۱۳۹۶ جمعه ۲۸ مهر
شماره‌های پیشین:
شماره ۲۹۸۴ - ۱۳۹۶ پنج شنبه ۲۰ مهر
درباره دستاوردهای برندگان نوبل فیزیک 2017
لرزه‌هایی از جهان زیرین

از زمان اعلام کشف نخستین موج گرانشی در ۲۲ بهمن ۱۳۹۴، حدس می‌زدند که جایزه نوبل ۲۰۱۶ به ایده‌پردازان و مجریان طرح «تداخل‌سنج لیزری تشخیص امواج گرانشی» (اختصارا «لایگو/LIGO») اختصاص یابد، اما چنین نشد. در این بین، با کشف دو منبع دیگر از این امواج و همچنین افتتاح همتای ایتالیایی لایگو (تداخل‌سنج «ویرگو») که در یکی از این دو کشف شراکت داشت، آمار امواج یافت‌شده، درمجموع به چهار مورد افزایش یافت تا سرانجام این جایزه در سال‌ جاری مشترکا به «راینر وایس»، «بَری باریش» و «کیپ تورن» به نمایندگی از‌ هزاران دانشمند این دو پروژه از 16 کشور جهان تعلق گیرد.
اولین سینگال دریافتی از یک موج گرانشی، درواقع چند روز پیش از افتتاح رسمی فاز دوم فعالیت لایگو، در ساعت 2:21 روز ۲۳ شهریور ۹۴ به وقت تهران دریافت شد؛ اتفاقی چنان غیرمنتظره که تقریبا همه ناظران سیگنال، ابتدا بر این گمان بودند که یک تست ازپیش‌ اعلام‌نشده در جریان است. تا تأیید منشأ طبیعی سیگنال، این ناظران به مدت تقریبا پنج ماه از بازگویی هرگونه جزئیاتی راجع به این یافته منع شده بودند؛  حتی به اعضای خانواده‌‌شان.
موج گرانشی موسوم به GW150914 سفر خود را یک‌‌میلیاردو ۳۰۰‌ میلیون سال پیش از جایی در آسمان نيمكره‌جنوبی شروع کرده بود؛ زمانی که اجداد تک‌سلولی ما در شرف تکامل به موجوداتی چندسلولی بودند. دو سیاه‌چاله به اجرام تقریبی ۲۹ و ۳۶ برابر جرم خورشید به یکدیگر برخورد کردند و سیاه‌چاله‌ای با جرم مجموع ۶۲  برابر خورشید را از خود به جا نهادند. در این بین، جرمی معادل سه برابر جرم خورشید به انرژی مبدل شد که در مدتی کوتاه‌تر از یک ثانیه، این رقص مرگ کیهانی را به پرانرژی‌ترین رویداد عالم مبدل کرد.
‌صد سال پیش از رسیدن سیگنال به زمین، «آلبرت اینشتین» در چارچوب نظریه نسبیت عام خود، به امکان وجود پدیده‌هایی پی برده بود که باور به آنها، حتی برای خود اینشتین نیز دشوار بود. سیاه‌چاله‌ها از زمره همین پدیده‌ها بودند: هرچند  هنوز هیچ‌گونه درک دقیقی از فرایند تحول و مرگ ستارگان وجود نداشت، این پدیده‌ها به‌عنوان مناطقی از فضا-زمان معرفی شدند که سرعت فرار از میدان جاذبه‌شان، از بیشترین سرعت ممکن یک جسم در فضا (سرعت نور) نیز بیشتر است. معلوم شد که تنها در صورت مرگ ستارگان سنگین‌وزن، امکان تشکیل چنین اجرامی در محل هسته‌شان وجود خواهد داشت.
اما جسورانه‌ترین پیش‌بینی «اینشتین»، از وجود سیاه‌چاله‌ها هم عجیب‌تر بود: امواج گرانشی. این ایده‌ در ضمن بحثی راجع به «سرعت» جاذبه، به ذهن «اینشتین» خطور کرده بود. اگر الساعه خورشید را از مرکز منظومه شمسی حذف کنیم، آیا زمین نیز الساعه از مدار خود خارج خواهد شد، یا هشت دقیقه بعد؟ (معادل مدت‌زمانی که طول می‌کشد تا نور مسافت بین دو جرم را طی کند).  اگرچه تدارک آزمونی برای پاسخ به این پرسش تقریبا غیرممکن است، «اینشتین» باور داشت که هیچ پدیده‌ای (حتی جاذبه) با سرعتی بیش از سرعت نور در جهان منتشر نمی‌شود. این بدین‌معنا بود که چنانچه دو میدان گرانشی تحت‌تأثیر هم به سمت یکدیگر کشیده شوند (مثلا دو سیاه‌چاله)، اختلاف سرعتی را که در نتیجه نزدیک‌ترشدن‌شان به یکدیگر در هر بار چرخشش‌شان به دور هم ایجاد می‌شود، می‌توان به صورت حبابی از یک افت‌وخیز گرانشی با مرکزیت آن دو جرم تشخیص داد که با سرعت نور از آنها دور می‌شود و این یعنی یک موج گرانشی.
وجود این امواج در ابتدا چنان بعید می‌نمود که «آرتور ادینگتون»، اخترشناس بریتانیایی، که خود نخستین شواهد تجربی پشتیبان نسبیت عام را در جریان خورشیدگرفتگی کلی سال ۱۹۱۹ فراهم کرده بود، امواج گرانشی «اینشتین» را امواجی دانست که فقط با «سرعت تخیل» منتشر می‌شوند. با این‌همه، در صورت وجود این امواج، تنها چرخش دو سیاه‌چاله به دور یکدیگر می‌توانست تأثیری محسوس و آزمون‌پذیر را بر پیوستار فضا-زمان به جا بگذارد. این در حالی بود که امکان وجود حتی یک سیاه‌چاله در جهان نیز تا شش دهه بعد و کشف منظومه «دجاجه ایکس-۱» محرز نشد.
در آن مقطع، «کیپ تورن» و «استیون هاوکینگ» بر سر سیاه‌چاله‌بودن یا نبودن دجاجه ایکس-۱ شرط بسته بودند. این منبع پرتو ایکس، از نزدیکی یک ستاره غول سرخ دریافت می‌شود. غول سرخ به وضعیتی از مراحل پایانی عمر یک ستاره اطلاق می‌شود که با تورم جو ستاره و قرمزشدگی نور آن همراه است. فرض بر این بود که این غول سرخ به اتفاق یک سیاه‌چاله، منظومه‌ای دوتایی شکل داده‌اند. سیاه‌چاله گازهای جو متورم همسایه‌اش را می‌دزدد و چندی مانده به سقوط این گازها در سیاه‌چاله، افزایش دمای شدید آنها به گسیل پرتوهای ایکس می‌انجامد. تورن با این فرض موافق بود و گذشت زمان و مشاهدات دقیق‌تر نیز ورق را به سود او برگرداند.
«تورن» همچنین نسبت به کشف امواج گرانشی نیز خوش‌بین بود. اگر ستارگان یک منظومه دوتایی پس از مرگ‌شان هر دو به سیاه‌چاله بدل شوند (که درخصوص منظومه دجاجه ایکس-۱، یک عضو منظومه چنین شده)، این دو سیاه‌چاله به مرور زمان به یکدیگر نزدیک و نزدیک‌تر می‌شوند تا در نهایت به هم برخورد کنند و سیاه‌چاله‌ای بزرگ‌تر پدید آورند. از آنجا که بالغ بر 80  درصد ستارگان آسمان در منظومه‌های دو یا چندتایی به سر می‌برند، احتمال وقوع چنین برخوردی (که با گسیل امواج شدید گرانشی همراه خواهد بود)، نسبتا بالاست.
در آغاز راه جست‌وجوها پی امواج گرانشی، تلاش‌های «جوزف وبر»، فیزیک‌دان دانشگاه مریلند در دهه ۶۰ میلادی  برای تشخیص این امواج از طریق نوسان‌های سازه‌ غول‌آسایی شبیه به یک دیاپازون، نتیجه‌ای نداد. اما چندی بعد، فیزیک‌دانانی از دو سوی آتلانتیک به فکر طراحی سازه‌ای نویدبخش‌تر برای تشخیص این امواج افتادند. «راینر وایس» در انستیتو فناوری ماساچوست و رونالد دِره‌ور در دانشگاه گلاسکوی اسکاتلند، هر دو مشغول طراحی پیش‌نیازهای احداث یک «تداخل‌سنج» برای امواج گرانشی شدند؛ ایده‌ای که درنهایت با حضور «تورن» و امکان‌سنجی اجرای آن رفته‌رفته رنگ تحقق به خود گرفت.
تداخل‌سنج، ابزاری است Lمانند که در آن یک پرتوی لیزر ابتدا به دو مؤلفه عمودبرهم تقسیم می‌شود. هر یک از این مؤلفه‌ها راه یکی از دو بازوی L را در پیش می‌گیرند. در انتهای هر بازو نیز آینه‌ای قرار دارد که پرتوی دریافتی را بار دیگر به سمت محل تقسیم پرتوها هدایت می‌کند. در آنجا پرتوها بار دیگر تلفیق می‌شوند تا یک پرتوی واحد را پدید آورند.
در شرایط ایده‌آل، چنانچه طول مسیر هر پرتو با دقتی بیش از طول موج لیزر با هم برابر باشد و هیچ عامل بیرونی‌ای بر طول بازوها یا مسیر پرتوها تأثیر نگذارد، ویژگی‌های فیزیکی پرتوی تلفیقی (اعم از شدت و طول موج آن) باید با پرتوی اولیه یکسان باشد. اما چنانچه تحت هر شرایطی، طول مسیر هر یک از پرتوها با دیگری برابری نکند، قله‌ها و شکم‌های دو پرتو حین تلفیق بر یکدیگر منطبق نخواهند شد و با یکدیگر تداخل می‌کنند.
یک موج گرانشی همواره از جهتی مشخص از آسمان دریافت می‌شود و بنابراین تأثیری غیریکسان بر طول مسیر پرتوهای متعامد یک تداخل‌سنج خواهد داشت، ولو این تأثیر از قطر یک اتم نیز کوچک‌تر باشد. در این صورت، الگوی تداخل حاصله واضح خواهد بود و نه‌فقط از عبور یک موج گرانشی خبر خواهد داد، بلکه اطلاعاتی را راجع به شدت و دامنه آن نیز فراهم خواهد کرد. همین اطلاعات است که جرم نسبی سیاه‌چاله‌های برخوردی را بر ما معلوم می‌کند.
طرح «تورن»، «وایس» و «دره‌ور»، احداث تداخل‌سنجی با بازوهای چهارکیلومتری بود؛ ایده‌ای ساده که درعین‌حال، پیاده‌سازی آن بالغ بر 40 سال به طول انجامید. انتظار می‌رود  با بر هم‌کنش هر دو جرمی (اعم از گردش یک قمر به دور سیاره‌اش)، امواج گرانشی منتشر شوند، اما فناوری امروز تنها اجازه تشخیص پرانرژی‌ترین امواج گرانشی را (که محصول برخورد و ادغام دو سیاه‌چاله‌اند)، به ما می‌دهد؛ اتفاقی که وقوع آن در محدوده کهکشان ما بسیار نادر است. پس در طول مدت عمر  فیزیک‌دانان (و چه‌بسا نوع بشر) تنها می‌توان به دریافت امواج گرانشی ِناشی از برخورد دو سیاه‌چاله در سایر کهکشان‌ها امید داشت. اما فاصله سرسام‌آور حتی نزدیک‌ترین کهکشان‌ها به ما موجب می‌شود تا شدت موج دریافتی در زمین فوق‌العاده ضعیف باشد (چنان‌که اشاره شد، با طول موجی کوچک‌تر از قطر یک اتم). حال، آشکارساز چندین‌کیلومتری‌ای را تصور کنید که باید از دقتی حتی بیش از این مقدار برخوردار باشد.
ارتقای دقت تداخل‌سنج تا سطحی که بتوان سیگنال دال بر وجود یک موج گرانشی را از بین تمامی منابع نویز تشخیص داد، بزرگ‌ترین چالش پیش‌ِروی ایده‌پردازان و مجریان طرح لایگو  بود. تضمین ثبات طول موج و فرکانس پرتوهای لیزر در طول مدت جست‌وجو، حفظ دقت اجزای اپتیکی آشکارساز و مسیر هدایت پرتوها، پیشگیری از تأثیر لرزش‌هایی حتی در حد افتادن برگی از درختان پیرامون و عبور اتومبیلی از یک جاده دوردست بر ادوات آشکارساز، شناورسازی آینه‌ها در محیطی از خلأ مطلق و بی‌اثرسازی تحرکات گرمایی مولکول‌های سطح آینه‌ها و تأثیرات کوانتومی وارده بر پرتوی لیزر، تنها چند مورد از اهم ضروریات اجرای چنین طرحی به‌شمار می‌رفت. ایده‌آل‌هایی چنین جاه‌طلبانه، فناوری‌های جدیدی را نیز برای تولید لیزر مطلوب، مصالحی جدید برای ساخت سازه‌های اپتیکی و همچنین محفظه‌هایی عظیم از خلأ مطلق و تأسیساتی فوق‌دقیق برای بی‌اثرسازی ارتعاشات زمین می‌طلبید که اینها همه خود مستلزم سرمایه‌گذاری هنگفت و گردآوری یک نیروی کار مستعد و گسترده بود.
در این مرحله، با پیوستن «بری باریش» به تیم ایده‌پردازان تداخل‌سنج و به لطف سرمایه‌گذاری بنیاد ملی علوم ایالات متحده (NSF)، رؤیای تحقق چنین طرحی دست‌یافتنی‌تر شد. «باریش» در کسوت مدیر جدید طرح لایگو، تیم 40نفره فیزیک‌دانان و مهندسان این تداخل‌سنج را به تیمی از‌ هزاران مشارکت‌کننده بین‌المللی مبدل کرد؛ متخصصانی که وجود تک‌تک‌ آنها برای به‌ثمرنشستن ایده اولیه ضرورت داشت.
در نهایت، تداخل‌سنج لایگو در قالب دو نسخه (یکی در لیوینگستون لوییزیانا و دیگری در محوطه هسته‌ای هانفورد واشنگتن، با فاصله ۳۸۶۰ کیلومتر)، طی دو فاز آزمایشی و اجرائی به بهره‌برداری رسید. تنها طی فاز دوم پروژه و از ابتدای سال ۲۰۱۵ بود که تداخل‌سنج لایگو از بخت تشخیص یک موج از شدیدترین شکل امواج گرانشی در جهان امروز (یعنی برخورد دو سیاه‌چاله) برخوردار می‌شد، چراکه با ارتقای دقت آشکارساز، هم‌اینک محدوده جست‌وجوی آن از دایره‌ای به میزبانی تنها صد کهکشان، به دایره‌ای با میزبانی از 300 هزار کهکشان بسط پیدا کرده بود.
حال، ایده‌پردازان طرح لایگو در دهه هشتم عمرشان بودند و بخش اعظم کار را فیزیک‌دانان جوانی راهبری می‌کردند که با تکیه بر اسلاف‌شان و ایفای نقش تعیین‌کننده خود در ثبت نخستین سیگنال‌های حاکی از وجود امواج گرانشی، به چهره‌های الهام‌بخش نسل آتی فیزیک‌دانان بدل شدند. در ابتدای سال میلادی جاری، «دره‌ور» که از بیماری زوال عقل رنج می‌برد، تنها چند ماه پس از ثبت سیگنالW150914  از دنیا رفت.
درحال‌حاضر، با افتتاح تداخل‌سنج ویرگو در ایتالیا، امکان مکان‌یابی دقیق منبع یک موج گرانشی از شیوه‌های مثلثاتی فراهم آمده است. (برای تعیین دقیق مکان این پدیده، به وجود دست‌کم سه تداخل‌سنج نیاز است). همچنین کشورهای هند و ژاپن نیز در حال احداث تداخل‌سنج‌هایی برای پیوستن به شبکه آشکارسازهای امواج گرانشی‌اند. اما گام بلند بعدی، استقرار آشکارسازهایی مشابه در فضا خواهد بود که طرح امکان‌سنجی آن با پرتاب مأموریت «رهیاب لیسا»، وابسته به سازمان فضایی اروپا در سال ۲۰۱۵ آغاز شد. مأموریت این فضاپیما تست فناوری‌های لازم برای اجرائی‌سازی طرح جاه‌طلبانه «آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری» (LISA) در دهه ۲۰۳۰ بود. در طرح «آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری»، سه آشکارساز به فاصله 2.5‌ میلیون کیلومتر از یکدیگر در فضا مستقر خواهند شد و دقت تشخیص امواج گرانشی را به‌مراتب افزایش خواهند داد.
امواج گرانشی در کنار نوترینوها، دو دریچه‌ مشاهداتی‌ای هستند که در کنار امواج الکترومغناطیسی به درک بهتر پدیده‌های کیهانی کمک خواهند کرد. زمانی‌که جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۵ برای چهارمین بار به پژوهش‌های مرتبط به نوترینوها تعلق گرفت، هنوز خبر تشخیص نخستین موج گرانشی علنی نشده بود. حال، خبر تشخیص یک موج گرانشی به تیتر چندم خبرگزاری‌های علمی مبدل شده است و نوید آینده‌ای متفاوت را برای تحقیقات کیهان‌شناختی می‌دهد؛ آینده‌ای که در آن حتی سیاه‌چاله‌ها نیز در تیررس مشاهدات اخترشناسان قرار خواهند داشت.

---------------------------------
اتاق کنترل آشکارساز لایگو در هانفورد / عکس از کیم فترو
داخل تصویر: دجاجه ایکس-۱ از دید چهار ابزار مستقر بر تلسکوپ فضایی پرتو ایکس اینتگرال. نماهای اول، دوم و چهارم (به‌ترتیب از چپ به راست)، در پرتو ایکس و نمای سوم در نور مرئی به ثبت رسیده است. مقایسه نمای سوم و چهارم مشخص می‌کند  از بین اجرامی که در این محدوده از آسمان در نور مرئی دیده می‌شوند، تنها یک جرم از خود امواج قوی ایکس ساطع می‌کند. این جرم، همدم مخوف ستاره HDE 226868، موسوم به سیاه‌چاله دجاجه ایکس-۱ است. این دو جرم هر پنج، شش روز یک‌بار به دور یکدیگر می‌چرخند. طرحی از مکانیسم تابش پرتوهای ایکس از قرص گاز پیرامون سیاه‌چاله نیز در پس‌زمینه تصویر دیده می‌شود. سیاه‌چاله با مکیدن گازهای جو متورم ستاره همدم خود، آنها را به صورت یک قرص چرخان در اطراف خود درمی‌آورد؛  قرصی از گاز که دمای آن به بالغ بر ۳۱‌ هزار درجه سانتی‌گراد می‌رسد. این دما برای تابش شدید پرتوهای ایکس کفایت می‌کند.
منبع: سازمان فضایی اروپا


دیدگاه‌ها(۰)