LIGO: اكتشاف موجات الجاذبية باستخدام البصريات الدقيقة

رؤية الجاذبية: كيف يكتشف LIGO موجات الجاذبية

تاريخ علم الفلك مرتبط بتقدم التلسكوبات، التي تكشف تدريجياً المزيد من الكون لنا. بدأ ذلك بالتلسكوب البدائي لجاليليو وغيرهم من الرواد، ولا يزال مستمراً حتى اليوم.

لقد غطينا عدة مشاريع تلسكوبية ضخمة جديدة، على سبيل المثال:

• DKIST, أقوى تلسكوب شمسي في العالم.
• تلسكوب جيمس ويب الفضائي, يقع على بعد ملايين الأميال من الأرض.
• The Vera C. Rubin Observatory, تلسكوب مسح يراقب السماء بأكملها دفعة واحدة.
• SKAO (Square Kilometer Array Observatory), يدرس السماء في طيف الموجات الراديوية.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), الكشف عن النيترونات المتخفية.

نوع جديد من علم الفلك يبرز، يدرسه بطريقة مبتكرة تماماً: بدلاً من الضوء وطول موجة الأمواج الكهرومغناطيسية، يقيس موجات الجاذبية.

كانت مجرد نظرية حتى وقت قريب، والآن أصبحت موجات الجاذبية ظاهرة مثبتة. أحد المشاريع يبحث عن طرق لقياسها: مرصد التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO).

قياس الجاذبية باستخدام علم الفلك بالموجات الجاذبية

كان يُعتقد طويلاً أن الجاذبية هي مجرد واحدة من القوى الأساسية للكون، مثل الكهرومغناطيسية أو القوة التي تدفع القوى النووية على المستوى الذري.

لكن مع بداية القرن العشرين، وصف نظرية أينشتاين للنسبية الجاذبية على أنها انحناء الزمكان.

لم تصف نظريته فقط بشكل صحيح كيفية عمل الجاذبية للأجسام الضخمة مثل النجوم، بل تنبأت أيضاً بالعديد من الظواهر الفضائية التي لم تُكتشف بعد في ذلك الوقت، مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.

تنبأت أيضاً بوجود موجات الجاذبية، التي تجعل الفضاء يتمدد ويتقلص مثل تموجات تنتشر على سطح بحيرة.

على عكس موجة الضوء العادية أو حتى موجة محيط من الماء، لا تُحمل الموجة الجاذبية بأي جسيمات. بدلاً من ذلك، تحدث الموجة الجاذبية عندما يتماوج أو يهتز نسيج الزمكان نفسه.

من المحتمل أن يكون هناك حدث ضخم بما يكفي لتوليد موجات جاذبية قوية بما يكفي للقياس، مثل، على سبيل المثال، تصادم ثقبين أسودين معاً.

ومع ذلك، بغض النظر عن مدى قوة هذه الظاهرة من حيث المطلق، فإن المسافة الهائلة بين الأرض ومصدرها، وصعوبة محاولة قياس الزمكان نفسه، تعني أنه يجب تصميم أداة فائقة الحساسية لاكتشاف هذه الأحداث.

بحلول الوقت الذي تصل فيه موجات الجاذبية إلى الأرض، بعد ملايين أو مليارات السنين الضوئية، تكون أصغر بآلاف المليارات من المرات.

لهذا السبب تم تصور أداة مبهرة مثل LIGO.

بالنسبة لموجات الجاذبية من أول اكتشاف لـ LIGO، كان مقدار اهتزاز الزمكان الذي تولدوه أصغر بـ 10,000 مرة من نواة الذرة!

كيف يكتشف المداخل الضوئية موجات الجاذبية

تم الحصول على أول دليل غير مباشر على موجات الجاذبية من خلال دراسة مدار نبضة ثنائية. تطابق فقدان الطاقة بسبب تدهور المدار مع الطاقة المتوقعة التي ستفقد لتوليد موجات الجاذبية، فوز العلماء المسؤولين عن هذا الاكتشاف بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1993.

يتطلب القياس المباشر نوعاً مختلفاً من الدليل، باستخدام مداخل ضوئي. الفكرة الأساسية للمداخل الضوئي هي استخدام التفاعل بين أشعة الضوء. إذا كان لدى موجتي ضوء نفس الطول الموجي، فإنهما سيتداخلان ويخلقان نمطاً من البقع الداكنة والفاتحة.

ولكن إذا تغير شيء ما في هذه الأطوال الموجية، يمكن قياس الاضطراب.

مع توسع وانكماش الزمكان نتيجة موجات الجاذبية، يتم توسيع وانكماش أحد أذرع المداخل الضوئي أكثر من الآخر، مما يخلق تأثيراً قابلاً للكشف والقياس لموجات الجاذبية.

LIGO – إنجاز فائز بجائزة نوبل

في أبسط صورة، يتكون LIGO من ذراعين طويلين، يُرسل الضوء عبرهما، كل منهما بطول 4 كيلومترات، أي 2½ ميل. يساعد طول الذراع في اكتشاف أصغر التغييرات، فكلما طالت الأذرع، صغر القياسات التي يمكن إجراؤها.

يُرسل شعاع ليزر عبر أحد أذرع المداخل الضوئي، ثم يُقسم إلى اثنين. تُعكس كلا الشعاعين مرة أخرى بعد اصطدامهما بمرآة.

عادةً، يجب أن يلغي كل شعاع ليزر الآخر.

ولكن إذا تم انكماش أو تمدد أحد الأذرع أكثر من الآخر بسبب موجة جاذبية، يتوقف التداخل بين شعاعات الليزر، ويتم اكتشاف إشارة ضوئية.

في عام 2015، أكدت مرصد التداخل الليزري لموجات الجاذبية التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم الأمريكية (NSF LIGO) اكتشاف الموجات التي أنشأتها تصادمات ثقوب سوداء على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض.

هذا العمل الرائد منح الفيزيائيين راينر فايس، باري باريش، وكِب ثورن جائزة نوبل في الفيزياء عام 2017.

بناء LIGO

من حيث المبدأ، يُعد LIGO مفهومًا بسيطًا نسبيًا، سهل الفهم بمجرد أن نستوعب مفهوم موجات الجاذبية ومع الحد الأدنى من الفهم للضوء والليزر.

إن بناء نظام دقيق بما يكفي لاكتشاف تغير في الطول بمقدار 1/10,000 من الذرة هو قصة أخرى.

بُنيت منشأتان متشابهتان، واحدة في شمال غرب الولايات المتحدة والأخرى في لويزيانا، تفصل بينهما حوالي 3,000 كيلومتر (1860 ميل).

تعمل المنشأتان المزدوجتان كتحقق، حيث إن مسافتهما الكبيرة تعني أن موجة الجاذبية ستحظى بـ “تأخير” سبع ثوانٍ بينهما، مع توليد نفس الإشارة.

لذا، بينما قد يُعتبر اكتشاف واحد فقط خطأً محتملاً أو اضطرابًا محليًا، فإن حدوث نفس الشيء على جانبي الولايات المتحدة في الفاصل الزمني المتوقع تقريبًا أمر شبه مستحيل.

توفر المنشأتان المزدوجتان أيضًا ميزة لا تقدر بثمن: إمكانية تحديد موقع الإشارة عبر المثلثية. يتيح لنا ذلك تضييق المنطقة في السماء التي قد تأتي منها الإشارة، والتي يتم لاحقًا تحديدها من قبل الفلكيين “العاديين” الذين سيجدون الجسم النجمي المسؤول.

سعي LIGO إلى دقة قياس غير مسبوقة

العقبة التقنية الأولى هي أن يكون طول موجة الضوء الليزري وشدتهما ثابتين قدر الإمكان. بدون ذلك، قد تُفسر التقلبات العشوائية خطأً كإشارة لموجة جاذبية.

ثم يجب أن يصيب الشعاع المرايا المعلقة بدقة. يجب ألا تتحرك هذه المرايا أبداً.

يجب أن تهتز بالكاد على الإطلاق، حتى عندما تتساقط الأوراق من الأشجار القريبة، أو يمر طفل، أو تمر شاحنة على طريق بعيد. في الوقت نفسه، يجب أن تكون هذه المرايا المعلقة حرة لتتأرجح مع مرور موجات الجاذبية.

• الحركة الحرارية للذرات على سطح المرايا
• التأثيرات الكمومية في الليزر.
• الاهتزازات الزلزالية.
• أي شوائب هوائية ستتداخل، مما يتطلب إجراء التجربة بالكامل في أنابيب فراغ ضخمة.

نظريًا، قد توفر الأذرع التي تتجاوز 4 كيلومترات قياسات أكثر دقة، لكن عمليًا هناك حد عملي لحجم المداخل الضوئي الذي يمكن بناؤه.

وبالتالي، ظهر بسرعة أنه، إلى جانب الأعمال الأولية، يتطلب هذا المشروع ميزانية وخبرة تقنية أكبر بكثير مما يمكن لفريق بحث صغير توفيره.

لذا في عام 1994، حول العالم بارِش من كالتيك مجموعة البحث الصغيرة التي تضم حوالي 40 شخصًا إلى تعاون دولي واسع النطاق يضم أكثر من ألف مشارك، بتمويل أولي قدره 395 مليون دولار.

سيتطلب ذلك ما مجموعه 200 مليون دولار لتحقيق الاختراق في عام 2015، عندما حصل LIGO على ليزرات أقوى بعامل 10، ومرايا وزنها 40 كيلوجرامًا، وتصفية ضوضاء متقدمة للغاية، وإحدى أكبر أنظمة الفراغ في العالم.

التثبيت الزلزالي

نظرًا لأن الأرض ليست ثابتة تمامًا أبدًا، فإن مرايا LIGO ليست كذلك بدون مثبتات زلزالية.

تم تركيب نظام أول لتقليل الاهتزازات السلبية على المرايا: نظام بندول معقد يمتص الاهتزازات ويمنع انتقالها إلى الجزء التالي.

مجموعًا، هذا الهيكل فعال جدًا في تقليل الاهتزازات بحيث يصبح أي اهتزاز موجود في أعلى التعليق أصغر بمقدار 100 مليون مرة عندما يصل إلى الكتلة التجريبية نفسها.

حتى ذلك لم يكن كافيًا، لذا تم إكماله بنظام تثبيت نشط أيضًا. تكتشف مقاييس الزلازل حول كل مرصد مجموعة من حركات الأرض، ثم تُرسل هذه الإشارات إلى حاسوب يجمعها ويحدد الحركات المضادة.

كانت أهمية خلو الموقع من الاهتزاز معيارًا مهمًا عند اختيار موقع بناء المداخل الضوئية. لم يحتاجوا فقط إلى مساحة واسعة، بل أيضًا إلى خلو من النشاط البشري الذي يولد الكثير من الاهتزازات، وهو ما يعادل تلوث الضوء لاكتشافات موجات الجاذبية.

البصريات

كل واحدة تزن 40 كغ، ومعلقة في أسفل التعليقات، تتكون بصريات LIGO من مواد فائقة النقاء تُوضع بطبقات بسمك نانومتري. تُغطى بمواد تعكس كل فوتون ما عدا واحد من كل 5 ملايين فوتون يصطدم بها!

الليزر

جوهر التجربة، الليزر، يحتاج إلى طول موجي ثابت جدًا للحفاظ على نمط التداخل ثابتًا، ولا يتأثر إلا بموجات الجاذبية.

لم تكن الليزرات التجارية دقيقة إلى هذا الحد. لذا تم تصميم ليزر LIGO خصيصًا ليكون أحد أكثر الليزرات استقرارًا ونقاءً من نوعه على الإطلاق.

الفراغ

لتقليل أي تداخل من الهواء أو الجسيمات العائمة، تُجرى الاختبارات في ظروف فراغ فائق الارتفاع.

كما يزيل خطر تراكم الغبار على المرايا، الذي سيحترق بفضل الليزر ويدمر المرايا التي قيمتها 2 مليون دولار.

ضغط الهواء داخل أذرع LIGO هو واحد من تريليون ضغط مستوى سطح البحر، مما يعني وجود حوالي 10 ملايين جزيء لكل سنتيمتر مكعب.

إنجازات LIGO

بعد الاكتشاف الأول لتصادم الثقوب السوداء في عام 2015، قاس المرصد العديد من الأحداث عالية الطاقة الأخرى في الكون:

• اندماج آخر لثقب أسود في عام 2016، كل منهما يزن حوالي 30 كتلة شمسية، تم تحديد موقعه على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية، أي ما يقرب من 1/10 من مسافة الكون القابل للرصد بأكمله.
• اندماج ثالث ثم رابع للثقوب السوداء في عام 2017.

بعد ذلك، أُغلق LIGO للتحسين حتى عام 2019، قبل أن يتوقف بسبب الجائحة. استغل العلماء هذه الفرصة لإجراء تحسينات إضافية وإضافة شبكة VIRGO، المرفق الأوروبي الشقيق خارج بيزا في إيطاليا.

مستقبل LIGO

قادت التحسينات السابقة LIGO إلى تحقيق ما لا يقل عن 79 اكتشافًا لموجات الجاذبية في السنوات الأخيرة، مما أنشأ فهرسًا واسعًا من الأحداث التي تشمل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء لتمكين الفلكيين الآخرين من تحديدها بدقة وفهمها بشكل أفضل.

ستكون الترقية المستقبلية المهمة استبدال المرآة الحالية بوزن 40 كغ بمرآة وزنها 100 كغ، إلى جانب أنظمة تعليق أكبر بكثير.

يجب أن تساعد الحساسية الإضافية في العثور على مزيد من المعلومات حول الجاذبية في الكون.

مجال بحث آخر هو “موجات الجاذبية المتفجرة”. هذه الموجات ذات المدة القصيرة من مصادر غير معروفة أو غير متوقعة هي مجرد نظرية وصعبة الاكتشاف، لذا يحتاج المحللون الذين يديرون LIGO إلى أن يكونوا منفتحين بشأن ما إذا كانت إشارة صالحة أم لا.

“قد نكتشف أيضًا موجات جاذبية من أنظمة لم نكن نعرفها من قبل. للبحث عن هذا النوع من موجات الجاذبية، لا يمكننا افتراض أنها ستمتلك خصائص محددة كما هو الحال في النماذج التي وضعها علماء LIGO مسبقًا.

هذا يعني أننا لا نستطيع تقييد تحليلاتنا بالبحث فقط عن توقيعات موجات الجاذبية التي تنبأ بها العلماء.”

الكواشف الأخرى لموجات الجاذبية

الجيل التالي من المداخل الضوئية قيد المناقشة أيضًا، لا سيما Cosmic Explorer، مداخل ضوئي بأذرع بطول 40 كلم، أو Einstein Telescope، كاشف ثلاثي الشكل بأذرع بطول 10 كلم مدفونة عميقًا تحت الأرض.

مشروع آخر قد يُرى في المستقبل هو كاشف هائل لموجات الجاذبية في الفضاء: LISA، هوائي الفضاء للتداخل الليزري. يتم تصميمه واختباره بالفعل من قبل مشروع تقوده وكالة الفضاء الأوروبية سيشغل ثلاث مركبات فضائية في تشكيل مثلثي، بحيث تكون المسافة بين كل قمر صناعي 2.5 مليون كيلومتر.

اسحب للتمرير →

الخلاصة

يُعد LIGO مشروعًا مثيرًا للإعجاب للغاية، حيث انتقل من كونه تجربة من النوع الأول إلى تأكيد وجود موجات الجاذبية على الفور.

قد يبدو مشروع مثل LIGO في الوهلة الأولى أكاديميًا بحتًا. وهذا نادرًا ما يكون صحيحًا، رغم أن التطبيقات المباشرة قد تبدو صعبة التخيل في البداية.

على سبيل المثال، تُستخدم نظرية النسبية لأينشتاين اليوم بشكل روتيني لمعايرة مواقع أقمار نظام GPS، وهو تطبيق كان من الصعب تخيله كاحتياج تجاري يومي في عام 1919.

وبالمثل، يدفع LIGO العلماء إلى اختراع مرايا أكثر دقة، وأنظمة تثبيت، وليزرات، بمستويات هندسية عالمية.

من المرجح أن تؤتي هذه الابتكارات ثمارها في أي تقنية تستخدم هذه الأجهزة، بما في ذلك الحوسبة المتقدمة أو تقنيات الفضاء.

الاستثمار في البصريات المتقدمة

Corning Incorporated

مع دفع التلسكوبات حدود ما هو ممكن في تصنيع الزجاج المتقدم بدقة، يفتح ذلك أيضًا العديد من الفرص الصناعية في قطاعات متنوعة مثل السيارات، أشباه الموصلات، الذكاء الاصطناعي، الدفاع، التكنولوجيا الحيوية، الرعاية الصحية، إلخ. سوق البصريات المتقدمة هو سوق بقيمة 310 مليارات دولار، ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو مركب سنوي 9.2٪ حتى عام 2032.

Corning هي شركة زجاج وبصريات موجودة منذ 170 عامًا. على مدار تاريخها، أنتجت أول مصابيح زجاجية لمصباح توماس إديسون الكهربائي، أول ألياف بصرية منخفضة الفقد، الركائز الخلوية التي تمكّن محولات الحفاز، وأول زجاج غطاء مقاوم للضرر للأجهزة المحمولة.

اليوم، تركز الشركة على التقنيات الأساسية لتصنيع الزجاج والسيراميك، وتقنيات الفيزياء البصرية، التي تشترك في عمليات تصنيع وأسواق نهائية مشتركة.

يسمح هذا الترابط بين التقنيات للشركة بمشاركة قدرات التصنيع والبحث والهندسة المشتركة بين خطوط منتجاتها المختلفة. مع أكثر من 52,000 موظف، وأكثر من 77 موقع تصنيع حول العالم، وأكثر من 10 مرافق للبحث والتطوير، تُعد الشركة لاعبًا كبيرًا في مجالها.

تستفيد الشركة من الازدهار في مجال الذكاء الاصطناعي وبناء مراكز البيانات (الألياف البصرية)، وكذلك الاستهلاك العام للزجاج المتخصص في الشاشات والتكنولوجيا الحيوية.

لا ينبغي أن تتأثر Corning كثيرًا بالتعريفات الجمركية، حيث يأتي 90٪ من إيراداتها في الولايات المتحدة من منتجات ذات أصل أمريكي. القليل جدًا من المبيعات التي تتم في الصين نشأت من مرافق أمريكية، حيث تُجرى 80٪ من مبيعات الصين داخل الصين.

قد تساعد التعريفات حتى، حيث تدخل Corning سوق الألواح الشمسية، مع السيطرة الاستراتيجية على Hemlock Solar، لإنتاج ألواح صُنعت في الولايات المتحدة، حيث تُفرض تعريفات بأربعة أرقام على الألواح الشمسية الآسيوية (ليس الصينية فقط). تم تأمين 80٪ من القدرة بالفعل من خلال التزامات العملاء.

تُعد الطاقة الشمسية منطقية جدًا للشركة، حيث تتعامل السيليكون مع خبرة تصنيع أساسية للشركة، وقد أنتجت بوليسيليكون لمدة 60 عامًا، بما في ذلك سيليكون فائق النقاء (نقاء 99.9999999999٪) وتطلق الآن إنتاج رقاقة السيليكون، وهو منتج يُستورد بنسبة 100٪ في الولايات المتحدة.

تبحث الشركة أيضًا عن تقنيات متقدمة أخرى حيث يمكن لخبرتها في الزجاج والسيراميك أن توفر ميزة قوية، بما في ذلك الزجاج القابل للانحناء، والواقع المعزز، واحتجاز الكربون، إلخ.

بشكل عام، تُعد Corning شركة تقنية بعمق، مع تصنيع محلي لا ينبغي أن يتأثر بالعولمة العكسية. كما أنها تحتضن أسواقًا جديدة تتوافق مع كفاءاتها الأساسية، لا سيما الطاقة الشمسية والاتصالات البصرية / بنية تحتية للذكاء الاصطناعي. وهذا يجعلها شركة محافظة نسبيًا تغوص أعمق في مجالها، لكنها أيضًا سهم نمو محتمل في الأسواق التقنية المتقدمة.

أحدث أخبار وتطورات سهم Corning Inc. (GLW)