1396/08/20

چرا امواج گرانشی هیجان‌انگیزند؟

در هفته‌های اخیر اخباری درباره ادغام دو ستاره نوترونی منتشر شد. به نظر می‌رسد تحقیقات درباره امواج گرانشی به موفقیت‌های قابل توجهی رسیده است. دان لینکلن دانشمند ارشد آزمایشگاه فرمی که مقالات علمی برای عموم مردم می‌نویسد درباره این رویداد مقاله‌ای نوشته است.
چرا امواج گرانشی هیجان‌انگیزند؟

مریم فخیمی:در هفته‌های اخیر اخباری درباره ادغام دو ستاره نوترونی منتشر شد. به نظر می‌رسد تحقیقات درباره امواج گرانشی به موفقیت‌های قابل توجهی رسیده است. 
دان لینکلن دانشمند ارشد آزمایشگاه فرمی که مقالات علمی برای عموم مردم می‌نویسد درباره این رویداد مقاله‌ای نوشته است.

چند هفته پیش، دو تیم تحقیقاتی لایگو و ویرگو که با همکاری یکدیگر امواج گرانشی را شناسایی کرده بودند خبرش را رسانه‌ای کردند. این امواج ناشی از ادغام پرانرژی دو سیاهچاله بود. چندی بعد، اعلام شد که جایزۀ نوبل فیزیک 2017 برای فیزیکدانانی  که نقش مهمی درآشکارسازی امواج گرانشی داشتند اعطا شده است.
در 16 اکتبر/ 24 مهر، یک خبر هیجان‌انگیز دیگری هم اعلام شد. پژوهشگران در 17 آگوست موفق شدند امواج گرانشی ناشی از برخورد دو ستاره نوترونی و نور ناشی از این رویداد را رصد کنند. دو آشکارساز رصدخانه لایگو، در لوئیزیانا و ایالت واشنگتن این امواج را مشاهده کردند – اما آشکارساز ویرگو در ایتالیا این برخورد را مشاهده نکرد. این بدان معنی است که این رویداد در نقطه کور ویرگو رخ داده است وهمین موضوع به تعیین محل ادغام کمک کرد.
کمتر از دو ثانیه پس از دریافت امواج گرانشی، تلسکوپ فضایی اینتگرال سازمان فضایی اروپا و تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی متعلق به ناسا، فوران کوتاه‌مدت پرتو گامایی که قوی‌ترین انفجار در کیهان است را در همان جهت مشاهده کردند.
این حادثه در کهکشان بیضوی NGC 4993 که در حدود 130 میلیون سال نوری از زمین در صورت فلکی هیدرا (مار باریک، شجاع) قرار دارد رخ داده است. با همکاری چندین گروه از دانشمندان و استفاده از رصدخانه‌های LIGO، Virgo و تلسکوپ‌های قدرتمند، بخش جنوبی آسمان، جایی که منشا اشعه گاما و امواج گرانشی بود را جستجو کردند و در آنجا نور جدیدی را یافتند.
رصد این نور مرئی مرتبط با امواج گرانشی از نمونه‌های قبلی امواج گرانشی آشکار شده متفاوت بود. این تفاوت نشان مید‌هد یک مکانیزم متفاوت منشا این امواج است. ادغام سیاهچاله‌ها نامرئی است اما ادغام دو ستاره نوترونی با یکدیگر نتیجه کاملا متفاوتی دارد. چنین رویدادهایی بسیار عظیمند، حرارت ماده به طرز عجیبی غیرقابل اندازه‌گیری است و نور حاصل از این برخورد در سراسر کیهان منتشر می‌شود. 
ستاره نوترونی نتیجه برجای مانده از یک سوپرنوا یا انفجار ابرنواختری است. در واقع یک ستاره پیر که جرم بسیار بیشتری از خورشید دارد در پایان عمرش با انفجارهای عظیمی به یک ابرنواختر تبدیل می‌شود. در این رویداد عظیم، هسته ستاره در خود فرو میریزد و ناگهان انرژی فوق‌العاده زیادی به شکل نوترونی (یک ذره زیر اتمی) در فضا آزاد می‌شود. در فرآیند متلاشی شدن ستاره، ذرات باردار پروتون و الکترون در اتم‌های ستاره ترکیب می شوند تا شیئی که کاملا از نوترون ها تشکیل شده به وجود آید. چگالی این ستارگان نوترونی فوق العاده بالاست به طوری که یک قاشق از جرم آنها چند میلیون تن وزن دارد.
ستاره‌های نوترونی بیش از یک جرم مشخصی نمی توانند داشته باشند، زیرا گرانش آنها چنان زیاد است که فروریخته و سیاهچاله به وجود می‌آید. مقدار دقیق این جرم نامعلوم است و به دمای ماده و سرعت ستاره نوترونی بستگی دارد.
هنگامی که دو ستاره نوترونی در حال برخورد هستند، دو نتیجه می‌تواند رخ دهد:
 اگر دو ستاره به اندازه کافی کوچک باشند، در نتیجه یک ستاره نوترونی بزرگتر تشکیل خواهد شد. با این حال، اگر مجموع جرم دو ستاره بیشتر از جرم آستانه باشد، ستاره‌های نوترونی به یک سیاهچاله تبدیل می‌شوند. 
در حال حاضر داده‌های ما هنوز نمی‌توانند تعیین کنند که در رویداد اخیرچه اتفاقی رخ داده است. آنچه باقی مانده یا یکی از سنگینترین ستاره‌های نوترونی است که همیشه دیده می‌شود و یا یکی از سبکترین سیاهچاله‌ها است.
اگرچه مطمئن نیستیم اما احتمال بیشتری وجود دارد که نتیجه این رویداد یک سیاهچاله باشد. چرا که تشکیل سیاهچاله اغلب با انفجار پرتوهای گاما همراه است. اگر حاصل این برخورد یک ستاره نوترونی بزرگتر بود، بقایای حاصل از آن باید اشعه گاما را پیش از انتشار در کیهان به دام می‌ا‌نداختند. با توجه به این که در این برخورد لرزش گاما مشاهده شده، تشکیل سیاهچاله محتملتر است. البته برای نتیجه‌گیری نهایی هنوز خیلی زود است. 
آلبرت اینشتین در سال‌ 1916 در نظریه نسبیت عام خود وجود این امواج گرانشی را که با سرعت نور در فضا-زمان حرکت می‌کنند پیش‌بینی کرده بود. نسبیت عام توصیف یکپارچه‌ای از گرانش به‌عنوان یک ویژگی هندسی فضا و زمان یا فضا–زمان ارائه می‌دهد. امواج گرانشی حاصل از میدان گرانشی هرچه سرراهش باشد را به طور نامحسوسی تاب می دهد (فشرده می کند و کش می‌آورد). طول این تاب کمتر از قطر یک اتم است. رویدادهای عظیم کیهانی مثل انفجار ابرنواخترها که در آن انرژی‌های عظیم با سرعت نور حرکت می‌کنند موج گرانشی تولید می‌کنند. وقتی که با سنگریزه‌ها آب را در حوض به هم بزنید موج‌های کوچکی ایجاد می‌شود، این موج‌ها را می‌توان به مثابه موج گرانشی در نظر گرفت.
ستاره‌های نوترونی درحال چرخش در مدار همچنان که انرژی خود را ازدست می‌دهند شعاع مدارشان کاهش یافته وسرعتشان افزایش می‌یابد. در لحظات نهایی و قبل از اینکه دو ستاره به هم برسند، چرخش آنها با سرعت نور برابری می‌کند. 
از آنجا که ستاره‌های نوترونی بزرگتر و کم جرمتر از سیاهچاله‌ها هستند، به همین علت فاصله آن‌ها از هم بیشتر از فاصله دو سیاهچاله در حال گردش به دور هم است. این به این معنی است که امواج گرانشی که توسط ستاره‌های نوترونی ادغام شده منتشر می‌شوند بسیار ضعیفتر است. به همین دلیل، آشکارسازهای موج گرانشی ما فقط به برخورد ستاره‌های نوترونی که بسیار نزدیک به زمین هستند حساسند. علاوه بر این، امواج گرانشی ویژگی‌های متفاوتی دارند، هنگامی که دو ستاره نوترونی ادغام می‌شوند، امواج گرانشی تا یک دقیقه دوام داشته و قابل شناسایی است. در مقابل، امواج گرانشی ناشی از ادغام جفت سیاهچاله‌ها تنها یک صدم ثانیه دوام دارند.
امواج گرانشی در سراسر کیهان سفر می‌کنند و زمانی که از منظومه شمسی عبور کنند توسط سه رصدخانه در زمین – دو آشکارساز لایگو در ایالات متحده  و آشکارساز ویرگو در ایتالیا – آشکار می‌شوند. هر یک از آشکارسازها به شکل L  با دو بازو به طول 3.2 کیلومتر است. با استفاده از لیزرها و آینه‌ها، این تجهیزات می‌تواند تغییرات بسیار کوچکتر از پروتون را در طول هر بازوی  L شکل تشخیص دهد. دقت این آشکارساز بسیار بالا است و قادر به دیدن تغییراتی به اندازه ضخامت موی انسان است.
در این برخورد با انتشار امواج گرانشی، اشعه گاما نیز منتشر شد. این امواج فاصله 130 میلیون سال نوری بین کهکشان NGC 4993 و زمین را طی کردند و توسط تلسکوپ فضایی فرمی ناسا و اینتگرال اروپا نیز مشاهده شدند.
با تعیین موقعیت محل ادغام توسط تلسکوپ بلانکو، دیگر تلسکوپ‌ها چون  تلسکوپ فضایی هابل ناسا و رصدخانه اشعه ایکس چاندرا به رصد آن پرداختند. 
حال سوال این است، چرا از چنین رصدهایی استفاده می‌کنیم؟ ما اکنون وارد عصر جدیدی از ستاره‌شناسی شده‌ایم. پژوهش‌ها دیگر به طیف الکترومغناطیسی محدود نمی شوند. زمانی که پژوهشگران در جستجوی آسمان برای یافتن وقایع کیهانی هستند، می توانند مشاهدات گرانشی را هم بررسی کنند.
این اندازه‌گیری به طور قطعی تایید می‌کند که برخورد ستاره‌های نوترونی یکی از علل تابش گاما است. 
ادغام ستاره‌های نوترونی منبع عناصر سنگین در زمین است. در حال حاضر اندازه‌گیری‌های انجام شده از این رویداد حاکی از آن است که طلا، اورانیوم و پلاتین از این برخورد تولید شده‌ است. احتمالا طلای حلقه عروسی شما یا والدینتان، میلیاردها سال پیش در اثر برخورد دو ستاره نوترونی تولید شده است.
یک سوال اساسی که می‌توان پاسخ داد، درباره سرعت امواج گرانشی است. در سال 2003 زمانی که مشتری از مقابل یک کوازار بسیار دور عبور می‌کرد، با اندازه گیری اولیه – گرچه دقیق نبود- تایید شد که نور و گرانش با سرعت یکسانی حرکت می‌کنند. با این حال، محاسبات امروزی قابل توجه است. 
پس از طی مسافتی در حدود 130 میلیون سال نوری، پرتوهای گاما و امواج گرانشی که با سرعت نور سفر می‌کنند،با اختلاف 1.7 ثانیه از یکدیگر به زمین ‌رسیدند، و این امواج گرانشی بودند که اول به زمین رسیدند. این یک اندازه گیری قطعی از سرعت جاذبه است.
در حالی که اندازه‌گیری‌های اخیربسیارهیجان‌انگیز است، مهم است که به یاد داشته باشید این تنها یک مشاهده منفرد است. هیجان بیشتر، این واقعیت است که اخترشناسان تازه آغاز به بهره‌برداری از توانایی آشکارسازها کرده‌اند. آشکارسازهای موج گرانشی فقط درباره برخی از رویدادهای قدرتمند و خشن در جهان به ما می‌گویند. من هنوز نمی دانم چه داستانی قرار است بگوید، اما قطعا جذاب خواهد بود.

منبع: space.com

نجوم |

نظر شما
اخبار مرتبط

نوبل فیزیک ۲۰۱۷ به سه کاشف امواج گرانشی اختصاص یافت

1396/07/23
با اعلام نوبل فیزیک ۲۰۱۷ تعداد برندگان این جایزه به عدد ۲۰۶ افزایش یافت. تعداد کل جوایز نوبل فیزیک ۲۰۷ است که در این میان John Bardeen دو مرتبه موفق به دریافت این جایزه شده‌ است. در میان...

کرمچاله چیست؟

1396/08/15
کرمچاله نظریه گذر از طریق فضا-زمان است که می‌تواند پل میانبری برای سفرهای طولانی در سراسر کیهان ایجاد کند.

الهام از چشم خرچنگ‌ها برای کشف لنزهای گرانشی

1396/08/13
محققان سازمان فضایی آمریکا(ناسا) در حال مطالعه و تحقیق برای الهام‌گیری از ساختار چشم خرچنگ برای استفاده در تکنیک‌های کشف لنزهای گرانشی هستند.

توسعه یک پرینتر برای کار در گرانش صفر

1396/08/16
شرکت اچ‌.پی(HP) موفق به توسعه یک پرینتر برای ایستگاه فضایی بین‌المللی(ISS) شده است که در گرانش صفر کار می‌کند.این پرینتر ظاهری شبیه به پرینتر Envy 5600 شرکت اچ‌.پی دارد، اما ناسا از این...

پربازدیدکننده ترین خبر

ایستگاه فضائی سالیوت۶ گامی بلند در تاریخ فناوری فضایی

زمانی که رسانه‌های شوروی در ۲۹سپتامبر ۱۹۷۷از پرتاب ایستگاه فضایی سالیوت۶ (Salyut -6) خبر دادند کمتر کسی تصور می‌کرد این ایستگاه بتواند جایگاه ویژه‌ای در تاریخ فضانوردی برای خود باز کند. اما این پایگاه مداری, خود پایه‌ای شد بر بسیاری تجربه‌های نوین در عرصه فضانوردی. برخلاف ایستگاه‌های فضایی قبلی, سالیوت۶ به دو در ورودی مجهز بود که در قسمت انتهایی آن قرار داشت وجود این سکو قبلاً اعلام‌نشده بود اما از مدت‌ها قبل کارشناسان غربی منتظر چنین عملیاتی از جانب شوروی بودند. سالیوت۶ در دوران کار خود که از زمان پرتاب تا سال ۱۹۸۲ طول کشید, منزلگاه ۱۷گروه فضانورد اصلی و مهمان بود و به‌واسطه امکان تدارکات آن با ناوهای باربری بدون سرنشین پروگرس توانست طولانی‌ترین اقامت در فضا (در زمان خود) به مدت ۱۸۵روز را فراهم آورد.