Skip to main content
Global

24.7: علم الفلك بموجات الجاذبية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197701

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    يمكن اختبار جزء آخر من أفكار أينشتاين حول الجاذبية كطريقة للتحقق من النظرية التي تكمن وراء الثقوب السوداء. وفقًا للنسبية العامة، تعتمد هندسة الزمكان على مكان وجود المادة. أي إعادة ترتيب للمادة - على سبيل المثال، من شكل كروي إلى شكل سجق - تخلق اضطرابًا في الزمكان. يُطلق على هذا الاضطراب اسم موجة الجاذبية، وتتنبأ النسبية بأنها يجب أن تنتشر إلى الخارج بسرعة الضوء. تكمن المشكلة الكبيرة في محاولة دراسة مثل هذه الموجات في أنها أضعف بكثير من الموجات الكهرومغناطيسية وبالتالي يصعب اكتشافها.

    دليل من النجم النابض

    لدينا أدلة غير مباشرة لبعض الوقت على وجود موجات الجاذبية. في عام 1974، اكتشف علماء الفلك جوزيف تايلور وراسل هولز نجمًا نبضًا (يحمل التسمية PSR1913+16) يدور حول نجم نيوتروني آخر. يتحرك النجم النابض، بفضل الجاذبية القوية لرفيقه، بسرعة تقارب عُشر سرعة الضوء في مداره.

    وفقًا للنسبية العامة، يجب أن يشع هذا النظام من الجثث النجمية طاقة في شكل موجات جاذبية بمعدل مرتفع بما يكفي لجعل النجم النابض ورفيقه يقتربان من بعضهما البعض. إذا كان هذا صحيحًا، فيجب أن تنخفض الفترة المدارية (وفقًا لقانون كيبلر الثالث) بمقدار واحد من عشرة ملايين من الثانية لكل مدار. أظهرت الملاحظات المستمرة أن الفترة تتناقص بهذا المبلغ بالضبط. يمكن أن يكون فقدان الطاقة هذا في النظام ناتجًا فقط عن إشعاع موجات الجاذبية، مما يؤكد وجودها. تقاسم تايلور وهولس جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1993 عن هذا العمل.

    ملاحظات مباشرة

    على الرغم من أن مثل هذا الدليل غير المباشر أقنع الفيزيائيين بوجود موجات الجاذبية، إلا أنه من الأكثر إرضاءً اكتشاف الموجات مباشرة. ما نحتاجه هو ظواهر قوية بما يكفي لإنتاج موجات جاذبية ذات سعة كبيرة بما يكفي لنتمكن من قياسها. تشير الحسابات النظرية إلى بعض الأحداث الأكثر احتمالاً التي من شأنها أن تعطي موجة من موجات الجاذبية قوية بما يكفي بحيث يمكن لمعداتنا على الأرض قياسها:

    • تجمع نجمين نيوترونيين في نظام ثنائي يلتف معًا حتى يندمجان
    • ابتلاع نجم نيوتروني بواسطة ثقب أسود
    • التحام (الاندماج) بين ثقبين أسودين
    • انفجار نجم ضخم حقًا ليشكل نجمًا نيوترونيًا أو ثقبًا أسود
    • أول «قشعريرة» عندما جاء المكان والزمان إلى الوجود وبدأ الكون

    على مدى العقود الأربعة الماضية، قام العلماء بتطوير تجربة جريئة لمحاولة اكتشاف موجات الجاذبية من مصدر في هذه القائمة. يُطلق على التجربة الأمريكية، التي تم إنشاؤها مع متعاونين من المملكة المتحدة وألمانيا وأستراليا ودول أخرى، اسم LIGO (مرصد موجات الجاذبية لمقياس التداخل بالليزر). لدى LIGO حاليًا محطتان للمراقبة، واحدة في لويزيانا والأخرى في ولاية واشنطن. إن تأثيرات موجات الجاذبية صغيرة جدًا لدرجة أن تأكيد اكتشافها سيتطلب قياسات متزامنة من قبل مرفقين منفصلين على نطاق واسع. يجب أن تؤثر الأحداث المحلية التي قد تسبب حركات صغيرة داخل محطات المراقبة وتقلد موجات الجاذبية - مثل الزلازل الصغيرة والمد والجزر في المحيطات وحتى حركة المرور - على الموقعين بشكل مختلف.

    تتكون كل محطة من محطات LIGO من أنبوبين مفرغين بطول 4 كيلومترات وقطر 1.2 متر مرتبتان على شكل حرف L. يتم تعليق كتلة اختبار عليها مرآة بواسطة سلك عند كل طرف من الأطراف الأربعة للأنابيب. ينعكس ضوء الليزر فائق الثبات من المرايا وينتقل ذهابًا وإيابًا على طول أنابيب التفريغ (الشكل 1)\(\PageIndex{1}\). إذا مرت موجات الجاذبية عبر أداة LIGO، فوفقًا لنظرية أينشتاين، ستؤثر الموجات على الزمكان المحلي - فهي ستمتد بالتناوب وتقلص المسافة التي يجب أن يقطعها ضوء الليزر بين المرايا بشكل طفيف جدًا. عندما يصبح أحد أذرع الأداة أطول، سيصبح الآخر أقصر والعكس صحيح.

    صورة جوية لمرفق LIGO. يظهر المبنى الرئيسي في المنتصف، حيث يمتد أحد الأنابيب التي يبلغ طولها 4 كيلومترات باتجاه الأفق في أعلى اليسار. يظهر جزء من الأنبوب الآخر على اليمين.
    الشكل: تلسكوب موجة\(\PageIndex{1}\) الجاذبية. منظر جوي لمنشأة LIGO في ليفينغستون، لويزيانا. تمتد أجهزة الكشف التي يبلغ طولها 4 كيلومترات إلى أعلى اليسار وأقصى اليمين من الصورة. (الائتمان: تعديل العمل من قبل مختبر Caltech/MIT/Ligo)

    يكمن التحدي في هذه التجربة في عبارة «أبدًا بشكل طفيف جدًا». في الواقع، للكشف عن موجة الجاذبية، يجب قياس التغير في المسافة إلى المرآة بدقة واحدة من عشرة آلاف من قطر البروتون. في عام 1972، كتب راينر فايس من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ورقة تقترح كيف يمكن إنجاز هذه المهمة التي تبدو مستحيلة.

    كان لا بد من تطوير قدر كبير من التكنولوجيا الجديدة، وبدأ العمل في المختبر، بتمويل من مؤسسة العلوم الوطنية، في عام 1979. تم بناء نموذج أولي واسع النطاق لشرح التكنولوجيا وتشغيله من عام 2002 إلى عام 2010، ولكن لم يكن من المتوقع أن يتمتع النموذج الأولي بالحساسية المطلوبة للكشف الفعلي عن موجات الجاذبية من مصدر فلكي. بدأ تشغيل تقنية LIGO المتقدمة، التي تم تصميمها لتكون أكثر دقة باستخدام التكنولوجيا المحسنة التي تم تطويرها في النموذج الأولي، في عام 2015 - واكتشفت على الفور تقريبًا موجات الجاذبية.

    ما وجدته LIGO هو موجات الجاذبية المنتجة في الجزء الأخير من الثانية من اندماج ثقبين أسودين (الشكل\(\PageIndex{2}\)). كانت كتل الثقوب السوداء أكبر بـ 20 و 36 مرة من كتلة الشمس، وحدث الاندماج قبل 1.3 مليار سنة - حدثت موجات الجاذبية بعيدًا جدًا لدرجة أنها استغرقت وقتًا طويلاً حتى وصلت إلينا، وهي تتحرك بسرعة الضوء.

    في كارثة الاندماج، تم تحويل حوالي ثلاثة أضعاف كتلة الشمس إلى طاقة (تذكر E = mc 2). خلال الجزء الصغير من الثانية الذي حدث فيه الاندماج، أنتج هذا الحدث طاقة تبلغ حوالي 10 أضعاف الطاقة التي تنتجها جميع النجوم في الكون المرئي بأكمله - ولكن القوة كانت كلها في شكل موجات جاذبية وبالتالي كانت غير مرئية لأدواتنا، باستثناء LIGO. تم تسجيل الحدث في لويزيانا قبل حوالي 7 مللي ثانية من الاكتشاف في واشنطن - وهي المسافة الصحيحة تمامًا بالنظر إلى السرعة التي تنتقل بها موجات الجاذبية - ويشير إلى أن المصدر كان موجودًا في مكان ما في سماء نصف الكرة الجنوبي. لسوء الحظ، لا يُتوقع أن ينتج عن دمج ثقبين أسودين أي ضوء، لذلك هذه هي الملاحظة الوحيدة التي لدينا عن الحدث.


    إشارة تنتجها موجة الجاذبية. تُظهر اللوحة (أ)، في الأعلى، ثلاثة قياسات لإشارة موجة الجاذبية. في الجزء العلوي توجد «بيانات LIGO Hanford»، في المنتصف «بيانات LIGO Livingston» والجزء السفلي هو الرسم المجمع لـ «بيانات LIGO Hanford (التي تم تحويلها) وبيانات LIGO Livingston». يُطلق على المحور الرأسي لكل قياس اسم «Strain (10-21)»، ويتراوح من -1.0 في الأسفل إلى 1.0 في الأعلى، بزيادات قدرها 0.5. يُطلق على المحور الأفقي اسم «الوقت (ثانية)»، ويتراوح من 0.25 في اليسار إلى 0.45 عند اليمين، بزيادات قدرها 0.05. تبدأ كل قطعة من اليسار بتذبذب طفيف بين -0.05 و 0.05 حتى T = 0.35 ثانية، عندما تزداد التذبذبات في السعة إلى -1.0 إلى 1.0. عند T = 0.425 ثانية، تنخفض التذبذبات إلى مستوياتها الأصلية. تُظهر اللوحة (ب)، في الأسفل، انطباع الفنان عن وجود ثقبين أسودين يدوران حول بعضهما البعض. وتجدر الإشارة إلى تشويه الضوء من نجوم الخلفية بسبب مجال الجاذبية القوي للزوج.
    \(\PageIndex{2}\)إشارة الشكل الناتجة عن موجة الجاذبية. (أ) تُظهر اللوحة العلوية الإشارة المقاسة في هانفورد، واشنطن؛ وتظهر اللوحة الوسطى الإشارة المقاسة في ليفينغستون، لويزيانا. يُظهر المنحنى الرقيق الأكثر سلاسة في كل لوحة الإشارة المتوقعة، استنادًا إلى نظرية النسبية العامة لأينشتاين، الناتجة عن دمج ثقبين أسودين. تُظهر اللوحة السفلية تراكبًا للموجات المكتشفة في مرصدي LIGO. لاحظ الاتفاق الرائع بين الملاحظتين المستقلتين والملاحظات مع النظرية. (ب) تُظهر اللوحة انطباعًا للفنان عن ثقبين أسودين ضخمين يتصاعدان إلى الداخل نحو الاندماج النهائي. (الائتمان أ، ب: تعديل العمل من قبل SXS)

    هذا الاكتشاف بواسطة LIGO (وآخر عن اندماج ثقب أسود مختلف بعد بضعة أشهر) فتح نافذة جديدة كاملة على الكون. قارن أحد المجربين بداية علم الفلك لموجات الجاذبية بالعصر الذي تم فيه استبدال الأفلام الصامتة بأفلام بالصوت (مقارنة اهتزاز الزمكان أثناء مرور موجة الجاذبية بالاهتزازات التي يصنعها الصوت).

    بحلول نهاية عام 2018، اكتشفت LIGO ثماني عمليات اندماج أخرى للثقوب السوداء. تضمنت ستة منها، مثل الاكتشاف الأولي، عمليات دمج الثقوب السوداء مع مجموعة من الكتل التي تمت ملاحظتها فقط بواسطة موجات الجاذبية. في إحدى عمليات الاندماج، اندمجت ثقوب سوداء كتلتها 31 و 25 مرة كتلة الشمس لتشكل ثقبًا أسود دوارًا كتلته حوالي 53 مرة كتلة الشمس. تم اكتشاف بعض هذه الأحداث ليس فقط من خلال كاشفي LIGO، ولكن أيضًا بواسطة مرصد موجات الجاذبية الأوروبي الذي تم تشغيله حديثًا، Virgo. حدث آخر بسبب دمج الثقوب السوداء ذات الكتلة الشمسية 40 و 29، وأسفر عن ثقب أسود يبلغ وزنه 66 كتلة. لم يتأكد علماء الفلك بعد من كيفية تشكل الثقوب السوداء في نطاق الكتلة هذا.

    تضمنت عمليتا اندماج أخريان اكتشفتهما LIGO ثقوبًا سوداء ذات كتل نجمية مماثلة لتلك الموجودة في الثقوب السوداء في الأنظمة الثنائية للأشعة السينية. في إحدى الحالات، كانت كتل الثقوب السوداء المندمجة تبلغ 14 و 8 أضعاف كتلة الشمس. أما الحدث الآخر، الذي اكتشفه مرة أخرى كل من LIGO و Virgo، فقد نتج عن اندماج الثقوب السوداء بكتل تبلغ 7 و 12 ضعف كتلة الشمس. لم يتم اكتشاف أي من عمليات دمج الثقوب السوداء بأي طريقة أخرى غير موجات الجاذبية. من المحتمل جدًا أن دمج الثقوب السوداء لا ينتج أي إشعاع كهرومغناطيسي.

    في أواخر عام 2017، تم استخدام البيانات من جميع مراصد موجات الجاذبية الثلاثة لتحديد موقع الحدث الخامس في السماء، والذي نتج عن دمج أجسام بكتل تبلغ 1.1 إلى 1.6 ضعف كتلة الشمس. هذا هو النطاق الكتلي للنجوم النيوترونية (انظر مجرة درب التبانة)، لذلك في هذه الحالة، ما لوحظ هو تصاعد نجمين نيوترونيين معًا. مكنت البيانات التي تم الحصول عليها من المراصد الثلاثة العلماء من تضييق المنطقة في السماء حيث وقع الحدث. قدم القمر الصناعي فيرمي مجموعة رابعة من بيانات المراقبة، حيث اكتشف وميضًا من أشعة جاما في نفس الوقت، مما يؤكد الفرضية طويلة الأمد بأن عمليات دمج النجوم النيوترونية هي سلف لانفجارات أشعة جاما القصيرة (انظر لغز انفجارات أشعة جاما). اكتشف القمر الصناعي Swift أيضًا وميضًا من الأشعة فوق البنفسجية في نفس الوقت وفي نفس الجزء من السماء. كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اكتشاف حدث موجة جاذبية مع أي نوع من الموجات الكهرومغناطيسية.

    أظهرت الملاحظات المجمعة من LIGO و Virgo و Fermi و Swift أن هذا المصدر يقع في NGC 4993، وهي مجرة على مسافة حوالي 130 مليون سنة ضوئية في اتجاه كوكبة هيدرا. من خلال تحديد الموقع المحدد جيدًا، يمكن للمراصد الأرضية توجيه التلسكوبات الخاصة بها مباشرة إلى المصدر والحصول على طيفه. أظهرت هذه الملاحظات أن الاندماج أخرج مادة بكتلة تبلغ حوالي 6 بالمائة من كتلة الشمس، وسرعة عُشر سرعة الضوء. هذه المادة غنية بالعناصر الثقيلة، تمامًا كما توقعت نظرية الكيلونوفا (انظر انفجارات أشعة جاما قصيرة المدة: جثث نجمية متصادمة). تشير التقديرات الأولى إلى أن الاندماج أنتج حوالي 200 كتلة أرضية من الذهب، وحوالي 500 كتلة أرضية من البلاتين. هذا يوضح أن عمليات دمج النجوم النيوترونية هي مصدر مهم للعناصر الثقيلة. نظرًا لأن الاكتشافات الإضافية لمثل هذه الأحداث تحسن التقديرات النظرية لتردد حدوث اندماج النجوم النيوترونية، فقد يتضح أن الغالبية العظمى من العناصر الثقيلة قد تم إنشاؤها في مثل هذه الكوارث.

    إن مراقبة اندماج الثقوب السوداء عبر موجات الجاذبية تعني أيضًا أنه يمكننا الآن اختبار نظرية النسبية العامة لأينشتاين حيث تكون آثارها قوية جدًا - قريبة من الثقوب السوداء - وليست ضعيفة، لأنها قريبة من الأرض. إحدى النتائج الرائعة من هذه الاكتشافات هي أن الإشارات المقاسة تتطابق بشكل وثيق مع التنبؤات النظرية التي تم إجراؤها باستخدام نظرية أينشتاين. مرة أخرى، وُجد أن فكرة أينشتاين الثورية هي الوصف الصحيح للطبيعة.

    نظرًا للأهمية العلمية لملاحظات موجات الجاذبية، حصل ثلاثة من قادة مشروع LIGO - راينر فايس من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وكيب ثورن وباري باريش من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا - على جائزة نوبل في عام 2017.

    هناك العديد من المرافق المشابهة لـ LIGO و Virgo قيد الإنشاء في بلدان أخرى للمساهمة في علم الفلك لموجات الجاذبية ومساعدتنا على تحديد موقع الإشارات التي نكتشفها في السماء بدقة أكبر. تستكشف وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) إمكانية بناء كاشف أكبر لموجات الجاذبية في الفضاء. الهدف هو إطلاق منشأة تسمى ELiSA في وقت ما في منتصف الثلاثينيات. يتطلب التصميم ثلاثة أذرع للكشف، يبلغ طول كل منها مليون كيلومتر، حتى ينتقل ضوء الليزر إلى الفضاء. يمكن لهذه المنشأة اكتشاف اندماج الثقوب السوداء البعيدة الضخمة، والذي ربما حدث عندما تشكل الجيل الأول من النجوم بعد بضع مئات من ملايين السنين فقط من الانفجار العظيم.

    في ديسمبر 2015، أطلقت وكالة الفضاء الأوروبية LISA Pathfinder واختبرت بنجاح التكنولوجيا المطلوبة لحمل مكعبين من الذهب والبلاتين في حالة من عدم الوزن والراحة المثالية، مقارنة ببعضهما البعض. بينما لا تستطيع LISA Pathfinder اكتشاف موجات الجاذبية، فإن هذا الاستقرار مطلوب إذا كان ELiSA قادرًا على اكتشاف التغييرات الصغيرة في طول المسار الناتجة عن تمرير موجات الجاذبية.

    يجب أن ننتهي بالاعتراف بأن الأفكار التي تمت مناقشتها في هذا الفصل قد تبدو غريبة ومربكة، خاصة في المرة الأولى التي تقرأها فيها. تستغرق عواقب النظرية العامة نسبيًا بعض التعود عليها. لكنها تجعل الكون أكثر غرابة وإثارة للاهتمام مما كنت تعتقد قبل أن تأخذ هذه الدورة.

    المفاهيم الأساسية والملخص

    تتنبأ النسبية العامة بأن إعادة ترتيب المادة في الفضاء يجب أن تنتج موجات جاذبية. تم تأكيد وجود مثل هذه الموجات لأول مرة في ملاحظات نجم نابض في مدار حول نجم نيوتروني آخر كانت مداراته تقترب وتفقد الطاقة في شكل موجات الجاذبية. في عام 2015، اكتشفت LIGO موجات الجاذبية مباشرة من خلال اكتشاف الإشارة الناتجة عن اندماج ثقبين أسودين من الكتلة النجمية، مما فتح نافذة جديدة على الكون.

    مسرد المصطلحات

    موجة الجاذبية

    اضطراب في انحناء الزمكان بسبب التغيرات في كيفية توزيع المادة؛ تنتشر موجات الجاذبية بسرعة الضوء (أو بالقرب منه)