امواج گرانشی، پنجره‌ای بسوی انفجار بزرگ

تا پیش از آن دانشمندان فکرش را هم نمی کردند که نیرویی بتواند یک سیاهچاله پرجرم را حرکت دهد، چه رسد به این که بتواند آن را پرتاب کند. به هر حال هیچ توجیهی برای این مشاهده یافت نشد مگر وجود امواج گرانشی.

وجود این امواج توسط اینشتین سال 1916 پیش‌بینی شده بود ولی تا چندی قبل هیچ گاه به طور مستقیم آشکارسازی نشده بود. اخیرا مرکز اخترشناسی اسمیتسونین هاروارد اعلام کرد توانسته است برای اولین بار به صورت مستقیم امواج گرانشی را در تابش پس زمینه کیهانی آشکارسازی کند. به نظر می‌رسد آخرین پیش‌بینی اثبات نشده اینشتین هم از آزمایشات دقیق علمی سربلند بیرون آمده است، ولی موج گرانشی چیست و چرا آشکارسازی آن تا 60 سال بعد از مرگ اینشتین به تأخیر افتاد؟

گرانش اینشتین در مقابل گرانش نیوتن

دیدگاه اینشتین از گرانش، تفاوت‌های زیربنایی با دیدگاه نیوتن دارد و این دیدگاه آن قدر عجیب بود که وقتی اینشتین آن را ارائه کرد چارلز لین گفت: «احساس من از این نظریه این است که دارم با آلیس در سرزمین عجایب راه می‌روم.» از دید اینشتین گرانش، یک انحنا یا چین‌خوردگی در فضا ـ زمان است و از این نظر با نیروهای دیگر مانند الکترومغناطیس و هسته‌ای که منشأ آنها اثر ذرات زیر اتمی یا کوانتومی است، متفاوت است.

همین نظریه پیش‌بینی می‌کند اگر جرمی بزرگ با حرکت شتابدار در این انحنا حرکت کند تکانه‌هایی موج مانند ایجاد می‌کند که با سرعت نور حرکت می‌کنند. شدت این امواج بسیار ضعیف است و فقط زمانی می‌توان به آشکارسازی آنها امید داشت که پای جرم‌های بسیار بزرگ در میان باشد. ‌یکی از این موارد سیستم‌های دوتایی است؛ ترکیبی دوتایی از سیاهچاله‌ها، ستاره‌های نوترونی، تپ اخترها و کوتوله‌های سفید که همگی جرم زیادی دارند. دو عضو این گونه سیستم‌ها دور یکدیگر در گردش هستند و امواج گرانشی ساطع می‌کنند.

دانشمندان پیش‌بینی کردند اگر این نظریه درست باشد با گذشت زمان از جرم اعضا کاسته و در نتیجه مدار گردش آنها به دور یکدیگر کوچک‌تر می‌شود. راسل هالس و جو تیلور نشان دادند این اتفاق واقعا می‌افتد و نوبل فیزیک 1993 را از آن خود کردند. البته منشأ امواجی که مرکز اخترشناسی اسمیتسونین هاروارد موفق به آشکارسازی آن شد سیستم‌های دوتایی نبود. آنها این امواج را در تابش پس‌زمینه کیهانی به دام انداختند.

تابش پس زمینه کیهانی چیست؟

جهان 380 هزار سال پس از انفجار بزرگ کدر بود؛ چراکه الکترون‌ها آزادانه حرکت و نور را پراکنده می‌کردند ولی در این زمان دما به 3000 درجه کلوین کاهش یافت و الکترون‌ها توانستند بدون این که به دلیل گرما از هم پاشیده شوند اطراف هسته اتم‌ها جای بگیرند. حالا فوتون‌ها می‌توانستند آزادانه حرکت کنند و جهان به یکباره روشن و شفاف شد.

این فوتون‌های آزاد همان امواج پس زمینه کیهانی است که تا امروز در عالم هستی در حرکتند. با استفاده از این امواج الکترومغناطیسی فقط می‌توان از 380 هزار سالگی به بعد عالم را مورد مطالعه قرار داد. ولی امواج گرانشی خواهند توانست اطلاعات کاملی از اولین لحظات پس از انفجار بزرگ در اختیارمان بگذارند؛ چراکه این امواج، توانایی عبور از فضاهایی را دارند که نور نمی‌تواند از آن عبور کند، مانند قلب سیاهچاله‌ها.

دانشمندان طی مطالعات خود به شواهدی از وجود امواج گرانشی برخوردند که نشان می‌دهد عالم هستی در لحظات اولیه پس از آفرینش دچار پدیده‌ای شگفت‌انگیز به نام تورم شده است. البته باید توجه داشت این پایان کار است و دیگر نمی‌توان هیچ امیدی برای نزدیک‌تر شدن به لحظه انفجار بزرگ داشت، چراکه تورم، همه رد پاهای پیش از خود را پاک می‌کند و از آنچه در لحظه آفرینش گذشته هیچ سند و مدرکی برای دانشمندان باقی نمی‌گذارد.

نظریه تورم

سال 1979 آلن گوث آمریکایی مشغول حل یک مسأله حل نشده فیزیک بود که متوجه شد تنها راه‌حل این است که بپذیریم وقتی عمر جهان یک تریلیونیم یک تریلیونیم یک تریلیونیم یک ثانیه بود، عالم هستی وارد یک فاز تورمی فوق‌العاده شدید و کوتاه‌مدت شده است. برای این که تصوری از چگونگی این اتفاق داشته باشید بادکنکی را تصور کنید که در کمتر از یک چشم به هم زدن از کهکشان راه شیری بزرگ‌تر می‌شود. در این مورد خاص حتی محدودیت سرعت نور هم مطرح نیست؛ چراکه این محدودیت مختص حرکت در فضاست، حال آن که در ماجرای تورم این خود فضا بود که به وجود می‌آمد. همین موضوع باعث انتشار امواج گرانشی بسیار شدیدی شد که یافته جدید نشان می‌دهد اثر آن هنوز در تابش پس زمینه کیهانی قابل مشاهده و اندازه‌گیری است.

آشکارسازهای امواج گرانشی

آشکارسازهای بسیاری از دهه ‌60 دست به کار یافتن نشانی از امواج گرانشی بودند. بعد از نسل اولیه آشکارسازها که توسط جوزف وبر و دانشگاه لیدن ساخته شد، نوبت به آشکارسازهایی رسید که براساس تداخل‌سنجی لیزری و با فناوری فوق‌العاده پیچیده و هیجان‌انگیزی کار می‌کنند. بعضی از این تداخل‌سنج‌ها روی سطح زمین قرار دارند. مهم‌ترین آنها آشکار ساز لایگوست که از دو بازوی چهار کیلومتری عمود بر هم ساخته شده است. در طول هر یک از این بازوها یک لیزر در حال تابش است. اگر یک موج گرانشی به لایگو برخورد کند طول یکی از بازوها به مقدار ناچیزی افزایش و طول دیگری به همان نسبت کاهش می‌یابد. ویرگو، جی‌ای‌اُ 600 و تاما 300، نمونه‌های پیشرفته‌تری از آشکارسازها هستند. ال‌سی‌جی‌تی یا کاگرا نیز نمونه بسیار جدید آشکارساز است که دانشگاه کیوتو امیدوار است ‌سال 2018 ساخت آن را به پایان برساند. لیزا و دکیگو هم دو آشکارساز فوق پیشرفته فضایی در دست ساخت هستند، ولی باید دید کشف صورت گرفته تغییری در روند پرهزینه ساخت این آشکارسازهای قدرتمند به وجود می‌آورد یا خیر؟

بالا و پایین پریدن ممنوع!

پس از این کشف، استیون هوکینگ در یک برنامه رادیویی اعلام کرد با پروفسور توروک شرط بسته بود که امواج گرانشی آشکارسازی می‌شوند. توروک این کشف را پنجره ای رو به انفجار بزرگ می‌داند. در عین حال نسبت به شتاب زدگی در پذیرفتن نتیجه هشدار می‌دهد و معتقد است تحقیق و بررسی بیشتر در این مورد لازم است. لارنس کراوس هم می‌گوید: «قبل از بالا و پایین پریدن بهتر است منتظر بمانیم و ببینیم چه می‌شود.»

البته کلمنت پرایک که یکی از اعضای گروه تحقیق است درصد اطمینان گروه را در مورد این کشف 99.99 درصد می‌داند و می‌گوید نتیجه آن قدر شگفت‌انگیز بوده است که دانشمندان سه سال گذشته را به بررسی‌های دقیق با حضور آلن گوث و تعدادی دیگر از دانشمندان صرف کرده‌اند و همواره یکی از دغدغه‌هایشان هم این بوده که مبادا یک گروه رقیب، زودتر از آنها اعتبار این کشف بزرگ را از آن خود کند.

مسعود توکلی / جام جم