فضا و نجوم

کشف سومین موج گرانشی تایید شد

نوشته شده توسط مینو خوشرنگ‌باف

سومین موج گرانشی که دی‌ماه ۹۵ در هر دو ایستگاه رصدخانه لیگو ثبت شده بود، تایید شد. منبع این موج گرانشی یک سیستم دوتایی از سیاه­چاله‌ها است.
در این سیستم، سیاه­چاله‌­هایی با جرم­‌های ۲۰ و ۳۰ برابر جرم خورشید در هم فرو می‌ریزند و موج گرانشی تابش می­‌کنند. موج گرانشی هنگام رسیدن به زمین باعث تولید اعوجاج در فضا-زمان می­‌شود. این اعوجاج عامل ایجاد افزایش یا کاهش در طول تونل­‌های لیگو و تغییر طرح تداخلی لیزرهای آن می‌شود.

blackhole

 تصویری هنری از ادغام دو سیاه چاله شبیه به آنچه توسط “لیگو” کشف شد.

۱۵ دی ماه سال گذشته دانشمندان از آشکارسازی امواج گرانشی تولید شده توسط یک سیستم سیاه­چاله­‌ای خبر دادند. سیستمی از دو سیاه چاله که سه میلیارد سال قبل در بازه زمانی کمتر از یک سوم ثانیه در هم سقوط کرده و یک مجموعه واحد تشکیل داده­اند.
این دو سیاه­چاله که دارای جرم های ۲۰ و ۳۰ برابر خورشید هستند در حال ادغام با یکدیگرند. امواج آشکار شده توسط لیگو، از تولید سیاه‌چاله‌ای به اندازه ۴۹ برابر جرم خورشید در اثر این ادغام خبر می­دهد.
این سیستم در فاصله ۳ میلیارد سال نوری از ما قرار دارد و در کسری از ثانیه دو برابر جرم خورشید را به انرژی تبدیل می­کند.
این سومین آشکارسازی تایید شده از تلفیق سیاه­چاله‌­ها است که تاکنون توسط رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری  یا همان «لیگو» به رهبری آمریکا شناسایی شده است.
سیاه­چاله­‌های این سیستم با ایجاد خمش در بافتار فضا-زمان، امواج گرانشی را ایجاد کرده و در سراسر کیهان نشر می­‌دهند. از امواج تولید شده پیداست که سیاه­چاله‌­ها به صورت ناهمراستا می­‌چرخند؛ به این معنی که آنها جهت­‌های متفاوتی نسبت به حرکت مداری کل مجموعه دارند.
لیگو اشاره می­‌کند حداقل یکی از سیاهچاله­‌های سیستم قبل از ادغام با همدمش با حرکت مداری اش غیرهم­راستا بوده است.

این سیستم دوتایی از سیاه‌چاله‌ها چگونه شکل‌ گرفته‌اند؟
به عقیده­ ای، سیاه­چاله­‌های دوتایی در اثر انفجار، فروریزش و به هم پیچیدن ستاره­‌هایی که از اول در سیستم دوتایی بودند به وجود می­‌آید. به احتمال زیاد پیش از ادغام چرخش، هر یک از سیاه­چاله­‌ها با حرکت مداری‌شان هم راستا بوده‌اند.
تئوری دوم می­‌گوید سیاه­چاله­‌ها به طور جداگانه شکل گرفته، سپس از نظر گرانشی گرفتار هم می­‌شوند. در این حالت چرخش با احتمال بیشتری به طور تصادفی جهت خاصی خواهد داشت.
لورا کادوناتی یکی از محققان موسسه فناوری جورجیای لیگو، درباره آخرین کشف لیگو گفت: «این تئوری که دو سیاه­چاله به صورت جداگانه در یک خوشه متراکم ستاره­ای شکل گرفته، سپس به مرکز خوشه نزول کرده و جفت شده باشند، درست­‌تر به نظر می‌­رسد. در این حالت فروریزش بیشتر از حالتی است که دو ستاره از همان ابتدا جفت باشند.»
او در ادامه افزود: «این سرنخ بزرگی در راه درک نحوه شکل­‌گیری سیاه‌چاله­‌ها است. ما تکه جدیدی از پازل درک مکانیزم شکل­‌گیری سیاه­چاله‌­ها پیدا کرده­‌ایم.»

در جستجوی امواج گرانشی
موج گرانشی برای نخستین‌بار در سال ۱۹۱۶ در نظریه نسبیت عام اینشتین مطرح شد. معادله اینشتین نشان می­دهد که اجرام سنگین شتاب‌دار مانند سیستم سیاه‌چاله‌های دوتایی یا رمبش هسته ستاره‌های بزرگ در انفجاری ابرنواختری، می‌توانند انرژی گرانشی را به شکل امواجی در بافتار فضا – زمان منتشر کنند.
مایکل لاندری یکی از مدیران لیگو گفت: «امواج گرانشی در فضا، در جایی که ما زندگی می­کنیم اعوجاج ایجاد می‌کنند. در حالت عادی ما هیچ خاصیتی برای فضا متصور نیستیم، بنابراین انبساط، انقباض و ارتعاش آن برای ما اتفاقی نامفهوم و غیربصری است. اما این همان چیزی است که تئوری نسبیت اینشتین به ما می­‌گوید.

ligo-Aerial5

هنگام عبور موج گرانشی، در فضایی که ما در آن زندگی می­‌کنیم اعوجاج ایجاد می­‌شود که ما آن را به شکل تغییر در طول مشاهده می‌­کنیم.»
امواج گرانشی می­‌توانند با سرعتی برابر یا نزدیک به سرعت نور در تمام جهات منتشر شوند. اما آشکارسازی آنها یک چالش بزرگ است. موجی که از یک منبع دوردست به زمین می‌­رسد بسیار ضعیف شده و آشکارسازی آن بسیار سخت­‌تر از امواج قوی است.
بر همین اساس لیگو طوری طراحی شده است که هر نوع تغییر طول حتی در حدود اندازه­‌های هسته اتم را نیز تشخیص دهد.
لاندری با تشبیه فضا-زمان به بوم نقاشی توضیح داد: «اگر من بوم نقاشی را بکشم، شاهد تغییر شکل در نقاشی خواهم بود. این محیطی ارتعاشی است. این همان چیزی است که ما موج گرانشی می­‌نامیم و با مقایسه طول دو بازوی بلند L شکل لیگو ثبت می­‌کنیم.»

از آشکارساز لیگو چه می‌دانیم؟
آشکارساز لیگو (LIGO) دو ایستگاه مشاهده یکی در نزدیکی هنفورد واشنگتن و دیگری حدودا ۳۰۰۰ کیلومتر دورتر، نزدیکی لیوینگستون لوسیانا دارد.
این آشکارساز بازوهایی به شکل L  و طول حدودا چهار کیلومتر دارد که داخلش خلا است. پرتوهای لیزر طی رفت ­و برگشت از تونل­ها و برخورد با آینه‌های متعدد در نهایت در محل تلاقی تونل‌ها با هم تداخل می­‌کنند.
امواج گرانشی با ایجاد اعوجاج از طریق ایجاد فشردگی و کشش خفیف در تونل آشکارسازهای لیگو باعث می­‌شود، پرتوهای لیزر فاصله­‌های متفاوتی را طی کنند.

ligo20160211v6_Tn

اگر پرتوهای هر بازو مسافت­های دقیقا برابری طی کرده باشند، در طرح تداخلی لیگو تغییری مشاهده نخواهد شد. اما اگر امواج گرانشی در راستای یکی از بازوها عبور کرده و باعث تغییری هر چند ناچیز در طول یکی از بازوها شود، مسافت طی شده توسط دو پرتو یکسان نخواهد بود و طرح تداخلی متفاوت از حالت قبل خواهد بود.
الگوی تداخلی حاصله به دانشمندان اطلاعاتی در مورد جرم سیاه‌چاله‌ها و نحوه چرخش سیاه­چاله­‌های اولیه سیستم دوتایی می­‌دهد.
دلیل وجود دو ایستگاه با فاصله زیاد در لیگو، اطمینان از عدم تاثیر زمین لرزه‌­ها بر نتایج آزمایش‌هاست. برای تایید آشکارسازی یک موج گرانشی، باید تاثیرات آن توسط هر دو ایستگاه ثبت شود.
این دقیقا همان چیزی است که دانشمندان لیگو در سه مورد تاییدشده قبلی یافته­اند. دو مورد اول به ترتیب در فاصله­‌های ۱٫۳ و ۱٫۴ میلیاز سال نوری قرار داشتند. منبع امواج گرانشی که دی ماه سال گذشته ثبت شده هم در فاصله ۳ میلیارد سال نوری قرار دارد.

سیاه­چاله چیست؟
سیاه­چاله­‌ها از جمله عجیب‌ترین اجرام عالم هستند. چنین تصور می­شود که سیاه­چاله­‌ها هنگامی به وجود می­آیند که همجوشی هسته‌­ای در هسته ستاره ­های پرجرم به پایان برسد.
دلیل پایداری ستاره­‌ها فشار رو به بیرونی است که در اثر همجوشی هسته­‌ای ستاره تولید می­‌شد. این فشار در مقابل فشار به سمت داخل نیروی گرانشی مقاومت کرده و مانع از فروریزش ستاره می­‌شود. در غیاب این فشار رو به بیرون، هسته همزمان با انفجار ستاره می­‌رمبد و فرو می‌ریزد.

۱۴-۲۱۰_۰

برای ستاره­ای مثل خورشید، فروریزش هسته به دلیل اثر مکانیک کوانتومی متوقف شده یک کوتوله سفید باقی می­‌ماند. بازمانده­ای بسیار کوچک (در حد ابعاد زمین) که گرمایش را با تابش به فضای اطراف از دست می­‌دهد. هسته ستاره­‌های پرجرم‌تر بیشتر فرو­ می­‌ریزند، به حدی که حتی پروتون هم با الکترون ادغام می­‌شود. حاصل رمبش تا این حد، جرمی بسیار چگال است که ستاره نوترونی نام دارد.
هسته ستاره­‌های بسیار پرجرم‌تر پس از رمبش به حدی کوچک می‌شوند که از جهان قابل مشاهده ناپدید می­‌شود. گرانش این اجرام به حدی بالا است که حتی نور نیز نمی­‌تواند از چنگ آن بگریزد.

درباره نویسنده

مینو خوشرنگ‌باف

دیدگاه شما چیست