شروع فصل جدید شکار «امواج گرانشی»

در حالی که کمتر از یک ماه و نیم تا یکصدمین سالگرد طرح تئوری نسبیت عام توسط آلبرت اینشتین باقی مانده، آزمایشگاهی هم‌اینک، پس از گذشت قریب به پنج سال ارتقا، شروع به کار کرده که انتظار می‌رود عاقبت بتواند از پس اثبات جسورانه‌ترین پیش‌بینی این تئوری دوران‌ساز برآید.

«تداخل‌سنج لیزری رصد امواج گرانشی» (LIGO)، سابقاً هشت سال متوالی – از ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۰ – را به جستجویی بی‌نتیجه پی امواج گرانشی گذراند؛ افت‌وخیزهای متناوبی در پیوستار فضا-زمان، که تصور می‌رود از برهم‌کنش نزدیک دو جرم فوق‌العاده سنگین‌وزن (نظیر یک جفت ستاره نوترونی یا سیاهچاله) به اطراف پخش می‌شوند.

حال، طرح «لیگوی پیشرفته»، با حساسیتی سه برابر بیشتر از آن مقطع، کارش را موقتاً برای مدت سه ماه آغاز کرده تا سال آینده به بهره‌برداری نهایی برسد.

پروژه ۶۲۰ میلیون دلاری لیگو (که هم‌اینک تحت عنوان «لیگوی پیشرفته» [Advanced LIGO] شناخته می‌شود)، از دو تأسیسات پیچیده، با فاصله ۳۸۶۰ کیلومتر از یکدیگر تشکیل شده است؛ یکی در منقطه هانفورد واشنگتن و دیگری در لیوینگتسون لوئیزیانا.

هریک از این تأسیسات هم با بهره‌مندی از دو بازوی ۴ کیلومتری عمود بر هم، هم‌اینک قادر است تا به روشی با نام «تداخل‌سنجی»، تغییری معادل ضخامت تنها یک تار موی انسان را در طول مسافتی هم‌اندازه با فاصله خورشید تا ستاره آلفا-قنطورس (نزدیک‌ترین ستاره به ما در فاصله ۳ / ۴ سال نوری) را تشخیص بدهد.

این سطح خارق‌العاده از دقت، امکان کشف امواج گرانشی را تا فاصله ۳۲۶ میلیون سال نوری تضمین می‌کند – حجمی محتوی ۳۰۰ هزار کهکشان. این در حالیست که پنج سال پیش، و پیش از این عملیات ارتقا، لیگو تنها قابلیت تشخیص امواج گرانشی در حجمی حاوی تنها ۱۰۰ کهکشان را داشت.

با احتساب این واقعیت که احتمال برخورد دو ستاره نوترونی در یک کهکشان، حدود یک‌بار در هر سی‌هزار سال است، عجیب نبوده که جستجوهای هشت‌ساله این پروژه تا پیش از ارتقا، عملاً دستاوردی را به ارمغان نداشت.

البته وجود امواج گرانشی، که با توجه به شرایط استثنایی ایجاد و پراکندگی‌شان از جسورانه‌ترین پیش‌بینی‌های تئوری نسبیت عام اینشتین به شمار می‌رود، صرفاً در حد فرضیه نیست. در سال ۱۹۷۴، راسل هولس و جوزف تیلور، اخترفیزیکدانان دانشگاه ماساچوست در امهرست، موفق به کشف تپ‌اختری با دوره تناوب ۵۹ میلی‌ثانیه شدند، که مورد ایده‌آلی برای ارزیابی پیش‌بینی‌های نسبیت عام به شمار می‌رفت.

«تپ‌اختر»‌ها، نوع خاصی از ستاره‌های نوترونی (یعنی لاشه‌های چگال بازمانده از مرگ ستارگان سنگین‌وزن) هستند که محور میدان مغناطیسی‌شان تصادفاً در راستای زمین قرار دارد. از آنجا که محور چرخشی و مغناطیسی ستاره‌های نوترونی غالباً بر هم انطباقی ندارد، تابش سنکروترونی ناشی از سقوط ذرات باردار در قطبین مغناطیسی این ستاره‌های سریعاً چرخنده هم به شیوه‌ای متناوب، و به حالت «تپش‌» هایی منظم، از زمین دریافت می‌شود؛ به‌طوری‌که دوره تناوب این تپش‌ها معادل دوره تناوب چرخش این ستاره‌هاست (جهت مشاهده انیمیشنی از مکانیسم فعالیت یک تپ‌اختر، نگاه کنید به این لینک).

هرچند که تا سال ۱۹۷۴، اخترشناسان موفق به کشف ده‌ها تپ‌اختر شده بودند، اما آنچه کشف هولس و تیلور را متمایز می‌کرد، تشخیص افت و خیزهای منظم دیگری با دوره تناوب ۷۵ / ۷ ساعت در خلال دوره تناوب اصلی آن تپ‌اختر بود.

این مسأله تنها می‌توانست حاکی از آن باشد که تپ‌اختر مزبور نه‌تنها به گرد خودش می‌چرخد (آن‌هم ۱۷ بار بر ثانیه)، بلکه در مداری به قطر ۳ ثانیه نوری (یا حدود ۹۰۰ هزار کیلومتر) در اطراف یک مرکز ثقل دیگر نیز می‌چرخد (چراکه دامنه تأخیر تپش‌ها در این ۷۵ / ۷ ساعت، حداکثر ۳ ثانیه بود). این داده‌ها روی‌هم‌رفته بر این فرض بعید صحه گذاشت که تپ‌اختر مزبور در همسایگی نزدیک یک ستاره نوترونی دیگر، با یک مرکز ثقل مشترک به سر می‌برد.

هم‌نشینی دو جرم سنگین‌وزن و چگال (هرکدام با جرمی در حدود ۴ / ۱ برابر خورشید) در فضایی چنین کوچک، به موقعیتی استثنایی شکل داده بود تا توسط آن به ارزیابی دقت پیش‌بینی تئوری نسبیت عام پرداخت.

طبق این پیش‌بینی، بخشی از انرژی پتانسیل گرانشی این منظومه دوتایی، رفته‌رفته به‌شکل امواج گرانشی به اطراف پخش می‌شود و در نتیجه با گذشت زمان و اتلاف انرژی، این دو ستاره به هم نزدیک و نزدیک‌تر خواهند شد – یا به عبارت دیگر، دوره تناوب مداری‌شان رفته‌رفته کاهش خواهد یافت.

مشاهدات اولیه هولس و تیلور در حدفاصل سال‌های ۱۹۷۴ تا ۱۹۷۸ نشان از صحت پیش‌بینی‌های نسبیت عام با دقتی باورنکردنی می‌داد – آن‌قدر که این دو فیزیکدان، جایزه نوبل فیزیک ۱۹۹۳ را، به پاس “کشفی که امکان‌هایی تازه فراروی مطالعات جاذبه گشود”، از آن خود کردند.

با این‌همه، کشف بزرگ هولس و تیلور به منزله تشخیص «غیرمستقیم» امواج گرانشی به شمار می‌رفت، و برای تشخیص مستقیم این امواج احتیاج بود تا به جای رصد مستمر یک آزمایشگاه طبیعی، رصدگاهی مصنوعی برای این امواج، با شرایطی کاملاً تحت کنترل فیزیکدانان ساخت. این رصدگاه، همان طرح بلندپروازانه لیگو بود.

راهبرد اصلی به‌کاررفته در ساخت تأسیسات لیگو، استفاده هرچه‌دقیق‌تر از فناوری «تداخل‌سنجی» (interferometry) بوده و هست. مطابق این راهبرد، پرتویی از لیزر به سمت یک انشعاب اپتیکی شلیک می‌شود تا پرتو را به دو مؤلفه عمود بر هم تفکیک کند. هریک از این پرتوهای حاصله، سپس مسیر ۴ کیلومتری بازوهای لیگو را به‌طور رفت و برگشتی طی می‌کنند تا با ورود مجددشان به انشعاب اولیه، بار دیگر در هم ادغام گردند. اگرچنانچه یک موج گرانشی از زمین بگذرد، طول یکی از بازوهای لیگو ناگزیر نسبت به دیگری تغییر خواهد کرد (البته در مرتبه یک‌صدم قطر یک اتم).

همین تغییر، اختلافی را در مسافت طی‌شده توسط پرتوهای لیزر ایجاد می‌کند و باعث می‌شود تا پرتوها پس از ادغام، اصطلاحاً «ناهم‌فاز» شوند (نگاه کنید به تصویرسازی زیر). همین ناهم‌فازی ناچیز، شاهد مستقیمی دال بر وجود امواج گرانشی به شمار می‌رود.

اما هر ناهم‌فازی‌ای را نمی‌توان به عبور امواج گرانشی نسبت داد. با دقت فوق‌العاده بالای تأسیساتی همچون لیگو، هر لرزشی در زمین (از حرکت یک قطار دوردست گرفته تا قطع درختان اراضی تولید الوار در حومه لیوینگستون) می‌تواند منجر به ناهم‌فاز شدن امواج لیزر شود. به همین‌منظور تأسیسات لیگو به‌شکل دوقلو طراحی شده‌اند، که یکی‌شان در ایالت واشنگتن، و دیگری در لوئیزیانا مستقر است تا تأثیر چنین «نویز» هایی بر نتایج آزمایش به حداقل برسد – چراکه چنانچه یک موج گرانشی به زمین برسد، هر دو حسگر را همزمان، و به یک میزان فعال خواهد کرد؛ حال‌آنکه احتمال بروز چنین تشابهی برای دو نویز کاملاً مجزا در حد صفر خواهد بود.

فیزیکدانان طرح لیگوی پیشرفته در نظر دارند تا طی سال آینده میلادی، از داده‌های طرح ۲۰۰ میلیون یورویی «ویرگوی پیشرفته» (Advanced Virgo) نیز در نزدیکی شهر پیزای ایتالیا بهره بجویند و بدین‌وسیله جستجو پی امواج گرانشی را به تلاشی بین‌المللی در بستر شبکه‌ای از حسگرهای فوق‌دقیق بدل کنند.