راديوتلسکوپ يا تداخل‌سنج ليزري؟

امواج گرانشي، بزرگ‌ترين پيش‌بيني نظريه نسبيت عام است که پس از گذشت 95 سال هنوز اثبات نشده؛ اما راديو‌تلسکوپ‌ها و تداخل‌سنج‌هاي ليزري رقابتي سخت را براي يافتن نشانه‌هايي از آن آغاز کرده‌اند.

به گزارش خبر آنلاين، اخترشناسان امواج راديويي با کمک بهترين زمان‌سنج‌هاي سماوي، کاوش جديدي را براي يافتن نشانه‌هايي از تغييرات چارچوب فضا در اثر امواج گرانشي آغاز کرده‌اند. اين تغييرات که توسط تئوري نسبيت عام اينشتين پيش‌بيني مي‌شود، تاکنون مستقيما مشاهده نشده است؛ اما رويکرد جديد اخترشناسان، رقيبي براي رويکرد پرخرج‌تر رديابي امواج گرانشي توسط تداخل‌سنج‌هاي ليزري محسوب مي‌شود.

در گزارش نيچر آمده است، از اواخر دهه 1970 / 1350 اخترشناسان دريافته‌اند که امواج گرانشي، زمان رسيدن تابش‌هاي الکترومغناطيسي را که از تپ‌اخترها سرچشمه مي‌گيرند، تحت تاثير قرار مي‌دهد. تپ‌اخترها، ستارگان نوتروني باقيمانده از يک انفجار ابرنواختري هستند که با سرعت سرسام‌آور چند ده تا چند صد بار در ثانيه به دور خود مي‌چرخند و تابش‌هاي الکترومغناطيسي منظمي را گسيل مي‌کنند. اخيرا و با کشف چندين تپ‌اختر هزارم ثانيه‌اي که در هر ثانيه هزار بار تابش الکترومغناطيسي گسيل مي‌کنند، ايده استفاده از تپ‌اخترها از حالت تئوري به مرحله عملي رسيده است. تابش‌هاي الکترومغناطيسي اين تپ‌اخترها بسيار سريع‌تر و قابل اعتمادتر از تپ‌اخترهاي عادي است.

تلسکوپ فضايي پرتوهاي گاما فرمي ناسا، موقعيت تعدادي از اين ساعت‌هاي کهکشاني را شناسايي کرده که به اخترشناسان امواج راديويي اجازه مي‌دهد آنها را مورد مطالعه قرار دهند. اخترشناسان با بررسي تغييرات ناچيز در زمان رسيدن تابش‌هاي الکترومغناطيسي که تنها معادل کسري از ثانيه است، مي‌توانند تاثير احتمالي يک موج گرانشي زودگذر را بر زمين رديابي کنند. اگر اين تلاش‌ها به نتيجه برسد، محققان ابزار جديدي را براي کشف طوفان‌هاي کيهاني مانند برخود سياهچاله‌ها که تصور مي‌شود امواج گرانشي را توليد مي‌کنند، در اختيار خواهند داشت.

گروه‌هاي مختلفي در استراليا، اروپا و آمريکاي شمالي بر روي اين موضوع کار مي کنند. اين گروه‌ها رقيب گروه‌هاي بزرگ‌تر و سرمايه‌دارتري محسوب مي‌شوند که از تداخل‌سنج‌هاي ليزري براي رديابي امواج گرانشي استفاده مي‌کنند. اين تداخل‌سنج‌‌ها از دو مسير چند کيلومتري کاملا يکسان ولي عمود بر يکديگر تشکيل شده که پرتوهاي ليزر درون اين مسيرها برقرار است. پرتوهاي ليزر از يک منبع منتشر مي‌شوند و پس از طي مسير چند کيلومتري، از آينه دقيق مستقر در انتهاي مسير بازتاب مي‌شوند و درنهايت با هم برخورد کرده، به درون آشکارساز هدايت مي‌شوند. مسير طوري تنظيم شده که برخورد پرتوهاي ليزر با يکديگر ويرانگر باشد و اين پرتوها با خنثي کردن يکديگر، فضايي کاملا تاريک در آشکارساز برقرار کنند. اما اگر يک موج گرانشي به اين تداخل‌سنج برسد، چارچوب فضا و مقياس‌هاي آن در اين دو بازو تغيير مي‌کند و درنتيجه، پرتوهاي ليزر عبوري از آنها از حالت تنظيم‌شده خارج مي‌شوند. بنابراين، برخورد آنها با يکديگر، درخشي عجيب به همراه خواهد داشت که آشکارساز مي‌تواند آن‌را تشخيص دهد.

اسکات رنسام، اخترشناس رصدخانه راديواخترشناسي ملي در شارلوتسويل ويرجينيا، خبر کشف 17 تپ‌اختر هزارم ثانيه‌اي را در گردهمايي هفته گذشته انجمن اخترشناسان آمريکا در واشنگتن اعلام کرد. بنابر اظهارات رنسام، حدود 100 تپ‌اختر هزارم ثانيه‌اي شناخته شده در کهکشان راه‌شيري وجود دارد. با اين وجود تعداد اندکي از آنها به ميزان کافي روشن و منظم هستند تا با دقت مورد نياز براي جستجوي امواج گرانشي، بتوان به اندازه‌گيري آنها پرداخت.

براي اين‌که بتوان يک موج گرانشي را شناسايي کرد، ابتدا بايد بين 20 تا 40 عدد از اين تپ‌اخترها را که يک آرايه زماني تپ‌اختري (Pulsar Timing Array) را تشکيل مي‌دهند، به مدت 5 تا 10 سال زير نظر قرار داد. اما به کمک تپ‌اخترهاي هزارم ثانيه‌اي جديد، محققان اطمينان دارند که به زودي آمادگي کافي را براي رقابت با رويکرد ديگر به‌دست مي‌آورند.

( توضيح عکس مقابل: موقعيت تپ‌اخترهاي ميلي‌ثانيه‌اي در کهکشان راه‌شيري در نقشه پايين سمت چپ مشخص شده است. اما چگونه مي‌توان از اين‌ها براي يافتن امواج گرانشي استفاده کرد؟

1- امواج گرانشي ناشي از ادغام سياه‌چاله‌هاي ابرسنگيني که در کهکشان‌هاي دور قرار دارند، موقعيت زمين را در فضا به آرامي تغيير مي‌دهد.

2- تلسکوپ‌هاي زميني مي‌توانند اختلاف ناچيز در زمان رسيدن فوران‌هاي راديويي تپ‌اخترهاي ميلي‌ثانيه‌اي را که در اثر اين جابجايي اندک رخ مي‌دهد، اندازه‌گيري کنند.

3- اندازه‌گيري اين اثر در آرايه‌اي از تپ‌اخترها، اين اثر را تقويت و احتمال آشکارکردن آن را بالا مي‌برد.)

گروه‌هايي که از تداخل‌سنج‌هاي ليزري زميني استفاده مي کنند در ايتاليا، آلمان و ايالات متحده مستقر هستند. فيزيکدانان اين گروه‌ها براي ساليان متمادي چندين پتابايت (هر پتا برابر 10 به توان 15 است) داده را بررسي کرده‌اند، بدون اين‌که حتي کوچکترين نشانه‌اي دال بر وجود امواج گرانشي به‌دست آورند.

با اين حال گروه‌هاي زميني خوش‌شانس بوده و ردپاي امواج گرانشي را در يک اتفاق نادر، يعني ادغام دو ستاره نوتروني مجاور هم کشف کرده‌اند. اما تا زماني که آشکارساز اصلي گروه، رصدخانه تداخل‌سنجي ليزري امواج گرانشي (LIGO) در لوييزيانا در سال 2015 / 1394 ارتقاء يابد، نمي‌توان داده‌هاي لازم را جمع‌آوري کرد. در آن زمان اين تداخل‌سنج حساسيت کافي را براي جمع‌آوري امواج گسيل شده از چنين حجم عظيمي خواهد داشت. بنابراين راديو اخترشناسان شانس اين را دارند که زودتر امواج گرانشي را کشف کنند.

بروس آلن، مدير انستيتو فيزيک گرانشي ماکس پلانک در هانوفر آلمان که تحليل داده‌هاي مشترک را بين آشکارسازهاي زميني مديريت مي‌کند، اعتقاد دارد گروه تپ‌اخترها يک شانس خيلي خوب براي شکست دادن آشکارسازهاي زميني دارند و از نظر وي، اين يک مسابقه واقعي است و برنده اين رقابت، قطعا موفق به دريافت جايزه نوبل فيزيک خواهد شد.

پايان مسابقه کشف امواج گرانشي که نزديک به يک قرن از آغاز آن گذشته، آغازي براي علم اخترشناسي امواج گرانشي خواهد بود. در حال حاضر رويکردهاي گوناگون پديده‌هاي مختلفي را دنبال مي‌کنند. درحالي‌که تداخل‌سنج‌ها به دنبال ضربان‌هاي سريع ناشي از ادغام ستاره‌هاي نوتروني هستند، زمان‌سنج‌هاي تپ‌اختري سيگنال‌هاي پس‌زمينه‌اي قوي‌تر و با فرکانس پايين‌تر را جستجو مي‌کنند که از ادغام سياه‌چاله‌هاي فوق سنگين در مرکز کهکشان‌هاي دور مي‌آيند. آنتن فضايي تداخل‌سنج ليزري (LISA) که يک ماموريت فضايي چندين ميليارد دلاري مشترک بين ناسا و آژانس فضايي اروپا است، نسبت به فرکانس‌هاي مياني امواج گرانشي حساس است که مربوط به رخدادهايي مانند ادغام کوتوله‌هاي سفيد است. ماموريت لايزا متشکل از 3 ماهواره خواهد بود که رئوس يک مثلث متساوي‌الاضلاع به ضلع 5 ميليون کيلومتر را در فضا تشکيل مي‌دهند و همانند يک تداخل‌سنج بزرگ در فضا کار مي‌کنند.

بنابر اظهارات توماس پرنس، اخترفيزيکدان موسسه تکنولوژي کاليفرنيا، کالتک و از دانشمندان ماموريت LISA، تداخل‌سنج‌هاي زميني و فضايي براي شناسايي رخدادهاي گرانشي بهتر هستند. اما رنسام معتقد است که در مقام مقايسه، آرايه‌هاي زماني تپ‌اختري بسيار ارزان‌ترند. وي مي‌گويد: «روش جديد به‌جاي آن‌که آشکارسازي مانند LIGO نياز داشته باشد که ساخت آن 300 ميليون دلار هزينه داشت و ارتقاء آن نيز 200 ميليون دلار ديگر هزينه مي‌برد، از راديو تلسکوپ‌هاي موجود استفاده مي‌کند.»

شناسايي شديدترين رخدادهاي عالم نياز به حساسيت فوق‌العاده‌اي دارد. در روش استفاده از آرايه‌هاي زماني تپ اختري اين حساسيت از جنس زمان و در روش تداخل‌سنجي از جنس مکان است. تداخل‌سنج‌ها قبلا موقعيت اجرام آزمون خود را با دقت يک در ميليون ميليون ميليارد (10 به توان منفي 21) مشخص کرده‌اند. پرنس اين دقت را به اندازه‌گيري فاصله نزديک‌ترين ستاره به زمين با دقتي معادل ضخامت موي انسان تشبيه مي‌کند.

تنظيم براي تبيان:

م.ح.اربابي فر