ملخص
كانتالطريقةالوحيدةلمراقبةالكونهيالضوءالذيتلتقطهالتليسكوبات。ولكنناالآنقادرونعلىقياسموجاتالجاذبية،وهيعبارةعنتموجاتفينسيجالكون،تنبأبهاالعالمالشهيرألبرتأينشتاين。فإذاكانجسمانشديداالكثافة(مثلالثقوبالسوداء)يدورانحولبعضهماالبعض،فإنهمايسببانانحناءالفضاءوينبعثمنهماموجاتجاذبية。يستخدمالعلماءمرصد”ليجو”(LIGO)لرصدالثقوبالسوداءالتيتشابهكتلتهاكتلةالشمس。أمابالنسبةللثقوبالسوداءالكبرىفيالكون(أكبربملياراتالمراتمنكتلةالشمس)،فيراقبالعلماءشبكةمنالنجومالنيوترونيةسريعةالدوران(تسمىالنجومالنابضة)عبرمجرةدربالتبانة。ومنشأنأيموجةجاذبيةتمرعبرهاأنتغيرالمدةالتيتستغرقهاإشاراتالراديوالصادرةمنتلكالنجومالنابضةللوصولإلىالأرض。وقدرصدمشروع”نانوجراف”(NANOGrav) 34نجمًامنهذهالنجومالنابضةعلىمدار11عامًا،فيمحاولةلالتقاطموجاتالجاذبيةمنالثقوبالسوداءالعملاقة。
مقدمة
ربماسمعتعبارة:“مايصعدلأعلى،لابدأنيهبط”لكنلماذا؟لأنكلشيء(أنت،وأنا،والصواريخ،وقطراتالمطر)نقعتحتوطأةالجاذبيةونُسحبلأسفل。وتكونقوةالسحبهذهأقوىعندماتصدرمنأجسامكبيرة،ولكنتأثيرهايضعفعلىالأجسامالبعيدة。فمثلًا،لاتستطيعالصواريخالهروبمنجاذبيةالأرضإلاعنطريقحرقكمياتهائلةمنالوقودلتكوينقوة”دفع”صاعدةأقوىمنقوة”سحب”الجاذبية。
المدهشفيالأمرهوأنالجاذبيةليستمقتصرةعلىالأرض؛فجميعالأجسامالموجودةفيالكونتشعربنفسنوعقوةالجاذبية؛فهيالتيتربطالنجوموالأنظمةالشمسيةوالمجراتمعًا。عرفعلماءالفلكحتىقبلمئةعامكيفيةالتنبؤبمكانظهورالأجسامفيالنظامالشمسيفيسماءالليل،لكنهملميعرفواحقيقةالجاذبية。كانهذاعندماخطرتلألبرتأينشتاينفكرةمدهشة:فمانطلقعليهالجاذبيةالآنليسفيالحقيقة”قوةسحب”مثلالتعلقبحبل。ففينظريةلأينشتاين،يشبهالفضاءبطانيةقابلةللتمددأكثرمنكونهمنضدةصلبة؛حيثيغطسكلشيءفيهذهالبطانية،لكنالأشياءالأكبرتصلإلىانخفاضات(أعماق)أكبر。لذلك،يغطسنجممثلالشمسبشكلكبير،والأرضتنخفضبدرجةأقل(انظرالشكل1)．تتحركالأرضببطءكافٍبحيثتسقطنحوعمقالشمس،ولكنأيضًابسرعةكافيةبحيثلايتخذمسارًاحلزونيًاعلىالفور:وهذامايسمىبالمدار。
- شكل1 -تغطسالأرضفينسيجالفضاء،كماهوالحالمعجميعالكائناتالأخرى،وكلمازادتكتلةالجسم،زادالعمق。
- هذامايسببسحبالجاذبية،ممايسمحللأجسامالأخرى(مثلالأقمارالصناعية)بالدورانفيمدارات。حقوقالصورة美国国家航空航天局(NASA)https://www.nasa.gov/mission_pages/gpb/gpb_012.html．
موجاتالجاذبية
يمكنللفضاءأنينضغطويتمددلتكوينموجاتحيثإنهيشبهالبطانيةأكثرمنالمنضدةالصلبة。فتخيلمثلًاأنكتقففيدائرةمعمجموعةمنالأصدقاء،يحملكلمنكمجزءًامنبطانيةمستديرة،إذاقامصديقكعلىالجانبالمقابلمنالبطانيةبهزالجزءالخاصبهلأعلىولأسفل،فسيهتزالجزءالخاصبكأيضًا。علىالرغممنأنالجزءالخاصبكمنالبطانيةبداوكأنهيهتزفينفسالوقتالذييهتزفيهجزءصديقك،فقداستغرقتالموجةوقتًاضئيلًاللوصولإليك،وهذابالضبطمايحدثفيالفضاء،باستثناءأنالفضاءشاسعجدًا。لذلكيتطلبالأمرأجسامًاعملاقةلتكوينموجةكبيرة。إذاكانهناكجسمانيتحركانحولبعضهماالبعضفيمدار،فيمكنهماهزالفضاءبمايكفيلتكوينموجات。وتسمى هذه الموجاتموجاتالجاذبية، وتتحرك بسرعة الضوء。
وبينماتنتقلموجةالجاذبيةعبرالفضاء،تُسببتمددالفضاءوانكماشه،لكنهذاالتمددوالانكماشلايحدثعلىطولالاتجاهالذيتتحركفيهالموجة،وإنمايحدثالتمددوالانكماشبشكلعموديعلىالاتجاهالذيتتحركفيهموجةالجاذبية(انظرالشكل2)．استخدمالعلماءمؤخرًامعداتمتخصصةلبناءتجاربكبيرةعاليةالحساسيةحتىتتمكنمنقياسذلكالتمددوالانكماش؛مثلمرصد ليجو (ligo)［1]ومرصد فيرجو(处女座)［2］．ولكن،كماذكرناسابقًا،شدةكثافةالفضاءتجعلبإمكانناقياسالموجاتمنأنواعخاصةمنالأجسامالفلكيةالكثيفةالقريبةجدًامنبعضهاالبعض。تسمى هذه الأجسامبالـنجومالنيوترونية،والثقوبالسوداء．
- شكل 2 - تنتقل موجات الجاذبية بسرعة الضوء。
- وتسببالموجاتتمددًاوانكماشًافينسيجالفضاءفيالمستوىالعموديعلىاتجاهحركةالموجة。حقوق الصورة马库斯Pössel/Einstein-online.info。
النجوم النيوترونية والثقوب السوداء
علىغرارصواريخالفضاء،تحرقالنجومكمياتهائلةمنالوقودلخلققوةدفعإلىالأعلىتمنعالجاذبيةمندفعالنجمإلىالانهيار。وعندماينفدوقودالنجم،يبدأفيالانهيارللداخل،ولكنيمكنهإنقاذنفسهمنالانهيارالتاممرتينعلىطولالطريق،المرةالأولىعندمايتعذرضغطالذراتالموجودةداخلالنجممعًابدرجةاكبر。هذاينقذالنجملبعضالوقت،ولكنإذاكانالنجمكبيرًابمايكفي،فستكونالجاذبيةقويةجدًالدرجةأنهاتضغطكلالذراتمعًا،وتظلالفرصةالأخيرةلنجاةهذاالنجممنالانهيارهيعندماتتمكنالوحداتالبنائيةالصغيرةالمكونةللذرةوالتيتعرفبالنيوتروناتمنمنعنفسهامنالانضغاطمعًا؛وهذا يخلق ما يسمى نجمًا نيوترونيًا。تتميزالمادةفيالنجمالنيوترونيبأنهافائقةالكثافة؛لدرجة أن ملعقة منها تساوي وزن ناطحة سحاب!أخيرًا،إذاكانلدينانجمضخمحقًا،فحتىمقاومةالنيوتروناتللضغطلنتتمكنمنإيقافالانهيارالتام。ويؤدي الانهيار الكلي للنجم إلى تكوين ثقب أسود。والثقوب السوداء ليست مادة؛بلتتكونمنالجاذبيةنفسها،وينتجعنهذاغوصهافينسيجالفضاءالسحيقبحيثلايتمكنالضوءنفسهمنالإفلاتمنجاذبيتها،لذلكسميتبالثقوب”السوداء”。
قياس أضخم الثقوب السوداء في الكون
فيبعضالأحيان،يمكنأنتقترنالثقوبالسوداءمعًاوتدورحولبعضهاالبعض(انظرالشكل3)．عندمايقتربالثقبانالأسودانكثيرًافيمدارهما،يمكنأنينبعثمنهماموجاتالجاذبية。عكف فريق من العلماء يسمى”نانوجراف”(NANOGrav)(اختصارًالمرصدنانوهرتزلموجاتالجاذبيةفيأمريكاالشمالية)(3.]علىالبحثعنموجاتالجاذبيةالمنبعثةمنأزواجالثقوبالسوداءالأكثرضخامةفيالكون。وقديبلغحجمهذهالثقوبالسوداءالضخمةمليارمرةقدرحجمالشمس،وهيلاتوجدإلافيمراكزالمجراتالعملاقة。وعلىمدارتاريخالكون،اصطدمتالمجراتببعضهاالبعض،مكونةمجراتأكبر。وتقترنالثقوبالسوداءفيمراكزالمجراتببعضهاالبعضأثناءهذهالتصادمات،وترسلموجاتجاذبيةلهافترةمحددة(الفترةالزمنيةبينكلذروةموجة)تمتدمنسنواتإلىعقود。ونظرًالأنالثقوبالسوداءلاتصدرأيضوء،فإنالطريقةالوحيدةلاكتشافهاهيباستخدامموجاتالجاذبية。ويعدقياسموجاتالجاذبيةطريقةثوريةمبتكرةلرصدالكون؛إذإنهاقادرةعلىإمدادنابالمزيدمنالمعلوماتعنالطبيعةالحقيقيةللجاذبية。
- شكل3 -إنوجودثقبينأسودينيدورانحولبعضهماالبعضسيحدثتموجاتفيالفضاءتسمىموجاتالجاذبية。
- وتحملهذهالموجاتالطاقةبعيدًاعنمدارالثقوبالسوداء،ممايتسببفياندماجالاثنينفيالنهاية。حقوق الصورة ligo / t。派尔,https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20160615f．
مصفوفات توقيت النجوم النابضة
يبحثفريق”نانوجراف”عنموجاتالجاذبيةبواسطةمايسمىمصفوفة توقيت النجوم النابضة (pta)［4］．والنجمالنابضهونوعخاصمنالنجومالنيوترونيةالتيتدوربسرعةكبيرة(بسرعةمئاتالدوراتفيالثانية)،وتطلقحزمًامنالموجاتالراديوية(انظرالجانبالأيسرمنالشكل4)．عندمايدورالنجمالنابض،فإنهيطلقشعاعموجةراديويةنحوالأرض،والتينقيسهاباعتبارهان”بضة”راديوية。وتكونمثلالمنارةالتيتضيءنورهادائمًافيالليل،لكننالانرىالضوءإلاعندمايتأرجحفياتجاهنا。والنجوم النابضة مصادر موثوقة؛إذيمكنناالتنبؤبدقةبموعدوصولالنبضةالراديويةإلىالأرض。ويعنيهذاأنهيمكننااستخدامالنجومالنابضةباعتبارهاساعةمؤقت،والتيمنخلالهانحددمرورالوقتبعددالنبضاتالراديويةالتيتمرصدهامنالنجمالنابض。فالنجومالنابضةبمثابةساعاتمؤقترائعةتظلدقيقةوموثوقةعلىمدارسنواتعديدة。
- شكل4 -النجومالنابضة(علىاليسار)هيأنواعخاصةجدًامنالنجومالنيوترونيةالتيتدوربسرعةتصلإلىمئاتالدوراتكلثانية。
- تقومهذهالنجومبإرسالأشعةراديويةبانتظاموالتييمكنقياسهاعلىالأرضبدقةشديدة。منخلالمراقبةالعديدمنالنجومالنابضةعبرمجرةدربالتبانة(علىاليمين)،يمكنناالبحثعنأيتغييراتشائعةتطرأعلىوقتوصولالنبضاتالراديوية。قدتكونهذهالتغييراتناتجةعنموجاتالجاذبيةالتيتمرعبردربالتبانة。تُظهرالصورةعلىاليمينرسمًاتوضيحيًالأربعةنجومنابضةفيدربالتبانة(مناطقرماديةبهانجومصفراء)تبثالموجاتالراديويةباتجاهنظامناالشمسي。حقوق الصورة托尼娅·克莱因/杰弗里·哈兹邦/纳米重力物理前沿中心。
إذاعبرتموجةالجاذبيةالفضاءالواقعبينالأرضوالنجمالنابض،فإنهاستتمددوتضغطعلىذلكالفضاء。وإذاتمددالفضاء،فسوفيستغرقالأمروقتًاأطولمنالمتوقعلوصولشعاعالراديوإلينا؛أي أن النبض سيصل متأخرًا!والعكسصحيح،لأنهإذاتمضغطالفضاء،فستصلالنبضةالراديويةفيوقتأبكرمنالمتوقع。يمكنناطرحتنبؤاتناحولموعدوصولالنبضاتالراديويةمنالأرصادالواقعية،ثمإلقاءنظرةعلىالاختلافبينالتنبؤوالحقيقة。قد يكون هذا الاختلاف بسبب موجات الجاذبية!يستخدمفريق”نانوجراف”(وفرقأخرىفيأوروباوأسترالياوالهندوجنوبإفريقياوالصين)تليسكوباتراديويةلرصدالكثيرمنالنجومالنابضةلإنشاء”شبكة”رصدكبيرةيمكنهاالتقاطموجاتالجاذبية。
اكتشاف“نانوجراف”الجديد
في أحدث عملية رصد لفريق " نانوجراف " [5]،تمكنامنإعدادشبكةمن34نجمًانابضًامنهذهالنجومالتيراقبهاعلماءالفلككلأسبوعينعلىمدارالـ11عامًاالماضية。ولمنرصدأيموجاتجاذبية،لكننانعلمأيضًاأنإشاراتناتستغرقوقتًاطويلًالتبرزبوضوحمنبينكلالضوضاءوالأشياءالغريبةالتييمكنأنتؤثرعلىالنجومالنابضة。علىالرغممنأننالمنكتشفأيشيءحتىالآن،فإننانعتقدأنالأمرلنيستغرقسوىثلاثسنواتأخرى،أوربماسبعسنواتعلىالأكثرقبلأننحققذلك[6］．قدلانرىأيموجاتحتىالآن،لكنغيابهذهالموجاتسمحلنابدحضالتنبؤاتالتيقدمهاعلماءآخروناعتقدواأنهكانينبغيعلينارؤيةشيءماالآن。ستساعدبياناتناهؤلاءالعلماءعلىمراجعةتوقعاتهموتحديثها。ويمكنأنتساعدناالنتائجالتيحصلناعليهاأيضًافيفهمعددالمراتالتيتقترنفيهاالثقوبالسوداءالضخمةمعًافيالكون。علاوةعلىذلكوجدناأنموجاتالجاذبيةالتيتبلغمدتهاعامًاواحدًاتتسببفيتمدداتوانضغاطاتفيالفضاءمتناهيةالصغرلدرجةأنالتغيرالذيتسببهفيحجمالأرضيبلغحواليعشرةأمثالعرضجديلةالحمضالنوويالبشري(DNA)(انظرالشكل5)！
- شكل5 -وضعفريق”نانوجراف”حدًالحجمالانضغاطالجزئيالناتجعنموجاتالجاذبية。
- تماستبعادكلشيءفيالمنطقةالحمراءمنخلالتحليلنالبياناتجُمعتعلىمدار11عامًاعنتوقيتاتالنجومالنابضة。تُظهرالمنطقةالخضراءنطاقتنبؤاتموجاتالجاذبيةالتيقامبهاعلماءآخرون。
المستقبل
نتوقعأنيكونمستقبلعلمفلكموجاتالجاذبيةمشرقًاومثيرًاللاهتمام؛حيثنتوقعأنيُتاحلناالنظرفيأجزاءمنالكونلايمكنأننطلععليهابالتليسكوباتالأخرى。كمانتنبأأنيكونرصدموجاتالجاذبيةباستخداممصفوفاتتوقيتالنجومالنابضةفيالمستقبلاكتشافًامذهلًا。وفيفريق”نانوجراف”،نتحققمنأنواعأخرىمنموجاتالجاذبيةفيشبكةالنجومالنابضةوسنقدمتقريرًاعنهاخلالالعامالمقبل。كمانبحثأيضًاباستمرارعننجومنابضةجديدةلكيتملأالفراغاتفيشبكتنا،حتىنتمكنمنرصدموجاتالجاذبيةبشكلأفضل。ولقدكانتنتائجنامذهلةحتىالآن،ونحننستعدلليومالذينخرجفيهلنخبرالعالمأنناعثرناعلىموجاتجاذبيةمنأكبرالثقوبالسوداءفيالكونبأسره،وسيكونهذاقريبًاجدًا!
التمويل
圣ميتمتمويلنقبلNANOGrav物理学前沿中心،المدعوممنNSFبموجبمنحةرقم1430284。إنمرصد”جرينبانك”(绿色银行)هومنشأةتابعةلـ国家科学基金会تعملبموجباتفاقيةتعاونيةمنقبل联合大学．ومرصد”أريسيبو”(阿雷西博)هومنشأةتابعةلـ国家科学基金会تعملبموجباتفاقيةتعاونيةمنقبل佛罗里达中央大学بالتعاونمع杨公司، وUniversidad大都会。
مسردللمصطلحات
موجة الجاذبية(引力波)：↑تموج في المكان والزمان ناتج عن تسارع أجسام ضخمة。
مرصد ليجو (ligo)：↑”“ليجوهياختصارلـ”مرصدقياستداخلموجاتالجاذبيةبالليزر”。وهوعبارةعنزوجمنأجهزةالكشفعنموجاتالجاذبيةالكبيرةالموجودةفيهانفوردبواشنطن،وفيوليفينغستونبلويزيانا。وقدرصدتهذهالكواشفموجاتالجاذبيةللمرةالأولىفيعام2015。
مرصد فيرجو(处女座)：↑مرصدلموجاتالجاذبيةمماثللمرصد”ليجو”،ولكنهيقعفيإيطاليا。
النجم النيوتروني(中子星)：↑عندماينفدوقودنجمعاديوينهاربسببالجاذبيةينتجعنذلكجسمكثيفللغاية،ويتوقفالانهيارعندمايقاومضغطالنيوتروناتقوةالجاذبية。
الثقب الأسود(黑洞)：↑يتشكلالثقبالأسودعندمايعجزالنجمعنمنعالانهيارالتامالناتجعنالجاذبية。والثقبعبارةعننقطةذاتكثافةلامحدودة،لدرجةأنحتىالضوءلايستطيعالإفلاتمنقبضةالثقبالأسود。
فريق نانوجراف (NANOGrav)：↑ترمزكلمة”نانوجراف”إلىمرصدنانوهرتزلموجاتالجاذبيةفيأمريكاالشمالية。وهيعبارةعنمجموعةمنالعلماءفيالولاياتالمتحدةالأمريكيةوكندايبحثونعنموجاتالجاذبيةباستخداممصفوفاتتوقيتالنجومالنابضة(和平)。
مصفوفة توقيت النجم النابض (pta)：↑النجومالنابضةهينوعخاصمنالنجومالنيوترونيةالدوارةالتيترسلأشعةراديوية،وتُسببموجاتالجاذبيةالتيتصلإلىمجرتناتغيراتفيوقتوصولالأشعةالراديويةالمرسلةمنالنجومالنابضة。ونقومبدراسةالعديدمنالنجومالنابضةللتأكدمنأنهذهالتغييراتناجمةعنموجاتالجاذبيةوليستضوضاء。
إقرار تضارب المصالح
يعلنالمؤلفونأنالبحثقدأُجريفيغيابأيعلاقاتتجاريةأوماليةيمكنتفسيرهاعلىأنهاتضاربمحتملفيالمصالح。
مقال المصدر الأصلي
↑Arzoumanian, Z.， Baker, P. T.， Brazier, A.， Burke-Spolaor, S.， Chamberlin, S. J.， Chatterjee, S.等，纳米重力合作，2018。NANOGrav 11年数据集:随机引力波背景的脉冲星定时约束。12,54。J．859:47。1538 - 4357 . doi: 10.3847 / / aabd3b
المراجع
[1]↑LIGO．网上订购地址:https://www.ligo.caltech.edu/page/what-is-ligo
[２]↑处女座．网上订购地址:http://public.virgo-gw.eu/virgo-in-a-nutshell
［3］↑NANOGrav网站．网上订购地址:http://nanograv.org
[4]↑洛门，A. 2015。脉冲星定时阵列:引力波探测的希望。众议员掠夺。理论物理。78:124901。0034 - 4885/78/12/124901 doi: 10.1088 /
［5］↑Arzoumanian, Z.， Baker, P. T.， Brazier, A.， Burke-Spolaor, S.， Chamberlin, S. J.， Chatterjee, S.等，纳米重力合作，2018。NANOGrav 11年数据集:随机引力波背景的脉冲星定时约束。12,54。J。859:47。1538 - 4357 . doi: 10.3847 / / aabd3b
[6]↑Taylor, s.r.， Vallisneri, M.， Ellis, j.a .， Mingarelli, c.m.f .， Lazio, t.j.w .， and van Haasteren, R. 2016。我们到了吗?基于脉冲星定时阵列限制的纳赫兹引力波探测时间。12,54。j。819: 16种。doi: 10.3847 / 2041 - 8205/819/1 / 16种