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.

المصدر: Nobel Prize

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.

المصدر: Nobel Prize

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).

المصدر: Nobel Prize

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.

المصدر: LIGO

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.

المصدر: LIGO