امواج گرانشی دائما بافت فضازمان را در هم می‌ پیچند

گروهی از پژوهشگران اعلام کرده‌اند که موفق شده‌اند با نگاه کردن به آثاری که پدیده‌های فیزیکی عجیبی از خود در بافت فضا بر جای می‌گذارند، روشی را توسعه دهند که بتوانند این پدیده‌ها را دقیقاً شناسایی کنند. پدیده‌هایی همچون رشته‌های کیهانی یا سیاه‌چاله‌های تبخیر شونده، آثاری را از حضور خود در عالم بر جای می‌گذارند؛ با شناسایی چگونگی حفظ این نشانه‌ها در عالم، دانشمندان می‌توانند پدیده‌هایی به مراتب عجیب‌تر را نیز شناسایی کنند و آن‌ها را از علوم نظری به علوم تجربی بیاورند.

وقتی که فضا توسط جرمی عظیم کشیده می‌شود، یک حالت اعوجاج بر جای می‌ماند که به آن حافظه‌ی موج گرانشی می‌گویند؛ این پدیده برای نخستین بار در نظریه‌ی نسبیت عام مطرح شد. با توجه به آن‌چه که در نسبیت عام آمده، عملاً هر جرمی می‌تواند تأثیراتی واقعی بر فضای خالی بگذارد و آن را تحریف کرده و شکل آن را تغییر دهد. برخی از پدیده‌ها وجود دارند که با یکدیگر در تعامل هستند و تأثیرات چشمگیری بر فضا می‌گذارند. به عنوان مثال، یک جفت از اجرام بسیار بزرگ که حول یکدیگر گردش می‌کنند، می‌توانند امواجی را با سرعت نور در فضا به وجود آورند.

در سال ۲۰۱۵، دانشمندان الگوهایی تداخلی را در لیزرهای رصدخانه‌ی موج گرانشی تداخل لیزری (LIGO) مشاهده کردند و موفق شدند که برای نخستین‌بار، امواجی گرانشی که در حال تغییر دادن ساختار فضا بودند را رصد کرده و به صورت مستقیم به آن‌ها نگاه کنند. این امواج گرانشی را یک جفت سیاه‌چاله که جرم هر یک از آن‌ها ۳۰ برابر جرم خورشید بود و با نیمی از سرعت نور به دور یکدیگر گردش می‌کردند به وجود آوردند. این امواج پیش از ترکیب شدن دو سیاه‌چاله با یکدیگر ایجاد شده بودند. این امواج با وجود این‌که انرژی بسیار بالایی دارند، چیزی در حدود ۱.۳ میلیارد سال بعد به سیاره ما برخورد کردند (فاصله این دو سیاه‌چاله از زمین، چیزی در حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری بوده است) و اعوجاجی که به وجود آوردند نیز در مقیاس یک پروتون بود و چیزی در حدود ۰.۲ ثانیه به طول انجامید.

پس از آن‌که این دو سیاه‌چاله به دور یکدیگر با سرعت بسیار بالایی گردش کردند و رقص آن‌ها به اتمام رسید، بافت فضا هیچ‌گاه به حالت اول برنگشت و دچار تغیراتی شد. پل لاسکی، پژوهشگری از دانشگاه موناش استرالیا در خصوص امواج گرانشی و تأثیرات آن‌ها بر بافت فضا این چنین می‌گوید:

دو فضانورد را در نظر بگیرید که در فضا معلق هستند. وقتی که سیگنال حافظه‌ی موج گرانشی از میان این دو فضانورد عبور می‌کند، تغییراتی در فاصله آن‌ها از یکدیگر به وجود می‌آورد. در واقع می‌تواند فضا-زمان بین این دو فضانورد را کشیده یا فشرده کند.

کشف این تأثیرات بنیادین بر بافت فضا-زمان که با نام حافظه‌ی موج گرانشی شناخته می‌شوند، کاری بسیار دشوار است. به عنوان مثال کشفی که در سال ۲۰۱۵ توسط LIGO صورت گرفت، به صورت یکپارجه نبود؛ زیرا لازم است که برای ایجاد یک تصویر واضح از حافظه‌ی موج گرانشی، تعداد بسیار زیادی از پدیده‌های مشابه را ثبت و ضبط کرد تا بتوان فرکانس حافظه‌ی موج گرانشی را نیز تشخیص داد. اکنون با توجه به پژوهش جدیدی که توسط پل لاسکی و دو تن از همکارانش به نام‌های لوسی مک‌نیل و اریک ترِین از دانشگاه موناش به انجام رسیده، دانشمندان باید بیش از هر چیز دیگری، به دنبال امواجی باشند که فرکانس حافظه بالاتری تولید می‌کنند؛ چنین امواجی به راحتی قابل مشاهده هستند. پل لاسکی در این خصوص می‌گوید:

پژوهش‌هایی که ما انجام داده‌ایم نشان می‌دهند که حتی اگر امواج گرانشی با فرکانس بسیار بالایی منتشر شوند و LIGO نتواند آن‌ها را مشاهده کند، هنوز این شانس وجود دارد که LIGO‌ بتواند بخش حافظه‌ی سیگنال را تشخیص دهد.

دانشمندان نام این سیگنال‌های حافظه را «سیگنال یتیم» گذاشته‌اند؛ زیرا امواج گرانشی اصلی که این سیگنال‌ها به آن‌ها تعلق دارند، به صورت مستقیم مشاهده نشده‌اند. چنین امواجی می‌توانند راهی را برای مطالعه پدیده‌های فیزیکی عجیبی که فناوری لازم برای مطالعه آن‌ها دور از دسترس است، بگشایند. بسیاری از اجرام عجیب و شگفت‌انگیز همچون سیاه‌چاله‌های کهن و یا نقص‌های توپولوژیکی یک بعدی که رشته کیهانی نامیده می‌شوند، می‌توانند امواج گرانشی با فرکانس بسیار بالا تولید کنند. متأسفانه تا زمانی که ما موفق به یافتن روشی پایدار برای مشاهده این پدیده‌ها نشویم، نمی‌توانیم این پدیده‌ها را از علوم نظری به علوم تجربی بیاوریم.

پل لاسکی در این خصوص می‌گوید:

باید به این نکته اشاره کنم که در حال حاضر، منابع عجیب بسیار زیادی وجود دارند که می‌توانند امواج گرانشی را تولید کنند؛ این بخش خوب و هیجان‌انگیز ماجرا است. اگر ما بتوانیم به صورت مستقیم یکی از این منابع را شناسایی کنیم، قضیه هیجان‌انگیزتر می‌شود.

از آن‌جایی که شناسایی سیگنال‌های یتیم در حال حاضر به تجهیزات پیشرفته‌ای نیاز ندارد، دانشمندان می‌توانند امیدوار باشند که LIGO بتواند تعداد زیادی از آن‌ها را شناسایی کند. پل لاسکی در ادامه سخنان خود این چنین گفت:

ما در حال حاضر می‌توانیم شکل ظاهری یک سیگنال یتیم را به طور دقیق پیش‌بینی کنیم؛ اما متأسفانه نمی‌دانیم که چه زمانی به ما می‌رسند.

بر هیچ کس پوشیده نیست که توانایی‌های شگفت‌انگیز بشر در شناسایی امواج گرانشی، می‌توانند بسیاری از رازهای جهان را آشکار کنند. در حال حاضر دانشمندان بر این باورند که LIGO می‌تواند در یافتن آکسیون که ذره‌ای بنیادین است، کمک شایانی کند.

نتایج این پژوهش در نشریه Physical Letter Reviews منتشر شده است.