صورة Arial ليغو. اضغط للتكبير.
في الماضي ، كان الفلكيون يرون السماء فقط في الضوء المرئي ، مستخدمين أعينهم كمستقبلات. ولكن ماذا لو كان لديك عيون الجاذبية؟ تنبأ أينشتاين بأن الأجسام والأحداث الأكثر تطرفًا في الكون يجب أن تولد موجات الجاذبية ، وتشوه الفضاء حولها. يمكن أن تقوم تجربة جديدة تسمى مرصد موجات التداخل بالليزر (أو LIGO) بالكشف الأول عن موجات الجاذبية هذه.
الاستماع إلى المقابلة: الرؤية بعيون الجاذبية (7.9 MB)
أو اشترك في البودكاست: universetoday.com/audio.xml
ما هو البودكاست؟
فريزر كين: حسنًا ، ما هي موجة الجاذبية؟
دكتور سام والدمان: إذن يمكن تفسير موجة الجاذبية إذا تذكرت أن الكتلة تشوه الزمكان. لذا إذا كنت تتذكر تشابه الورقة التي تم سحبها مشدودة مع كرة البولينج في منتصف الورقة ، ثني الورقة ؛ حيث تكون كرة البولينج كتلة وتمثل الورقة الزمكان. إذا قمت بتحريك كرة البولينج ذهابًا وإيابًا بسرعة كبيرة ، فسوف تصنع تموجات في الورقة. وينطبق الشيء نفسه على الجماهير في عالمنا. إذا قمت بتحريك نجم ذهابًا وإيابًا بسرعة كبيرة ، فسوف تصنع تموجات في الزمكان. ويمكن ملاحظة تلك التموجات في الزمكان. نسميها موجات الجاذبية.
فريزر: الآن إذا كنت أتجول في الغرفة ، فهل سيؤدي ذلك إلى موجات الجاذبية؟
د. والدمان: حسنًا. بقدر ما نعلم ، تعمل الجاذبية على جميع المستويات ولجميع الكتل ، لكن الزمكان قاسي جدًا. لذا فإن شيئًا مثل 200 رطل تتحرك في مكتبي لن يسبب موجات الجاذبية. المطلوب هو أشياء ضخمة للغاية تتحرك بسرعة كبيرة. لذلك عندما نتطلع لاكتشاف موجات الجاذبية ، فإننا نبحث عن أجسام الكتلة الشمسية. على وجه الخصوص ، نبحث عن النجوم النيوترونية ، التي تتراوح بين 1.5 و 3 كتل شمسية. نحن نبحث عن ثقوب سوداء تصل إلى عدة مئات من الكتل الشمسية. ونتطلع إلى أن تتحرك هذه الأشياء بسرعة كبيرة. لذلك عندما نتحدث عن نجم نيوتروني ، فإننا نتحدث عن نجم نيوتروني يتحرك بسرعة الضوء تقريبًا. في الواقع ، يجب أن تهتز بسرعة الضوء ، لا يمكن أن تتحرك فحسب ، بل يجب أن تهتز ذهابًا وإيابًا بسرعة كبيرة. لذا ، فهي أنظمة كارثية فريدة جدًا وضخمة جدًا نبحث عنها.
فريزر: موجات الجاذبية نظرية بحتة ، أليس كذلك؟ تنبأ بها آينشتاين ، لكن لم تتم رؤيتها بعد؟
د. والدمان: لم يتم ملاحظتها ، لقد تم استنتاجها. هناك نظام النجم النابض الذي يتدهور تردده بمعدل يتفق مع انبعاث موجات الجاذبية. هذا هو PSR 1913 + 16. وأن مدار هذا النجم يتغير. هذا استدلال ، لكن بالطبع ، هذه ليست ملاحظة مباشرة لموجات الجاذبية. ومع ذلك ، من الواضح تمامًا أنه يجب أن تكون موجودة. إذا كانت قوانين أينشتاين موجودة ، وإذا كانت النسبية العامة تعمل ، وتعمل بشكل جيد جدًا في مقاييس الطول ، فإن موجات الجاذبية موجودة أيضًا. إن رؤيتها صعبة للغاية.
فريزر: ما الذي يتطلبه الأمر للكشف عنها؟ يبدو أنها أحداث كارثية للغاية. الثقوب السوداء الكبيرة والنجوم النيوترونية تتحرك ، لماذا يصعب العثور عليها؟
د. والدمان: هناك مكونان لذلك. شيء واحد هو أن الثقوب السوداء لا تصطدم طوال الوقت ، والنجوم النيوترونية لا تهتز في أي مكان قديم. لذا فإن عدد الأحداث التي يمكن أن تسبب موجات جاذبية يمكن ملاحظتها هو في الواقع صغير جدًا. نتحدث الآن ، على سبيل المثال ، عن مجرة درب التبانة بحدث واحد يحدث كل 30-50 سنة.
لكن الجزء الآخر من هذه المعادلة هو أن موجات الجاذبية نفسها صغيرة جدًا. لذلك يقدمون ما نسميه سلالة. هذا تغيير في الطول لكل وحدة طول. على سبيل المثال ، إذا كان لديّ مقياس معياري بطول متر واحد ، وستعمل موجة الجاذبية على إسقاط عصا القياس هذه عند مرورها. لكن المستوى الذي ستسحق فيه عصا القياس صغير للغاية. إذا كان لدي مقياس قياس متر واحد ، فسوف يؤدي فقط إلى تغيير 10e-21 متر. لذا فهو تغيير صغير جدًا. بطبيعة الحال ، فإن مراقبة 10e-21 متر هو التحدي الأكبر في مراقبة موجة الجاذبية.
فريزر: إذا كنت تقيس طول المقياس باستخدام مقياس آخر ، فإن طول المقياس الآخر سيتغير. أستطيع أن أرى أنه من الصعب القيام به.
دكتور والدمان: بالضبط ، إذن لديك مشكلة. الطريقة التي نحل بها مشكلة المقياس هو أن لدينا في الواقع معياران ، ونقوم بتشكيلهما في شكل L. والطريقة التي نقيس بها استخدام الليزر. والطريقة التي رتبنا بها معيارنا هي في الواقع "L" بطول 4 كم. هناك ذراعان ، طول كل منهما 4 كيلومترات. وفي نهاية كل ذراع ، توجد كتلة اختبار كوارتز بسعة 4 كيلوجرام نرتد منها الليزر. وعندما تأتي موجة الجاذبية من خلال هذا الكاشف على شكل حرف "L" ، فإنها تمد إحدى ساقيها بينما تتقلص ساقها الأخرى. وهو يفعل ذلك على سبيل المثال 100 هرتز ، ضمن الترددات الصوتية. لذا إذا استمعت إلى حركة هذه الجماهير ، فستسمع صوت طنين عند 100 هرتز. وبالتالي فإن ما نقيسه باستخدام أشعة الليزر لدينا هو طول الذراع التفاضلي لمقياس التداخل الكبير على شكل حرف "L". هذا هو السبب في أنه LIGO. إنه مرصد موجات التداخل بالليزر.
فريزر: دعنا نرى ما إذا كنت أفهم هذا بشكل صحيح. منذ مليارات السنين تصادم ثقب أسود مع آخر ويولد مجموعة من موجات الجاذبية. تعبر موجات الجاذبية هذه الكون وتغسل عبر الأرض. أثناء مرورهم عبر الأرض ، يطولون أحد هذه الأذرع ويقلصون الذراع الأخرى ، ويمكنك اكتشاف هذا التغيير عن طريق ارتداد الليزر ذهابًا وإيابًا.
د. والدمان: هذا صحيح. التحدي ، بالطبع ، هو أن تغيير الطول صغير للغاية. في حالة مقاييس التداخل التي يبلغ طولها 4 كم ، فإن تغيير الطول الذي نقيسه الآن هو 10e-19 متر. ولوضع مقياس لذلك ، يبلغ قطر النواة الذرية 10e-15 متر فقط. لذا فإن حساسيتنا هي ذرية.
فريزر: ما أنواع الأحداث التي يمكنك اكتشافها في هذه المرحلة؟
د. والدمان: هذه منطقة رائعة حقًا. التشابه الذي نرغب في استخدامه يشبه النظر إلى الكون بموجات الراديو كان النظر إلى الكون باستخدام التلسكوبات. الأشياء التي تراها مختلفة تمامًا. أنت حساس تجاه نظام مختلف تمامًا للكون. على وجه الخصوص ، LIGO حساسة لهذه الأحداث الكارثية. نصنف أحداثنا في 4 فئات واسعة. أول ما نسميه انفجارات ، وهذا يشبه تشكيل ثقب أسود. لذا يحدث انفجار مستعر أعظم ، وتتحرك الكثير من المادة بسرعة كبيرة بحيث تشكل ثقوبًا سوداء ، لكنك لا تعرف كيف تبدو موجات الجاذبية. كل ما تعرفه هو أن هناك موجات جاذبية. هذه أشياء تحدث بسرعة كبيرة. تستمر لمدة 100 مللي ثانية على الأكثر ، وتأتي من تكوين ثقوب سوداء.
حدث آخر ننظر إليه هو عندما يكون هناك جسمان في مدار مع بعضهما البعض ، على سبيل المثال نجمان نيوترونيان يدوران حول بعضهما البعض. في النهاية ، يتحلل قطر ذلك المدار. سوف تلتحم النجوم النيوترونية ، وسوف تسقط في بعضها البعض وتشكل ثقبًا أسود. وبالنسبة للمدارات القليلة الأخيرة ، فإن النجوم النيوترونية (ضع في اعتبارك أنها كائنات تزن 1.5 إلى 3 كتل شمسية) ، تتحرك عند أجزاء كبيرة من سرعة الضوء ؛ يقول 10٪ ، 20٪ من سرعة الضوء. وهذه الحركة هي مولد فعال للغاية لموجات الجاذبية. هذا ما نستخدمه كشمعتنا القياسية. هذا ما نعتقد أننا نعرف أنه موجود ، نحن نعلم أنهم موجودون هناك ، لكننا لسنا متأكدين من عددهم في أي وقت. لسنا متأكدين من شكل النجم النيوتروني في شكل حلزوني في موجات الراديو أو الأشعة السينية في الإشعاع البصري. لذلك من الصعب قليلاً حساب عدد المرات التي سترى فيها إما دوامة أو مستعر أعظم.
فريزر: هل ستتمكن الآن من تحديد اتجاهها؟
د. والدمان: لدينا مقياسان للتداخل. في الواقع ، لدينا موقعان وثلاثة مقاييس تداخل. يوجد مقياس تداخل في ليفينغستون لويزيانا ، التي تقع شمال نيو أورليانز مباشرة. ويقع مقياس التداخل الآخر في ولاية واشنطن الشرقية. نظرًا لأن لدينا مقياسين للتداخل ، يمكننا إجراء التثليث في السماء. ولكن هناك بعض الغموض المتبقي في مكان المصدر بالضبط. هناك تعاونات أخرى في العالم نعمل معها عن كثب في ألمانيا وإيطاليا واليابان ، ولديها أيضًا أجهزة كشف. لذا ، إذا شهدت أجهزة الكشف المتعددة في مواقع متعددة موجة جاذبية ، فيمكننا القيام بعمل جيد جدًا في التوطين. الأمل هو أن نرى موجة جاذبية ونعرف من أين تأتي. ثم نخبر زملائنا في الفلك الراديوي وزملائنا في الفلك بالأشعة السينية ، وزملائنا في الفلك البصري أن نلقي نظرة على ذلك الجزء من السماء.
فريزر: هناك بعض المقاريب الكبيرة الجديدة في الأفق. ماجلان كبيرة للغاية وكبيرة بشكل كبير ... التلسكوبات الكبيرة التي تنزل من الأنبوب بميزانيات كبيرة إلى حد ما لإنفاقها. لنفترض أنه يمكنك العثور على موجات الجاذبية بشكل موثوق ، فهي تقريبًا تضيف طيفًا جديدًا لاكتشافنا. إذا تم وضع ميزانيات كبيرة في بعض أجهزة كشف موجات الجاذبية هذه ، فما الذي تعتقد أنه يمكن استخدامها من أجله؟
د. والدمان: حسنًا ، كما قلت من قبل ، كان الأمر أشبه بالثورة في علم الفلك عندما ظهرت التلسكوبات اللاسلكية لأول مرة. نحن ننظر إلى فئة مختلفة بشكل أساسي من الظواهر. يجب أن أقول أن مختبر LIGO هو مختبر كبير إلى حد ما. لدينا أكثر من 150 عالمًا يعملون ، لذا فهو تعاون كبير. ونأمل في التعاون مع جميع علماء الفلك البصري والإذاعي ونحن نمضي قدمًا. ولكن من الصعب قليلاً التكهن بالمسار الذي سيتخذه العلم. أعتقد أنه إذا تحدثت إلى الكثير من النسبية العامة ، فإن الميزة الأكثر إثارة لموجات الجاذبية هي أننا نقوم بشيء يسمى النسبية العامة الميدانية القوية. هذا هو كل النسبية العامة التي يمكنك قياسها بالنظر إلى النجوم والمجرات ضعيفة جدًا. لا يوجد الكثير من الكتلة المعنية ، إنها لا تتحرك بسرعة كبيرة. على مسافات كبيرة جدًا. بينما عندما نتحدث عن اصطدام الثقب الأسود والنجم النيوتروني ، فإن الجزء الأخير جدًا ، عندما يقع النجم النيوتروني في الثقب الأسود ، يكون عنيفًا للغاية ويبحث في عالم النسبية العامة الذي ليس فقط يمكن الوصول إليها من خلال التلسكوبات العادية ، مع الراديو ، بالأشعة السينية. لذا فإن الأمل هو أن هناك بعض الفيزياء الجديدة والمثيرة بشكل أساسي هناك. أعتقد أن هذا هو ما يحفزنا في المقام الأول ، يمكنك تسميته ، المرح مع النسبية العامة.
فريزر: ومتى تأمل أن يكون أول كشف لك.
د. والدمان: إذن ، مقاييس التداخل LIGO - جميع مقاييس التداخل الثلاثة - التي يعمل بها LIGO تعمل جميعها بحساسيات التصميم ، ونحن حاليًا في منتصف تشغيل S5 الخاص بنا ؛ جولتنا العلمية الخامسة ، والتي تستمر لمدة عام. كل ما نقوم به لمدة عام هو محاولة البحث عن موجات الجاذبية. كما هو الحال مع الكثير من الأشياء في علم الفلك ، معظمها ينتظر ويرى. إذا لم تنفجر المستعر الأعظم ، فلن نراه بالطبع. ولذا يجب أن نكون على الإنترنت لأطول فترة ممكنة. يُعتقد أن احتمالية مراقبة حدث ما ، مثل حدث السوبرنوفا ، تقع في منطقة - بحساسيتنا الحالية - يُعتقد أننا سنشاهد حدثًا كل 10 إلى 20 عامًا. هناك نطاق كبير. في الأدبيات ، هناك أشخاص يدعون أننا سنشاهد العديد في السنة ، ثم هناك أشخاص يدعون أننا لن نرى أي شخص في حساسيتنا. والأرض الوسطى المحافظة مرة كل 10 سنوات. من ناحية أخرى ، نقوم بترقية أجهزة الكشف لدينا بمجرد انتهاء هذا التشغيل. ونقوم بتحسين الحساسية بعامل 2 ، مما سيزيد من معدل الكشف لدينا بعامل 2 مكعب. لأن الحساسية نصف قطر ، ونحن نستكشف حجمًا في الفضاء. مع عامل 8-10 في معدل الكشف ، يجب أن نشهد حدثًا مرة واحدة كل عام أو نحو ذلك. وبعد ذلك ، نقوم بالترقية إلى ما يسمى Advanced LIGO ، وهو عامل من عوامل تحسن في الحساسية 10. في هذه الحالة ، سنرى بالتأكيد موجات الجاذبية مرة واحدة يوميًا أو نحو ذلك ؛ كل 2-3 أيام. تم تصميم تلك الأداة لتكون أداة حقيقية للغاية. نريد القيام بعلم الفلك بالجاذبية. لرؤية الأحداث كل بضعة أيام. سيكون الأمر مثل إطلاق القمر الصناعي Swift. بمجرد ارتفاع Swift ، بدأنا في رؤية انفجارات أشعة جاما طوال الوقت ، وسيكون LIGO المتقدم متشابهًا.
