد شده در آن خیلی کوچک است. در حقیقت وقتی که یک موج گرانشی در اثر برخورد دو ستاره‌ی نوترونی در فاصله‌ی ۲۵ میلیون سال نوری از تونل ۴ کیلومتری آزمایشگاه لیگو عبور می‌کند، تغییری که در شکل فضا ایجاد می‌کند چیزی در حد کمتر از یک‌میلیاردم نانومتر است. بنابراین دانشمندان باید به خوبی بتوانند آینه‌ها را از لرزش‌های زمین‌شناختی در امان نگه دارند.

ولی رصدخانه‌ی پیشرفته‌ی لیگو لیزرهای قدرتمند و آینه‌ّهای بسیار پایدار و دقیقی دارد که می‌تواند امواج گرانشی ساطع شده از برخورد دو ستاره‌ی نوترونی در فاصله‌ی باورنکردنی ۵۰۰ میلیون سال نوری را آشکار کند. این یعنی اینکه لیگو می‌تواند ۵۰۰ میلیون سال نوری مکعب از فضا را زیر نظر بگیرد. جایی که تعداد خیلی زیادی کهکشان قرار گرفته و در هرکدام از آن‌ها ممکن است ستاره‌های نوترونی به یکدیگر برخورد کنند. بنابراین انتظار می‌رود در هر سال بتوانیم صدای برخورد چند ستاره‌ی نوترونی را بشنویم. دانشمندان باید بوسیله‌ی هر دو رصدخانه‌ی لیگو در واشنگتن و لوییزیانا، صدای برخورد را بشنوند تا بتوانند مطمئن شوند نویز محیط را به جای امواج گرانشی واقعی دریافت نکرده‌اند. البته زمانی که رصدخانه‌های موجود در آلمان، ایتالیا، ژاپن و هند به آن‌ها ملحق شوند، باز هم رصدها دقیق‌تر می‌شود و بدین ترتیب دانشمندان می‌توانند مکان دقیق برخورد ستاره‌ّهای نوترونی را شناسایی کنند و تلسکوپ‌های نوری را در پی کشف آن‌ها بفرستند.

ولی آیا واقعا تداخل‌سنج‌هایی مثل لیگو اولین کاشفان خواهند بود؟ شاید خیر. اخترشناسان رادیویی روش کاملا متفاوتی را برای کشف امواج گرانشی انتخاب کرده‌اند. آن‌ها از تپ‌اخترها در کهکشان راه‌شیری استفاده می‌کنند. اگر پارچه‌ی فضا-زمان مرتب دچار نوسان می‌شود، بنابراین این نوسان را باید به صورت یک سری بی‌نظمی‌ها در پالس‌هایی که تپ‌اخترها ارسال می‌کنند ببینیم؛ چرا که بدین ترتیب به دلیل تغییر شکل فضا-زمان، فاصله‌ی تپ‌اخترها به ما مرتب در حال تغییر است. با زیر نظر قرار دادن تعدادی از تپ‌اخترهای نزدیک که فاصله‌ی دقیق آن‌ها را می‌دانیم، می‌توانیم چنین بی‌نظمی‌هایی را مشاهده کنیم. مثل این است که بخواهید برای کشف امواج روی سطح یک دریاچه، بالا و پایین رفتن اجسام شناور روی آب را زیر نظر بگیرید؛ این راه‌حل آسان و ارزان به نظر می‌رسد.

باز زیر نظر قرار دادن تپ‌اخترها بوسیله‌ی تلسکوپ‌های رادیویی، ممکن است بتوانیم متوجه عبور امواج گرانشی بزرگ بشویم.

البته این راه آن‌قدرها هم که به نظر می‌رسد ساده نیست. «راین شانون» (Ryan Shannon) از «سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی همسود» (CSIRO) استرالیا می‌گوید عوامل خیلی زیاد دیگری وجود دارد که می‌تواند لحظه‌ی رسیدن امواج تپ‌اخترها به ما را تحت تاثیر قرار دهد و نامنظم کند. اخترشناسان باید همه‌ی این عوامل را بشناسند و آن‌ها را در نظر بگیرند. در ضمن ما هنوز فاصله‌ی دقیق بسیاری از تپ‌اخترها را نمی‌دانیم. با این حال اگر بتوانیم این کار را انجام دهیم، بسیار عالی خواهد شد. اخترفیزیک‌دان‌ها این ایده که با نام «آرایه‌ی زمان‌سنجی تپ‌اختر» (PTA) شناخته می‌شود را خیلی دوست دارند. هرچند رصدخانه‌هایی مثل لیگو امواج با فرکانس خیلی زیاد برخورد ستاره‌های نوترونی را آشکار می‌کنند، روش PTA می‌تواند امواج با فرکانس کم و طول موج زیاد سیاه‌چاله‌های دوتایی در کهکشان‌های دوردست را رهگیری کند.

اکنون برنامه‌هایی برای کشف امواج به این صورت در جریان است. مثلا در اروپا پروژه‌ی EPTA و در آمریکا پروژه‌ی NANOGrav روی این ایده کار می‌کنند. در استرالیا نیز پروژه‌ی PPTA وجود دارد و این سه با یکدیگر «آرایه‌ی زمان‌سنجی تپ‌اختر بین‌المللی» (IPTA) را تشکیل می‌دهند. کسانی که روی این پروژه‌ها کار می‌کنند امیدوار هستند بتوانند به زودی امواج گرانشی را کشف کنند.

بسیار خوب فرض کنید که ما اکنون در شرف کشف بزرگ امواج گرانشی هستیم و تا چند سال دیگر، پیش‌بینی اینشتین محقق می‌شود، بعد از آن چکار می‌کنیم؟ بیایید به ناگهان دو دهه جلو برویم. جایی در اروپا، کارگران در حال کندن زمین برای ساخت رصدخانه‌ای به نام «تلسکوپ اینشتین» هستند. یک رصدخانه‌ی آشکارکننده‌ی امواج گرانشی مثل لیگو که البته چند برابر از آن قدرتمندتر است و تونل‌های آن هرکدام ۱۰ کیلومتر طول دارند. این رصدخانه می‌تواند صدای برخورد ستاره‌های نوترونی را از چند میلیارد سال نوری دورتر بشنود. در همین حال، سازمان فضایی اروپا قصد دارد تا چند روز دیگر رصدخانه‌ی فضایی امواج گرانشی eLISA را به فضا پرتاب کند. «جاناتان گیر» (Jonathan Gair) از دانشگاه کمبریج می‌گوید: «ای‌لیزا می‌تواند امواج با فرکانس میلی‌هرتز را آشکار کند. این امواج به خاطر لرزش‌های زمین، نمی‌توانند از رصدخانه‌های زمینی رصد شوند.» این رصدخانه می‌تواند امواج گرانشی حاصل از سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در هسته‌ی کهکشان‌ها تا هزاران ستاره‌ی دوتایی در کهکشان ما را آشکار کند. شاید هم بتواند صدای ریسمان‌های کیهانی را بشنود.

رصدخانه‌ی تا دو دهه‌ی دیگر رصدخانه‌ی امواج گرانشی عظیم اینشتین ساخته شود.

پروژه‌ی ای‌لیزا از سه فضاپیمای مجزا که در آرایه‌ای مثلثی شکل قرار می‌گیرند، استفاده می‌کند. این سه فضاپیما در فاصله‌ی یک کیلومتری یکدیگر قرار می‌گیرند و پرتوهای لیزر را به سوی یکدیگر می‌فرستند تا تداخل‌سنجی خیلی بزرگ شکل بگیرد. فضاپیمای لیزا که قرار است اندکی دیگر پرتاب شود، در حقیقت ماموریتی آزمایشی برای تست فناوری‌های مورد استفاده در ای‌لیزا است.

تا بیست سال دیگر حتما به جاهای خیلی خوبی در حوزه‌ی اخترشناسی امواج گرانشی رسیده‌ایم. آن زمان می‌توانیم با استفاده از اطلاعاتی که از این حوزه بدست می‌آوریم، چیزهای زیادی را از مهبانگ گرفته تا برخورد کهکشان‌ها، انفجار ابرنواختری، انفجارهای پرتوی گاما و ستاره‌های دوتایی بفهمیم. در سال ۱۹۱۵ چه کسی می‌توانست آن را تصور کند؟

منبع: ماهنامه‌ی اسکای‌ اند تلسکوپ، شماره‌ی دسامبر ۲۰۱۵