راهنمای کائنات برای مبتدیان (بخش ۱)؛ امواج گرانشی

موج گرانشی، خمیدگی ساختار فضا-زمان است. وجود این امواج را آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ پیش بینی کرد اما سال بعد نظرش عوض شد و این پیش‌بینی را پس گرفت ولی دوباره آن را در سال ۱۹۳۶ مطرح کرد. امواج گرانشی پیش‌بینی نظریه انقلابی گرانش اینشتین، نسبیت عام بود که او در نوامبر ۱۹۱۵ در اوج جنگ جهانی اول در برلین ارائه کرد.
 
آیساک نیوتن بر این باور بود که بین زمین و خورشید "نیروی" جاذبه وجود دارد که باعث گردش زمین به دور خورشید می‌شود؛ انگار که یک کش از خورشید به زمین کشیده شده و زمین را برای همیشه در مدار خورشید نگه می‌دارد. انیشتین نشان داد که این تصور باطلی بیش نیست.
 
چنین نیرویی وجود ندارد، در عوض، خورشید "دره‌ای" در فضا-زمان اطرافش ایجاد می‌کند و زمین در لبه این دره حرکت می‌کند، مثل توپی که در چرخ رولت کازینو می‌چرخد.
 
ما نمی‌توانیم فضا-زمان را ببینیم چون فضا-زمان ترکیب یکپارچه‌ای است از سه بعد فضا (طول، عرض و ارتفاع) و بعد زمان؛ فضا-زمان چهار بعدی است اما ما موجوداتی سه بعدی هستیم؛ به همین دلیل هم به نابغه‌ای مثل انشتین نیاز بود.
 
او فهمید ما فکر می‌کنیم که ماده تحت تاثیر نیروی گرانش حرکت می‌کند؛ در واقع ماده در خمیدگی فضا-زمان حرکت می‌کند.
 
فیزیکدان آمریکایی جان ویلر می‌گوید: "ماده به فضا-زمان می‌گوید که چگونه تاب بردارد و خمیدگی فضا-زمان به ماده می‌گوید که چگونه حرکت کند."
وقتی از خمیدگی، تاب برداشتن یا چین خوردن فضا-زمان صحبت می‌کنیم (نسبیت عام)، درباره چیزی شبیه این حرف می‌زنیم. اجرام فضایی مثل زمین یا خورشید در ساختار فضا-زمان چین، تاب یا گودی ایجاد می‌کنند و وقتی که در مدار خود حرکت می‌کنند این تاب فضا-زمان هم حرکت می‌کند، بر خلاف نظر نیوتن که انگار نیرویی زمین را به سمت خورشید می‌کشد  بر اساس فرضیه نسبیت عام، فضا-زمان پس‌زمینه منفعل رویدادهای عالم نیست، بلکه خودش "چیزی" است که در حضور ماده می‌تواند خمیده شود، کش بیاید و تاب بردارد. اینشتین این بحث را مطرح کرد که اگر فضا-زمان می‌تواند اینگونه تاب بردارد پس می‌تواند مثل لرزانک هم بجنبد. وقتی چنین اتفاقی می‌افتد موجی در فضا-زمان گسترش پیدا می‌کند، مثل دایره‌های هم مرکزی که انداختن سنگ در برکه ایجاد می کند، این موج همان موج گرانشی است.
امواج گرانشی چگونه به وجود می‌آیند؟
دستتان را در هوا تکان دهید. شما همین الان امواج گرانشی ایجاد کردید؛ چینی در فضا-زمان انداختید که مثل موج دور می‌شود. اکنون این امواج از کره زمین رفته و از ماه گذشته‌اند. در واقع آنها اکنون در راه مریخ هستند. چهار سال دیگر به نزدیکترین منظومه ستاره‌ای به منظومه شمسی خودمان می‌رسند. ما می‌دانیم که سیاره‌ای به دور یکی از سه ستاره آلفا قنطورس می‌گردد. اگر این سیاره، میزبان یک تمدن صاحب تکنولوژی باشد و تا ابتدای سال ۲۰۲۲ هم موفق شده باشد آشکارساز امواج گرانشی بسازد، امواج گرانشی را که شما با دستتان چند لحظه پیش ایجاد کردید، ردیابی خواهد کرد. البته توجه داشته باشید که این آشکارساز امواج گرانشی باید بی‌اندازه حساس باشد. امواج گرانشی وقتی سرعت جرم تغییر می‌کند، یا "شتاب" می‌گیرد، تولید می‌شوند و بی‌نهایت ضعیف هستند، چون خود گرانش خیلی ضعیف است. به همین قیاس می‌توان گفت که فضا-زمان خیلی سفت و محکم است.
 
فرض کنید پوست طبلی را با چیزی که یک ملیارد میلیارد بار محکمتر از آهن است عوض کنید. این استحکام فضا-زمان است. این سفتی بی‌حد، به این معناست که فقط شدیدترین حرکت‌ها مثل ادغام دو جسم ابرچگال مثل ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها می‌توانند امواج گرانشی قابل ملاحظه ایجاد کنند.
امواج گرانشی چگونه ردیابی می شوند؟
موج گرانشی در مسیر خود زمان را در یک جهت کش می‌دهد و در جهتی عمود بر آن، زمان را فشرده می‌کند و بالعکس؛ این مرتب تکرار می‌شود. تاثیر امواج حاصل از ادغام دو سیاهچاله بر کره زمین بی‌اندازه کوچک است، معمولا مثل این است که طول جسمی به اندازه یک میلیارد میلیاردیم خودش تغییر کند. برای اندازه گرفتن تاثیری به این کوچکی به یک خط کش بزرگ نیاز است و اینجاست که رصدخانه امواج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری، لایگو (LIGO) وارد می‌شود؛ یکی از شگفتی‌های فناوری قرن بیستم.
 
در هنفورد در ایالت واشنگتن یک خط‌‌ کش چهارکیلومتری از جنس نور لیزر قرار دارد و یک خط کش کاملا مشابه سه هزار کیلومتر آن سوتر در لیوینگستون در ایالت لوئیزیانا.
دو رصدخانه امواج گرانشی (لایگو) در لیوینگستون و هنفورد ۳۲۰۰ کیلومتر با هم فاصله دارند  در این دو رصدخانه در دو تونل، دو لوله خلا به قطر ۱.۲ متر، عمود بر هم وجود دارد؛ خلا این لوله‌ها حتی از فضا هم خالی‌تر است. در انتهای هر تونل، نور به یک آینه ۴۲ کیلوگرمی برخورد می‌کند، آینه‌ها از فیبرهای نوری آویزانند که قطر آنها دو برابر موی انسان است. آینه‌ها آنقدر بی‌نقصند که ۹۹.۹۹۹ درصد نور را برمی‌گردانند. تکان جزئی این آینه‌های معلق است که از عبور موج گرانشی خبر می دهد.
 
در این رصدخانه‌ها، نور لیزر دو قسمت شده و هر کدام به یک تونل ارسال می‌شود و بعد آینه ها آنها را بازمی‌تابند و در مسیر برگشت با هم دوباره ترکیب می‌شوند.
 
اگر بیشینه (قله) دو موج نور با هم تلاقی کند نور دریافت شده شدت پیدا می‌کند. اگر بیشینه یک موج با کمینه (قعر) موج دیگر منطبق شود، همدیگر را خنثی می‌کنند. بنابراین رصدخانه لایگو به تغییر طول یک خط‌ کش به نسبت خط‌ کش دیگر -در حد کسری از طول موج نور- حساس است. نوآوری‌های بسیاری به کار گرفته شده و دقت این اندازه‌گیری را به صد هزارم قطر اتم رسانده است.
دو رصدخانه گرانشی به فاصله ۳۲۰۰ کیلومتر از هم در آمریکا قرار دارند. هر لایگو از یک منبع لیزر، دو محفظه خلا با دو آینه در انتهای آنها و یک آشکارساز نور تشکیل شده است. نور لیزر به پرتوشکاف تابانده می شود. پرتوشکاف نور لیزر را شکافته و به دو محفظه خلا می فرستد که هر یک چهار کیلومتر طول دارند. آینه‌ها در انتهای دو محفظه نور را بازمی نابانند. اگر دو پرتو بازگشتی به دلیل تاثیر امواج گرانشی بر هم منطبق نشوند، آشکارساز نور آن را نشان خواهد داد چهارده سپتامبر سال ۲۰۱۵، ساعت پنج و پنجاه و یک دقیقه صبح به وقت شرق آمریکا ابتدا در لیوینگستون و ۶.۹ هزارم ثانیه بعد در هنفورد، این خط‌کشها به اندازه صدهزارم قطر اتم درازتر و کوتاهتر شدند و به این ترتیب برای اولین بار امواج گرانشی مستقیما ردیابی شدند.
منشا امواج گرانشی
ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها نهایت تکامل ستاره‌های بزرگ‌جرم هستند. وقتی ابرنواخترها منفجر می‌شوند، هسته آنها، کاملا بر عکس، در خود فروفشرده می‌شود. اگر جرم هسته از حد مشخصی کمتر باشد -سفتی نوترون‌ها که به اصلاح یک خاصیت کوانتومی است- می‌تواند این در خود جمع‌شدن را متوقف کند، درنتیجه ستاره‌ای تقریبا به اندازه کوه اورست چنان فشرده می‌شود که تکه‌ای از آن به اندازه یک حبه قند، به اندازه تمام نژاد بشر وزن خواهد داشت. اگر جرم هسته از حد مشخصی بیشتر باشد، هیچ نیرویی نمی‌تواند جلوی جمع شدن آن را بگیرد، ستاره در خود فرو می‌ریزد و تبدیل به سیاه‌چاله می‌شود.
 

 
بیشتر ستاره‌ها دوقلو متولد می‌شوند، اما خورشید ما استثنای نادری است. انتظار این است که بیشتر ستاره‌های بزرگ‌جرم دوقلو در پایان عمر تبدیل شوند به: دو سیاهچاله یا دو ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله که دور یک ستاره نوترونی می‌گردد. این که ستاره‌ها به دور یکدیگر می‌گردند و سرعتشان تغییر می‌کند یا به عبارت دیگر شتاب دارند، به این معنی است که می‌توانند امواج گرانشی ساطع کنند و این شیره انرژی مداری ستاره را می‌کشد. در نتیجه ستاره‌ها در مسیری مارپیچ به سمت هم می‌روند، ابتدا آهسته و هر چه بگذرد سریعتر و سریعتر. این پدیده را که تپ اختر دوتایی نام دارد، نخستین برای راسل هالس و جوزف تیلور در سال ۱۹۷۴ مشاهده کردند که برایشان به دلیل اولین ردیابی غیر مستقیم امواج گرانشی، جایزه نوبل به ارمغان آورد. اولین ردیابی مستقیم امواج گرانشی ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ اتفاق افتاد و منشا آن دو سیاهچاله با ۲۹ و ۳۶ برابر جرم خورشید در کهکشانی در فاصله ۱.۳ میلیارد سال نوری بودند. احتمال دارد که این دو بیشتر عمر کائنات را در حال حرکت مارپیچی به سمت هم گذرانده باشند. اما فقط وقتی آنها به حدود ده دوازده دور آخر رسیدند -با نصف سرعت نور- امواج گرانشی‌شان آنقدر قوی بود که ما بتوانیم آن را از کره زمین رصد کنیم. ابتدا یک "جیرجیر" رصد شد که تقریبا حدود ۱۵ هزارم ثانیه طول کشید. بعد وقتی فضا-زمان زیر فشار تاب برداشت و در هم پیچیده شد، فوران نهایی و پرقدرت امواج گرانشی رخ داد و دو سیاهچاله به هم بوسه زدند و در هم ادغام و تبدیل به یک سیاهچاله عظیم شدند.
 
تا به حال شش فوران امواج گرانشی رصد شده که پنج تای آن محصول ادغام سیاهچاله‌ها بوده اما در ۱۷ اوت سال ۲۰۱۷، امواج گرانشی رصد شدند که ناشی از ادغام دو ستاره نوترونی بودند. امواج گرانشی به ما چه می‌گویند؟
امواج گرانشی این قابلیت را دارند که ما را به نظریه گرانشی بهتر و عمیقتری رهنمون کنند. ما می‌دانیم که نظریه انیشتین در تکینگی مرکز سیاهچاله و در مبدا زمان - بیگ بنگ- که چگالی بی‌نهایت است دیگر جواب نمی‌دهد. ما امیدواریم که امواج گرانشی ما را به نظریه کوانتومی گرانشی برساند که مدتها است به دنبالش هستیم.
 
امواج گرانشی همچنین این قابلیت را دارند که رفتار ماده ابرچگال را در داخل ستاره نوترونی برای ما فاش کنند. آنها از تولد کائنات هم به ما می‌توانند خبر دهند. در مدل استاندارد، کائنات در اولین کسرهای ثانیه بعد از به وجود آمدن، دچار انفجاری بی‌اندازه عظیم شده به نام تورم کیهانی. تورم کیهانی در کائنات امروز یک صدای پس‌زمینه از امواج گرانشی بی‌نهایت کهن باقی گذاشته که ما ممکن است بتوانم آنها را رصد و رمزگشایی کنیم. امواج گرانشی انگار یک "حس" به حواس ما اضافه می‌کند. ما همیشه قادر بوده‌ایم با چشم یا تلسکوپ کائنات را ببینیم اما اکنون برای اولین بار می‌توانیم صدای آن را نیز بشنویم. امواج گرانشی "صدای فضا" هستند. آنچه تا به حال شنیده‌ایم صداهایی بوده‌اند در لبه مرز شنیدن. کسی نمی‌داند ارکستر کائنات چه صدایی دارد اما با بهترشدن حساسیت حسگرهایمان، امیدواریم چیزهایی را کشف کنیم که حتی کسی خوابش را هم ندیده است.
*درباره نویسنده
*مارکوس چٌن اخترشناس رادیویی موسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا بوده و اکنون به عنوان نویسنده و کارشناس علمی فعالیت می‌کند. او چندین کتاب در فیزیک نظری نوشته که آخرین آن -ظهور گرانش- برنده جایزه بهترین کتاب علمی سال ۲۰۱۷ نشریه ساندی تایمز شده است. او در برنامه‌های متعدد تلویزیونی و رادیویی شرکت داشته و برای تولید اپلیکیشن منظومه شمسی برای آی‌پد برنده جایزه نوآوری شده است.