'العصر الجديد' للفيزياء الفلكية: لماذا تعتبر موجات الجاذبية مهمة جدًا

اصطدم ثقبان أسودان في الفضاء على بعد 1.4 مليار سنة ضوئية من الأرض. تم اكتشاف التموجات في الزمكان الناتج عن هذا الاصطدام بواسطة مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO). (رصيد الصورة: LIGO)

كان يوجد أخبار كبيرة في الفيزياء الفلكية هذا الأسبوع : كشفت إحدى التجارب عن تموجات في الزمكان ، تُعرف باسم موجات الجاذبية ، والتي نتجت عن اصطدام ثقبين أسودين في الفضاء على بعد 1.4 مليار سنة ضوئية من الأرض.

من المؤكد أن هذا يبدو ... معقدًا. ولكن ما هي المشكلة بالضبط؟ لماذا العلماء متحمسون جدا لهذا الاكتشاف الجديد؟ ماذا يخبرهم عن الكون؟ دعونا نكسرها. [البحث عن موجات الجاذبية: مشروع مقياس التداخل الليزري LIGO بالصور]

ما هو الشيء الرائع بخصوص موجات الجاذبية؟

أول شيء مهم في اكتشاف LIGO المباشر لموجات الجاذبية هو أنه حدث على الإطلاق.

لكن أولاً ، دعنا نعود قليلاً ونتحدث عن ألبرت أينشتاين. لقد كان رجلاً ذكيًا - لقد اكتشف الكثير من الأشياء الدقيقة حقًا حول الكون ، بما في ذلك أن الفضاء ليس خلفية ثابتة وصلبة ، مثل المسرح الذي تدور فيه الأحداث الكونية. بدلاً من ذلك ، أظهر أينشتاين أن الفضاء مرن ويتأثر بالأشياء والأحداث بداخله. تخلق الأجسام الضخمة منحنيات في الفضاء ، مثل الطريقة التي تنحني بها كرة البولينج مرتبة عند وضعها فوقها.

(أظهر أينشتاين أيضًا أن المكان والزمان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا - فكلاهما خيوط في النسيج العالمي الذي أسماه الزمكان. سوف نتجاهل هذه العلاقة من أجل الإيجاز).

أظهر ألبرت أينشتاين أن الفضاء ليس ثابتًا ، ولكنه مرن ، ويمكن تشويهه بواسطة الأجسام الضخمة. هنا ، يوجد ثقبان أسودان يُحدثان تموجات في الزمكان.(رصيد الصورة: LIGO)

إذن ما علاقة هذا بموجات الجاذبية؟ إذا كان بإمكان جسم ضخم أن ينحني الزمكان ، فإن تحريك جسم ضخم يمكن أن يخلق تموجات في الزمكان. فكر في زورق يتحرك عبر بحيرة ، يرسل موجات عبر سطح الماء ؛ أو مطرقة تضرب الأسطوانة ، محدثة اهتزازات على السطح.

كان مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية ، والمعروف باسم LIGO ، هو أول تجربة على الإطلاق للكشف المباشر هذه التموجات في الزمكان ، لذا فهي أول دليل مادي مباشر على وجودها بالفعل. جاء أول اكتشاف لها في سبتمبر 2015 ، بعد 100 عام من تنبؤ أينشتاين بوجودها لأول مرة. لقد مرت 40 عامًا أيضًا منذ أن بدأ الناس العمل على التعويذات المبكرة للتقنية التي يستخدمها ليجو لاكتشاف موجات الجاذبية.

لذا فإن هذه التموجات في الزمكان تؤكد نظرية أينشتاين (على الرغم من أنه ثبت بالفعل أنها محكمة الإغلاق إلى حد ما). إن موجات الجاذبية هي مثال صارخ للنسبية العامة. في الماضي ، كانت هذه الأمثلة المتطرفة موجودة فقط على الورق ، في العالم النظري. يمكن أن تساعد البيانات العلماء دائمًا في معرفة المزيد عن الكون ، وإذا كانت نظرية أينشتاين بحاجة إلى تعديل (لجعلها متوافقة مع ميكانيكا الكم ، على سبيل المثال) ، فمن الممكن أن يجد LIGO مكانًا. (قال المدير التنفيذي لـ LIGO إنه يشك في أن يجد LIGO هذه الأنواع من التشققات أو يخسر نهايات في نظرية أينشتاين ، لكنه احتمال.)

ولكن انتظر هناك المزيد.

صيادو الثقب الأسود

تولد الكتل المتحركة موجات من إشعاع الجاذبية التي تمتد وتضغط على الزمكان. شاهد كيف تعمل موجات الجاذبية في مخطط المعلومات هذا من موقع ProfoundSpace.org.(رصيد الصورة: بقلم كارل تيت ، فنان الرسوم البيانية)

كشفت اكتشافات ليجو عن 'إطلاق حقبة جديدة في علم الفلك' ، وفقًا لبيان صادر عن جامعة نورث وسترن ، حيث يدرس العلماء موجات الجاذبية في محاولة لفهم الثقوب السوداء التي أوجدتها. تحدثت مصادر أخرى في LIGO أيضًا عن 'حقبة جديدة' أو 'مجال جديد للفيزياء الفلكية' ، أو أشارت إلى أن LIGO يفتح 'نافذة جديدة' على الكون.

هذا ادعاء كبير. إذن كيف يقود LIGO هذه الثورة؟

فكر في الأمر بهذه الطريقة: إذا سمح كل مرصد وتلسكوب في تاريخ البشرية للناس بـ 'رؤية' الكون ، فإن LIGO يسمح لنا الآن 'بسماعه'. ولم يسمع أحد بالكون بهذه الطريقة من قبل. تخيل كيف سيكون الأمر عندما تكتسب فجأة ليس فقط رؤية جديدة للعالم من حولك ، ولكن القدرة على اكتشاف نوع مختلف تمامًا من المعلومات.

تقريبًا كل مرصد أو تلسكوب يدرس الكون يجمع الضوء - أو ، في بعض الحالات ، جسيمات أخرى. يأتي الضوء في العديد من النكهات ، مثل الأشعة السينية وأشعة جاما والضوء المرئي وموجات الراديو. تشع أجسام مختلفة أطوال موجية مختلفة من الضوء. على سبيل المثال ، ينتج جسمك حرارة كافية لإشعاع ضوء الأشعة تحت الحمراء ، لكن الأمر يتطلب شيئًا ساخنًا مثل الموقد الكهربائي لإشعاع الضوء البصري. النظر إلى الكون بأطوال موجية مختلفة من الضوء يكشف عن أشياء وعمليات مختلفة وأحيانًا تكشف أشياء مخفية لأسباب أخرى.

حسنًا ، ولكن ماذا لو كنت تريد البحث عن كائن لا يشع الضوء؟

تسمى الثقوب السوداء بالثقوب السوداء لأنها تمتلك قوة جاذبية قوية لدرجة أن الضوء لا يستطيع الابتعاد عنها. نتيجة لذلك ، يتم تمثيلها عادةً في الصور والرسوم التوضيحية على أنها كرات سوداء كبيرة في الفضاء - فهي لا تصدر ضوءًا ، ولا تشع الضوء.

هناك طرق أخرى 'لرؤية' الثقوب السوداء. على سبيل المثال ، في بعض الأحيان المواد حول الثقب الأسود تشع الضوء ، ويمكن أن يكشف ذلك على الأقل عن صورة ظلية لأحد هذه الوحوش. من الممكن أيضًا اكتشاف ثقب أسود من خلال تأثير جاذبيته على الأشياء المحيطة به. (هذه أيضًا هي الطريقة التي يكتشف بها العلماء المادة المظلمة ، وهي أشياء أكثر غموضًا تشكل جزءًا كبيرًا من الكون).

يوضح هذا الجدول الزمني الجدول الزمني لاثنين من اكتشافات LIGO المؤكدة لموجات الجاذبية من تصادمات الثقوب السوداء. حدث ثالث ، تمت ملاحظته في هذا الجدول الزمني ، أثار كواشف LIGO ، لكنه لم يكن قويًا بما يكفي للتوصل إلى اكتشاف مؤكد.(رصيد الصورة: LIGO)

لكن بالنسبة للثقوب السوداء التي اكتشفها LIGO ، ومعظم الثقوب السوداء بينها 10 و 100 ضعف كتلة الشمس ، يقول العلماء في LIGO أنه من غير المحتمل أن تنجح هذه التقنيات. هذا لأنه لا توجد مادة حول هذه الثقوب السوداء. يتم قذفه بعيدًا عندما تدور الثقوب السوداء حول بعضها البعض. هذا يعني أن هذه الثقوب السوداء غير مرئية - باستثناء كاشف موجات الجاذبية.

بالإضافة إلى ذلك ، سيخبرك المتشدد أن كل هذه الطرق المذكورة أعلاه صحيحة غير مباشر . إذا أراد شخص ما إنشاء المعلومات مباشرة من الثقب الأسود ، ثم موجات الجاذبية هي.

لذا يستطيع LIGO رؤية أشياء لا يستطيع أي مرصد آخر رؤيتها ، وهذا سبب كبير يجعل الناس يطلقون على هذا بداية حقبة جديدة من الفيزياء الفلكية. سوف يكتشف LIGO العديد من الأشياء الأخرى ، بما في ذلك النجوم المتفجرة (المستعرات الأعظمية) والاندماجات بين النجوم النيوترونية ، أو شذرات انفجارات النجوم المتبقية التي ليست كثيفة بدرجة كافية لتصبح ثقوبًا سوداء.

ولكن ستكون هناك أيضًا اكتشافات عظيمة عندما يعمل LIGO مع التلسكوبات والمراصد الضوئية. هذه الأدوات يمكن أن 'ترى' الكون ، و يستطيع LIGO سماعه - وهي أفضل عند استخدامها معًا ، تمامًا كما تكون الأفلام أفضل عندما تُرى وتُسمع أو يكون الطعام أفضل عندما يتم تذوقه ورائحته. يشير 'علم الفلك متعدد الوسائط' إلى مجموعة من أنواع مختلفة من المعلومات الفلكية ، مثل الضوء وموجات الجاذبية. إنه فصل جديد في الفيزياء الفلكية ، وقد قام LIGO بإعطائه دفعة كبيرة.

ثقوب ليجو السوداء

باستخدام أشعة الليزر ، اكتشف العلماء التشوهات الفيزيائية الناتجة عن تمرير موجات الجاذبية. شاهد كيف يصطاد مرصد ليجو موجات الجاذبية في مخطط المعلومات هذا من موقع ProfoundSpace.org.(رصيد الصورة: بقلم كارل تيت ، فنان الرسوم البيانية)

لتتعرف على نوع المعلومات التي يمكن أن توفرها موجات الجاذبية ، ألق نظرة على اكتشافين لليغو. تم إنشاء الإشارة الأولى ، التي تم اكتشافها في سبتمبر 2015 ، عن طريق ثقبين أسودين كتلتهما 29 و 36 ضعف كتلة الشمس ، على التوالي. لقد خلقوا ثقبًا أسودًا جديدًا بكتلة خجولة فقط من كتلهم المجمعة. (فُقد جزء من الكتلة كطاقة في عملية الاندماج). تم إنشاء الاكتشاف الثاني أيضًا بواسطة ثقبين أسودين كتلتهما 7.5 و 14 ضعف كتلة الشمس ، على التوالي.

يُظهر هذا الرسم البياني ثقوبًا سوداء ذات كتلة شمسية ذات كتل معروفة. يتضمن ذلك ستة ثقوب سوداء اكتشفها LIGO (تصادمات الثقب الأسود المزدوج تخلق ثقبًا أسودًا ثالثًا جديدًا) ، بالإضافة إلى الحدث الثالث.(رصيد الصورة: LIGO)

توفر كتلة الثقب الأسود نظرة ثاقبة لكيفية تشكله. من المحتمل أن تكون هذه الثقوب السوداء الأربعة قد ولدت من نجوم مفردة ضخمة. احترقت تلك النجوم بشكل لامع ، ولكن نفد الوقود وانهارت على نفسها ، مما أدى إلى تحطيم المادة في مساحة صغيرة جدًا لدرجة أن كثافة الجسم المتبقي لا يمكن وصفها بوضوح بواسطة الفيزياء الحديثة.

لكن خصوصيات الوضع المعيشي لكل نجم يمكن أن تختلف ، وفقًا لفيكي كالوجيرا ، عالمة الفيزياء الفلكية في جامعة نورث وسترن وعضو في LIGO Collaboration.

من المحتمل أن تكون الثقوب السوداء الأصغر التي اكتشفها LIGO من النجوم التي عاشت بالقرب من بعضها البعض ، وبقيت معًا بعد الموت ، وفي النهاية تصاعدت باتجاه بعضها البعض واندمجت. قارن ذلك مع الثقوب السوداء التي تقترب من كتلة الشمس بعشرين مرة ، والتي تشكلت على الأرجح في مجموعات كبيرة من النجوم ('حفرة كبيرة' من النجوم ، كما وصفها بيان من جامعة نورث وسترن).

كم عدد الثقوب السوداء التي تتكون في عناقيد ، وكم عدد الثقوب السوداء التي تتكون خارج العناقيد؟ كم عدد عمليات اندماج الثقوب السوداء التي تحدث في الكون كل يوم؟ ما هو حجم هذه الثقوب السوداء؟ هل يمكنهم الكشف عن أي معلومات جديدة حول الثقوب السوداء الوحشية في مراكز المجرات ، والتي لها كتل تتراوح من ملايين إلى مليارات المرات من كتلة الشمس؟

هذه أسئلة يمتلك العلماء الآن فرصة أفضل في الإجابة عليها ؛ لأنهم يستطيعون اكتشاف اندماجات الثقوب السوداء مباشرةً ، وسرعة اكتشاف الكتل الدقيقة لتلك الثقوب السوداء.

مجرد البداية

اكتشف LIGO عمليتي اندماج مؤكدتين للثقب الأسود في أول دورة علمية له ، والتي استمرت حوالي ستة أشهر. حاليًا ، يعمل LIGO بحوالي 40 بالمائة فقط من الحساسية التي تم تصميمها لتحقيقها. ستؤدي التحسينات التدريجية من قبل فريق LIGO إلى زيادة هذه النسبة ببطء ، ومع كل عثرة في الحساسية ، من المتوقع أن يكتشف LIGO المزيد والمزيد من الكائنات. وفقًا لـ David Reitze ، المدير التنفيذي لمختبر LIGO ، إذا كان الكاشف أكثر حساسية بنسبة 25٪ في دورته القادمة (التي تبدأ في سبتمبر) ، يمكن أن تتوقع LIGO Collaboration ستة إلى ثمانية اكتشافات ، بدلاً من اثنين.

وفي الوقت نفسه ، من المقرر أن يبدأ تشغيل كاشف الموجات الثقالية المصاحب في إيطاليا في يناير ، وهناك خطط لامتلاك كواشف في اليابان والهند في المستقبل. تجربة فضائية تضع الأساس لكاشفات موجات الجاذبية الفضائية. ويعمل على تعاون العلماء قياس موجات الجاذبية بدراسة النجوم النابضة ، أو النجوم النيوترونية التي تشع حزمًا من موجات الراديو.

يعني اكتشاف LIGO الكثير من الأشياء لمجتمع الفيزياء الفلكية ؛ قد تكون في الواقع بداية حقبة جديدة.

اتبع كالا كوفيلد تضمين التغريدة . تابعنا تضمين التغريدة و موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك و + Google . المقالة الأصلية بتاريخ موقع guesswhozoo.com .