آشکارسازی مجدد امواج گرانشی ناشی از برخورد دو سیاهچاله

اعوجاج در بافت فضا-زمان که آلبرت اینشتین یک قرن قبل پیش بینی کرده بود، برای دومین بار بطور مستقیم شناسایی شد. تقریبا ۱٫۴ میلیارد سال نوری دورتر از زمین دو سیاهچاله در مارپیچی به دور هم چرخیده و به هم برخورد کردند و ریز موج هایی را در بافت فضا-زمان به وجود آوردند. این موج ها که به عنوان امواج گرانشی شناخته می شوند، در دسامبر ۲۰۱۵ به زمین رسیدند و توسط رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری(LIGO) تشخیص داده شدند.

 گروه همکاری لایگو این کشف را طی کنفرانسی خبری در ۲۲۸مین همایش انجمن نجوم آمریکا(AAS) در سن دیه گو اعلام کرد. سیگنال موج گرانشی که بطور رسمی با نام GW151226 شناخته می شود توسط لایگو در ۲۵ دسامبر ۲۰۱۵ در ساعت ۱۱:۳۸ به وقت شرق آمریکا رصد شد. ویکی کالوگرا یکی از اخترفیزیکدانان دانشگاه نورث وسترن و عضو گروه همکاری لایگو گفت: « در آمریکا بسیاری از دانشمندان لایگو هنگامی که این خبر را دریافت کردند هنوز در حال برگزاری جشن کریسمس بودند، و این ماجرا نهار چند خانواده را به هم ریخت.»

نخستین بار تیم لایگو در سپتامبر ۲۰۱۵ امواج گرانشی را دریافت کرد و اعضای تیم این کشف را در فوریه ۲۰۱۶ اعلام کردند. دیوید رایتز مدیر اجرایی آزمایشگاه لایگو گفت:« اگر قادر بودم برای کشف دومی تعریفی بگویم کشف دوم نشان می دهد که کشف اول تصادفی نبوده، در واقع ما خوش شانس بودیم.» دانشمندان لایگو تاکنون برای اعلام کشف دوم صبر کردند زیرا باید از واقعی بودن آن و اینکه عامل به وجود آورنده اش برخورد سیاهچاله ای است مطمئن می شدند.

فضای پیچ و تاب خورده

اینشتین نشان داد که فضا یک صحنه محدود نیست که رویدادهای بسته ای کیهانی در آن رخ دهد. بلکه شبیه یک پارچه انعطاف پذیر یا شبیه یک صفحه پلاستیکی سه بعدی است. فضا توسط گرانش پیچ و تاب می خورد، بعنوان مثلا جرم زمین در فضا یک منحنی ایجاد می کند (اینشتین نشان داد زمان بخشی از این صفحه جهانی ست و فضا و زمان را برای تشکیل یک استاندارد جهانی یگانه به نام فضا-زمان با هم ترکیب کرد.) سیاهچاله ها چگال ترین اجرام کیهان هستند و اعوجاج های شدیدی در بافت فضا-زمان ایجاد می کنند. هنگامی که دو سیاهچاله با سرعت به دور هم می چرخند، این اعوجاج باعث حرکت امواجی در بافت فضای اطراف می شود.

این نمودار سیگنال امواج گرانشی به دست آمده توسط تیم لیگو را در دسامبر ۲۰۱۵ نشان می دهد

سیاهچاله هایی که ۱٫۴ میلیارد سال قبل برخورد کردند حدود ۱۴٫۲ و ۷٫۵ برابر جرم خورشید بودند. (سیگنال موج گرانشی به دست آمده توسط تیم لایگو در دسامبر ۲۰۱۵ از برخورد ۲ سیاهچاله با جرم هایی حدود ۲۹ و ۳۶ برابر خورشید ایجاد شده بود.) کالوگرا گفت: جرم سیاهچاله ها کلیدهایی درباره چگونگی شکل گیری آنها ارائه می شدهد. سیاهچاله های سبک تر( که حدود ۱۰ برابر جرم خورشید هستند) بسیار شبیه دو ستاره سنگین تر که نزدیک هم بودند، شکل گرفته اند. هر کدام ممکن است مواد ستاره ی دیگری را به درون خودش ببلعد، سرنوشت دو ستاره الگویی را دنبال می کند که در سراسر کیهان دیده می شود.

این ستاره ها در نهایت خالی از سوخت شده اند و موتور داخلی ستاره ها سوختن را متوقف کرده، زمانی که چیزی برای روشن نگه داشتن ستاره ها وجود نداشته باشد، خاموش می شوند. به دنبال فروپاشی، این ستاره های سنگین به ابرنواخترهای عظیم تبدیل می شوند. اما در هسته شان یک هجوم سریع موادشان به داخل باعث افزایش فشار درونی تا نقطه ای می شود که منجر به ایجاد یک سیاهچاله شود.

کشش گرانشی ماده جدید به حدی زیاد است که نور نیز نمی تواند از آن فرار کند. دو سیاهچاله حتی پس از مرگ هم در کنار هم باقی می مانند، به آهستگی به دور هم می چرخند و در نهایت به هم برخورد می کنند. اینشتین نشان داد که جرم و انرژی دو روی یک سکه اند و در طول این ادغام بخشی از جرم “تقریبا معادل جرم خورشید به موج های گرانشی تبدیل می شود” این نتیجه را انستیتوی تکنولوژی ماساچوست که مسئول همکاری لایگو با انستیتو تکنولوژی کالیفرنیاست، بیان کرده است.

این نقشه آسمان ناحیه ای که سیگنال امواج گرانشی توسط تیم لیگو در دسامبر ۲۰۱۵ رصد شد را نشان می دهد. 

سیگنال به دست آمده از سیاهچاله های تازه کشف شده کمی ضعیف تر از سیگنال به دست آمده در سپتامبر ۲۰۱۵ بود. افول سیگنال نشان می دهد که چگونه لایگو می تواند این رویداد را در آسمان جستجو کند. سیگنال جدید از جایی در ناحیه ۱۴۰۰ درجه مربع آسمان اندازه گیری شد. (یک ماه کامل حدود نصف درجه در آسمان است.) سیگنال سپتامبر که بلندتر بود از ناحیه ۶۰۰ درجه مربع آمده بود. دانشمندان امیدوارند بتوانند موقعیت رویدادهای کیهانی آینده را با افزودن آشکارسازهای  امواج گرانشی بیشتر مثل ویرگو که در ایتالیا قرار دارد و در ژانویه کار خود را آغاز می کند بهتر دریافت کنند. شرکت ویرگو شامل ۱۹ گروه تحقیقاتی در اروپاست.

یک آشکارساز بسیار حساس تر

اولین نمایش لایگو از موجهای گرانشی که در سپتامبر گرفته شد فورا پس از ارتقاء بزرگ دستگاه ها رخ داد که حساسیت کلی لیگو را افزایش داده بود. “رایتز” گفت: نمایش رصدخانه ای برخورد ۲ سیاهچاله در چهار ماه اول عملکرد دستگاه پس از ارتقاء این پیشنهاد را مطرح می کند که در آینده رصدخانه رویدادهای بیشتری را نشان می دهد. سیاهچاله ها طبق اسمشان نور را منتشر یا منعکس نمی کنند، گرچه در برخی موارد عبور سریع ماده از اطراف سیاهچاله نور را نشان می دهد و حضور این غول کیهانی را برای منجمان آشکار می سازد.

اما همانگونه که سیاهچاله ها به دور هم می چرخند، انتظار می رود هر ماده نزدیکی وارد آن شود در دامشان بیفتد. یعنی انتظار نمی رود این نوع از جفت سیاهچاله ها که حدود ۱۰ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید هستند با تلسکوپ هایی که نور و دیگر ذرات را رصد می کنند، دیده شوند. به گفته رایتز تاکنون آشکارسازی امواج گرانشی تنها راه دیدن این نوع از سیستم ها بوده است. بنابراین کاملا هیجان انگیز است، رایتز افزود: من معتقدم ما پنجره ای به فیزیک ِ سیاهچاله ها باز کرده ایم که تا پیش از این هرگز وجود نداشت.

کالوگرا گفت: “جامعه اختر فیزیک همچنان به سمت این احتمال می رود که مشاهدات این برخوردهای سیاهچاله ای یک سوپرایز را نشان می دهند، مثلا شاید کشف این نکته که آنها نور تولید می کنند. لایگو دو بخش دیگر هم دارد یکی در هانفور واشنگتون و دیگری در لیوینگستون-لوییزیانا. هر آشکارساز یک ساختار L شکل با دو بازوی ۴ کیلومتری دارد. یک اشعه لیزر به پایین هر بازو تابیده می شود و آینه ها در انتهای آن نور را بر می گردانند. اگر امواج گرانشی از آشکارساز عبور کنند یک اعوجاج از فضا-زمان با عبورش طول یک بازو نسبت به دیگری کمی تغییر می کند و آشکارساز آن را ثبت می نماید.

لایگو توسط رایتز و دیگر دانشمندان به عنوان دقیق ترین دستگاه اندازه گیری تاکنون ساخته شده معرفی شده و این حساسیت ضرورتا به دو آشکارساز نیاز دارد. سیگنال باید با هر دو آشکارساز دریافت شود تا مطمئن شوند که آلارم اشتباه نبوده است. به گفته رایتز روی لایگو آپدیت های اضافی انجام شده که آنرا حدود ۲۰ درصد حساس تر از نوع قبلی آن کرده است. به گفته ی محققان MIT این پیشرفت ها به تیم لایگو اجازه خواهد داد تا سیگنال هایی با فضای ۱٫۵ تا ۲ برابر بزرگتر از قبل را جستجو کنند.