pooriarezai7
16th May 2009, 11:52 AM
يكي از نخستين حل‌هاي معادله ميدان انيشتين را فيزيكدان منجمي به نام كارل شوارتس شيلد به دست آورد . شوارتس شيلد متريك اطراف يك كره ، مثلا اطراف يك ستاره را بدست آورد . اين متريك كه امروزه متريك شوارتس شيلد نام دارد ، خاصيت بسيار عجيبي دارد ، اگر شعاع ستاره از حدي كوچكتر شود ، ديگر حتي نور هم نميتواند از آن بگريزد . در اين حالت ستاره به شيء عجيبي تبديل ميشود كه سياه چاله نام دارد . درك فيزيك سياه چاله ها يكي از چالش‌هايي است كه فيزيكدانان بيش از نيم قرن است با آن دست و پنجه نرم مي‌كنند . امروزه تقريبا اكثر فيزيكدانان فعال اعتقاد دارند كه در دنيا ، از جمله در مركز كهكشان راه شيري سياه چاله وجود دارد http://www.articles.ir/ShowImage/Article_Image_Width/Article_Image_Base/Article2689.jpg.aspx (http://www.articles.ir/ShowImage/Real_Mode/Article_Image_Base/Article2689.jpg.aspx) محاسبه متريك گرانشي سياه چاله ( جرم نوتروني )
نسبيت عام و سياه چاله ها :
يكي از نخستين حل‌هاي معادله ميدان انيشتين را فيزيكدان منجمي به نام كارل شوارتس شيلد به دست آورد . شوارتس شيلد متريك اطراف يك كره ، مثلا اطراف يك ستاره را بدست آورد . اين متريك كه امروزه متريك شوارتس شيلد نام دارد ، خاصيت بسيار عجيبي دارد ، اگر شعاع ستاره از حدي كوچكتر شود ، ديگر حتي نور هم نميتواند از آن بگريزد . در اين حالت ستاره به شيء عجيبي تبديل ميشود كه سياه چاله نام دارد . درك فيزيك سياه چاله ها يكي از چالش‌هايي است كه فيزيكدانان بيش از نيم قرن است با آن دست و پنجه نرم مي‌كنند . امروزه تقريبا اكثر فيزيكدانان فعال اعتقاد دارند كه در دنيا ، از جمله در مركز كهكشان راه شيري سياه چاله وجود دارد .
تاريخچه سياه چاله ها :
پس از آنكه مكانيك نيوتني تحت عنوان مكانيك آسماني در شناخت جهان مورد استفاده قرار گرفت ، يكي از موارد مورد توجه سياه چاله ها بود . نخستين بار در سال 1784 جان ميشل طي يك مقاله سرعت فرار را با اطلاعات آن روز محاسبه كرد و اظهار داشت كه اگر گرانش چنان قوي باشد كه سرعت فرار در آنجا بيش از سرعت نور باشد ؛ نور نميتواند از آنجا بگريزد . البته در آن زمان به طور تقريبي سرعت نور را مي‌دانستند ولي حد سرعت ، سرعت نور نبود . زيرا در مكانيك نيوتني سرعت نامتناهي قابل قبول بود . در سال 1796 لاپلاس همان نظريه جان ميشل را دوباره مطرح كرد . در اواخر قرن نوزدهم سرعت نور كاملا معلوم و اندازه گيري شده بود . در سال 1915 انيشتين نظريه نسبيت عام را مطرح كرد و نشان داد كه گرانش روي نور اثر دارد . چند ماه بعد كارل شوارتس شيلد با حل معادله ميدان انيشتين براي يك جرم نقطه‌اي ، اظهار داشت كه از ديدگاه نظري ، سياه چاله ها وجود دارند . شعاعي كه نور نميتواند از آنجا خارج شود به نام شعاع شوارتس شيلد شناخته ميشود . چند ماه بعد از شوارتس شيلد ، يكي از دانشجويان لورنتس به نام ژوهانس دروست ، به همان نتايج شوارتس شيلد رسيد .
در 1920 چاندرازخار كه از شاگردان ادينگتون بود ، نشان داد كه اگر سرعت فرار بخواهد بيش از سرعت نور باشد ، جرم جسم بايد حداقل 1.44 برابر جرم خورشيد باشد . اين عدد امروزه به عنوان حد چاندرازخار شناخته ميشود . ادينگتون با دست آورد وي مخالف كرد و آن را نادرست خواند . در 1939 اپنهايمر به اتفاق شاگرد خود اسنايدر پيش بيني كردند كه يك ستاره پر جرم در اثر گرانش فرو مي‌ريزد و به سياه چاله تبديل ميشود . هم زمان با آغاز جنگ جهاني دوم ، مسئله سياه چاله ها به فراموشي سپرده شد . در دهه 1960 دوباره نظريه سياه چاله ها و راه حل شوارتس شيلد و فروپاشي گرانشي مورد توجه فيزيكدانان قرار گرفت .
شعاع شوارتس شيلد :
شعاع شوارتس شيلد را ميتوان با استفاده از رابطه سرعت فرار بدست آورد . توضيحات كاملي در مورد سرعت فرار در مبحث نظريه انفجار بزرگ محال است ارايه شده و روابط آن از قرار زير است :
اگر انرژي پتانسيل گرانشي يك دستگاه شامل دو جسم در فاصله بي نهايت را برابر صفر در نظر بگيريم به راحتي مي توان اثبات كرد كه :
http://www.ki2100.com/images/physics/big-bang/2.gif
كه در اين رابطه U انرژي پتانسيل ، M جرم زمين ، m جرم گلوله ، G ثابت جهاني گرانش و r فاصله مركز زمين تا مركز گلوله است . با توجه به مطالب گفته شده در بالا مي توان گفت كه :
http://www.ki2100.com/images/physics/big-bang/3.gif
K انرژي جنبشي و Vesc سرعت فرار گلوله ميباشد .
براي آنكه نور نتواند از سطح يك جسم بگريزد ، بايد در رابطه فوق سرعت فرار در آنجا برابر سرعت نور شود . چنين جسمي كه مانع فرار نور ميشود ، قابل رويت نيست و آن را سياه چاله مي‌نامند . شوارتس شيلد با استفاده از نسبيت عام ، شعاع يك سياه چاله را محاسبه كرد و به صورت زير ارايه داد :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/1.gif
كه در آن r شعاع شوارتس شيلد و c سرعت نور ميباشد . سياه چاله ها مثل گرداب عمل مي‌كنند . هر جرم يا انرژي كه به يك سياه چاله نزديك شود ، در داخل فاصله معيني كه افق رويداد آن خوانده ميشود ، به طور مقاومت ناپذيري به درون سياه چاله كشيده ميشود . سياه چاله ماده را به سمت خود مي‌كشد و منقبض ميكند ، تا آنكه ماده به كلي تجزيه و جز پيكره سياه چاله شود .
نوري كه از اطراف يك سياه چاله عبور ميكند ، اگر به افق رويداد نرسد ، روي مسيري منحني شكل از كنار آن مي‌گذرد . اگر به افق رويداد برسد ، در سياه چاله سقوط ميكند و سياه چاله را سياه و بنابراين نامريي ميكند .
موج يا امواج گرانشي :
گرانش يكي از چهار نيروي اساسي طبيعت فرض ميشود كه ماهيت عمل آن نظير ساير نيروهاست ، با اين تفاوت كه بسيار ضعيف تر از آنهاست . نخستين نيرويي كه به طور جدي مورد توجه قرار گرفت گرانش است . طبق قانون جهاني گرانش كه نيوتن كاشف آن است ، هرگاه دو جسم در فاصله‌اي از يكديگر قرار گيرند ، نيرويي بر هم وارد مي‌كنند كه با حاصل ضرب جرم دو جسم متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد . اين نيرو خاصيت ذاتي ماده است و تجربه نشان داده مستقل از خواص فيزيكي ، شيميايي و محيطي همواره اعمال مي‌گردد . برد اين نيرو بينهايت است . بسياري از فيزيكدانان از جمله فارادي و پلانك اعتقاد داشتند كه نيروهاي گرانشي و الكترومغناطيسي تشابه بسيار زيادي به يكديگر دارند و احتمالاً رابطه مشابهي نظير آنچه كه بين نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي وجود دارد ، بين گرانش و نيروي الكترومغناطيسي نيز وجود دارد . آلبرت انيشتين نيز تلاش بسيار كرد كه اين دو نيرو را در يك نيروي اوليه خلاصه كند ، اما موفق نشد . البته در زمان انيشتين نيروهاي مهم و مطرح همين دو نيروي گرانشي و الكترومغناطيسي بود .
نظريه نسبيت عام كه گرانش را به منزله انحناي فضا - زمان چهار بعدي مطرح مي كند ، انواعي از پديده‌هاي غير عادي را پيش بيني مي كند . بنابر نسبيت عام هر جسمي كه جرم داشته باشد موجب مي‌گردد كه فضاي اطراف آن خميده شود . هر زمان كه اين جسم حركت كند ، اين انحنا با صورت بندي جديد ماده ، متناسب مي گردد . اين تنظيم فضا - زمان با وضعيت متغير مكاني ماده موجب مي شود كه امواج گرانشي با سرعت نور در فضا منتشر شود . در نتيجه هر جسم متحركي از خود تشعشعات گرانشي منتشر مي كند .
امواج گرانشي نسبت به ساير نيروها فوق‌العاده ضعيف است . براي مشاهده ضعيف بودن امواج گرانشي نسبت به امواج الكترومغناطيسي كافيست قانون گرانش و قانون كولن را براي دو الكترون بكار بريد . خواهيد ديد كه امواج الكترومغناطيسي تقريباً ده بتوان چهل مرتبه از امواج گرانشي قوي تر است .
وقتي امواج الكترومغناطيسي به ماده برخورد مي كنند ، فقط ذرات باردار را تكان مي دهند . ولي امواج گرانشي موجب ميشوند كه تمام ذرات ماده تحت تاثير قرار گيرند . همچنين به دليل آنكه امواج الكترومغناطيسي بسيار قوي تر از امواج گرانشي است ( تقريباً ده بتوان چهل بار ) هنگام عبور امواج به همين نسبت نيز ذراتي كه در مسير آنها هستند تحت تاثير قرار مي گيرند .
در دهه 1960 ژوزف وبر از دانشگاه مريلند ترتيبي داد تا امواج گرانشي را آشكار سازد . آنتني كه وبر براي آشكار ساختن امواج گرانشي ساخت استوانه‌اي آلومينيمي بود به قطر 60 سانتيمتر و طول 1.5 متر كه وزن آن بيش از يك تن بود . اين استوانه توسط سيمي كه در وسط آن به دور استوانه پيچيده شده بود در يك محفظه خلا به طور معلق قرار داشت . همچنين اين محفظه به وسيله سيستمي از كمك فنرها از جهان خارج جدا شده بود . وقتي يك موج گرانشي از درون استوانه عبور ميكرد فشارهايي به وجود مي آورد . وبر براي آشكار كردن نوسانات حاصل ، تعدادي كريستال پيزوالكتريك بر روي سطح استوانه نصب كرد . اين كريستالها نوسانات را به جريان‌هاي الكتريكي ضعيفي مبدل مي كنند . سپس اين جريان‌ها تقويت و ثبت مي شوند . يك چنين استوانه آلومينيمي به دليل وجود تاثيرات گرمايي همواره در حال نوسان خواهد بود . براي غلبه بر اين مشكل صافيهايي الكترونيكي در سيستم نصب شده تا تمام نوسانات را به استثناي بزرگترين آنها حذف كند . علاوه بر اين وبر دو عدد از اين آنتن‌ها را يكي در دانشگاه مريلند در نزديكي واشنگتن و ديگري را در آزمايشگاه ملي ارگون خارج از شيكاگو نصب كرد . اين دو آنتن بوسيله خطوط تلفن به نحوي به هم وصل بودند كه نوسانات بزرگ آني كه در هر دو ايستگاه رخ مي داد ، به سرعت ثبت مي كردند . در سال 1969 وبر با اعلام اين خبر كه امواج گرانشي را به طور موفقيت آميزي آشكار كرده فيزيكدانان را متحير كرد . هر روزه حداقل يك نوسان بزرگ ثبت مي شد و نشان مي داد كه يك موج گرانشي به زمين برخورد مي كند . با اين وجود بسياري از دانشمندان نسبت به درستي نتايج آزمايش وبر مشكوك هستند . هرچند كه هيچ كس نتوانسته نشان دهد كه كدام قسمت از نتايج آزمايش وبر نادرست است .
نحوه عملكرد امواج گرانشي بر ذرات باردار و بدون بار چنين بنظر ميرسد : زمانيكه يك موج گرانشي از يك جسم عبور ميكند ، ممكن است جهت نوسان ذرات عمود بر جهت انتشار موج گرانشي باشد ، ولي در اين حالت ذرات نسبت به يكديگر حركت نسبي دارند و ذرات بطور يكسان و يكپارچه و باهم ارتعاش نمي كنند . بطور مثال اگر امواج گرانشي از يك لوله استوانه‌اي عبور كنند و ما سطح مقطع دايره‌اي آنرا ناظر باشيم ، مشاهده خواهيم كرد كه ذرات سمت چپ و راست از مركز دايره دور ميشوند و در همان لحظه ذرات بالا و پائين به مركز دايره نزديك ميشوند و لحظه‌اي بعد ، اين وضعيت بر عكس ميشود . نمونه كيهاني اين تحولات گرانشي ، لحظه انفجار ستارگان بسيار عظيم است كه جرمشان هزاران مرتبه از خورشيد ما بزرگتر است و امواج گرانشي حاصل از انفجار ، بهنگام عبور از منظومه شمسي ، موجب نوسان ماه و زمين به عقب و جلو ميشوند .
اشكالات امواج گرانشي در نسبيت عام :
1- همچنانكه مي دانيم در نسبيت عام ، گرانش اثر هندسي ماده بر فضاي اطرافش ميباشد و آنرا انحناي فضا - زمان مي نامند كه كميتي پيوسته است . با حركت جسم ميزان انحناي فضا - زمان نيز تغيير مي كند . اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كميتي پيوسته است آنگاه با مكانيك كوانتوم ناسازگار خواهد بود . يعني از چهار نيروي اساسي سه تاي آنها كوانتومي و يكي پيوسته است . اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كوانتومي است كه در اين صورت فضا - زمان با امواج گرانشي كه نسبيت خود باني است ناسازگار خواهد بود .
" اخترشناسان به تازگي از پيشرفت‌هاي رصدي و نظري درباره فاجعه بارترين واقعه در عالم ، پس از مهبانگ ، خبر دادند يعني :
ادغام سياهچاله هاي ابر پر جرم . اين برخوردهاي عظيم بايد در مدت كوتاهي ، 23^10 برابر خورشيد انرژي آزاد كنند ، كه همه اين انرژي به شكل امواج نامريي گرانشي است ؛ امواجي در انحناي فضا ـ زمان كه در نسبيت عام انيشتين هم پيش بيني شده ، اما هنوز بطور قطع شناخته نشده‌اند .
اخترشناسان سالهاست كه ميدانند ابر سياهچاله ها ، با جرمي معادل چند ميليون تا چند ميليارد برابر جرم خورشيد ، در مركز كهكشانهاي بزرگ مخفي شده‌اند . اين هيولاها به تحول كهكشانها نظم مي بخشند . وقتي دو كهكشان با هم ادغام مي شوند ، سياهچاله هاي ابر پر جرم بايد در عرض چند صد ميليون سال در مداري به گرد هم قفل شوند .
اين جفت چرخان به دور هم ، ستاره هاي نزديك را پراكنده مي كنند . به اين فرآيند كه آنها را نزديكتر به هم مي كشاند ، اصطكاك ديناميكي مي گويند . اگر اين دو به فاصله يك هزارم سال نوري از هم برسند آنچنان با حركت خود ساختار فضا ـ زمان را در هم مي پيچند كه با گسيل امواج گرانشي و از دست رفتن انرژي ، مطابق اصل بقاي تكانه انرژي ، امواج گرانشي قدرتمندي را ساطع مي كنند . مدارهايشان جمع تر مي شود و سرانجام آنقدر به دور هم مي گردند تا تبديل به يك سياهچاله شوند . اما چنين رخدادي چقدر معمول است ؟
اخترشناسان ، براي يافتن پاسخ اين پرسش ، بايد سياهچاله هاي دوتايي با جدايي كم را پيدا كنند . اخترشناسان دانشگاه نيومكزيكو در گزارش اخير خود خبر كشف احتمالي به هم چسبيده ترين جفت سياهچاله ها را اعلام كردند . اين دو سياهچاله ، دو منبع راديويي درخشان در نزديكي مركز كهكشان 0402+379 در صورت فلكي برساوش اند .
اخترشناسان با استفاده از آرايه با خط مبناي بسيار بلند (VLBA) ـ شبكه‌اي از 10 تلسكوپ راديويي كه در خطي به طول 8000 كيلومتر از هاوايي تا شرقي ترين جزاير دريايي كارايب گسترده‌اند ، جدايي زاويه‌اي اين زوج را فقط 6.9 ميلي ثانيه قوس بدست آوردند ، كه با توجه به فاصله 750 ميليون سال نوري اين جفت از ما ، فاصله آن دو از هم 24 سال نوري به دست مي‌آيد . اين عدد 100 بار كمتر از جدايي بين جفت سياهچاله هايي است كه پيش از اين كشف شده بود .
طيفهايي با تفكيك كم كه به كمك تلسكوپ هابي ـ ابرلي در تگزاس گرفته شده است كه گردش آنها به دور هم را نشان مي دهد و جرم مجموعشان را دست كم 150 ميليون برابر جرم خورشيد به دست مي دهد . احتمالا ً دوره گردش آنها به دور هم 150 هزار سال طول مي كشد تا آن دو در هم ادغام شوند .
ممكن است جدايي بين دو سياهچاله بيشتر از اين باشد ، اگر يكي از آنها بسيار جلوتر از ديگري ، نسبت به زمين باشد و از ديد ما كنار هم بنظر برسند ؛ كه البته احتمالش بسيار كم است . براساس بررسي هاي نظري وقتي كهكشانها ادغام مي شوند ، اصطكاك ديناميكي به سرعت دو سياهچاله را به هم نزديك مي كند تا فاصله شان به 30 سال نوري برسد . سپس مهاجرت بسوي هم كند مي شود ، پيش از اين كه برهمكنش با گاز ، دسته‌اي ستاره ، يا سياهچاله سومي سبب ادغام دو ابرسياهچاله شود .
فيزيكدانان همچنين مايل اند ردپاي امواج گرانشي را در انحناي فضا ـ زمان شناسايي كنند ؛ آثاري كه حاصل ادغام سياهچاله هاي غول پيكرند . مطابق نسبيت عام انيشتين انحناي فضا در اطراف جرم شكل مي گيرد و جرم زياد و بي اندازه چگال سياهچاله انحناي فوق‌العاده‌اي را در فضا ـ زمان ايجاد مي كند و با حركت دو سياهچاله به دور هم خميدگي فضا ـ زمان نيز جابجا مي شود و موجي از انحناي فضا ـ زمان را منتشر مي كند كه موج گرانشي نام دارد . اخترشناسان مركز پرواز هاي فضايي گادرد ناسا در گزارشي اعلام كردند كه شبيه سازي هاي سه بعدي ابر رايانه ها نشان مي دهد در جريان فرايند ادغام ، امواج به سوي بيرون حركت مي كنند . آنها معادلات انيشتين را به زبان رايانه ترجمه كردند . شبيه سازي مشخص كرد كه اگر سياهچاله هاي ابر پر جرم در هر كهكشان در فاصله چند ميليارد سال نوري از زمين با هم ادغام شوند ، آشكارسازهاي امواج گرانشي بايد به دنبال چه نشانه‌هايي بگردند . چندين شبيه سازي انجام شده و حالا دانشمندان مطمئن اند كه شبيه سازي‌ها بيشترين شباهت را با واقعيت دارند . آنها دريافتند كه 4 درصد جرم سياهچاله ها به امواج گرانشي تبديل مي شود . بسامد و شدت امواج با نزديكتر شدن سياهچاله ها به هم افزايش مي يابد .
هر موجود ميكروسكوپي در فاصله چند واحد نجومي از اين رخداد به سبب امواج گرانشي تكه تكه خواهد شد . اما زماني كه اين امواج ميليون‌ها يا ميليارد‌ها سال نوري سفر كنند و به زمين برسند ، اثر كشيده شدن يا فشرده شدن حاصل از عبور موج گرانشي بر موجودات زمين بسيار كمتر از اندازه هسته يك اتم است . به سبب بسامد كم و ضعيف بودن اين امواج ، دانشمندان براي آشكار ساختن آنها به آرايه‌اي از فضاپيماها نياز دارند . ناسا و اسا در حال تدارك اين ماموريت اند ؛ آنتن فضايي تداخل سنجي ليزري (ليزا) . البته ليزا هم يكي از ماموريتهاي ناسا در فهرست ابهام است زيرا كاهش بودجه ناسا بسياري از ماموريتهاي آينده را لغو كرده است .
منبع : مجله نجوم 160 ــ شماره دهم تيرماه 1385
http://www.nojum.ir "
" آشكار سازهايي كه امروزه براي جستجوي امواج گرانشي به كار مي روند ، گرچه تلسكوپ امواج گرانشي نيز نام دارند اما در عمل هيچ شباهتي به تلسكوپ نوري ندارند .
اساس كار اين آشكار سازها ، پديده‌اي به نام تداخل سنج است . در اين روش دو باريكه هم فاز نور در دو مسير عمود بر هم حركت مي كنند ، در انتهاي مسيرها بازتابنده‌اي قرار دارد كه نور را به مبداء باز مي تاباند .
دو باريكه نور وارد يك تلسكوپ مي شوند و يك طرح تداخلي مي سازند . در آنجا ميتوان فهميد كه در طول مسير آيا اتفاقي براي يكي از پرتوها روي داده است يا خير ؟
اگر پديده‌اي باعث تغيير يكي از باريكه‌ها شود آنگاه دو پرتو با هم اختلاف فاز پيدا مي كنند و وقتي با يكديگر تركيب شوند طرح تداخلي آنها تغيير خواهد كرد و ديگر همان شكل قبلي را نخواهد داشت . با مشاهده اين تغيير مي توان فهميد كه چه اتفاقي افتاده است . اگر اين پديده موج گرانشي باشد ، موج گرانشي در راستاي عمود بر انتشار خود ، فضا - زمان را دچار تغيير خواهد كرد .
به عبارتي مسير نور در اثر عبور موج گرانشي تغيير مي كند . فرض كنيم در راستاي يكي از بازوها عبور مي كند ، طبق خاصيت موج گرانشي ، طول بازو براي مسير نور تغيير مي كند . درست مثل وقتي كه نور در هوا وارد آب يا شيشه مي شود و سرعت آن تغيير مي كند . بنابراين نور در مدت زمان متفاوتي اين مسير را طي مي كند و به همين دليل نسبت به حالات قبل اختلاف فاز پيدا مي كند . اختلاف فاز اين پرتو موجب مي شود كه ديگر پرتوها يكديگر را خنثي نكنند و در نتيجه يك جرقه را لحظه‌اي با شكل خاص مشاهده مي كنيم . پس مشاهده يك درخش نمايانگر عبور موج گرانشي است اما ممكن است عوامل ديگري مثل زمين لرزه باعث ايجاد چنين تغييراتي شود . به همين خاطر در مجاورت يكي از آشكارسازها ، آشكارساز كوچكتري با همين خصوصيات ولي با طول بازوي 2 كيلومتر ساخته مي شود . اگر موج گرانشي عبور كند ، اثر آن بر آشكارساز كوچك ، نصف آشكارساز بزرگ است . از جمله آشكار سازهاي روي زمين آشكار ساز ليگو است .
ليگو با وجود آنكه در حال حاضر بزرگترين آشكار ساز امواج گرانشي روي زمين است ولي مشكلات و محدوديت‌هاي بزرگ نيز دارد كه مهمترين آنها حساسيت نسبتاً پايين به امواج گرانشي است . ليگو مي تواند منظومه دوتايي ستاره‌هاي نوتروني را تنها در چند صدم ثانيه‌اي كه اين دو با هم برخورد مي كنند آشكار كند . در چنين لحظه‌اي امواج گرانشي در حوالي منظومه بسيار قوي است .
يك راه ديگر براي آگاهي از امواج گرانشي و آنچه در پيرامون ما در فضا اتفاق مي افتد شبيه سازي رايانه‌اي است . در اين كار وضعيت فيزيكي خاصي را در نظر مي گيرند و با كمك معادلات توصيف كننده آن وضعيت ، رفتار بعدي آن را شبيه سازي مي كنند ، هر چند كه معادلات رياضي بسيار پيچيده‌اي دارند . بررسي امواج اجرام مختلف به ما كمك مي كند تا اطلاعات بيشتري در مورد ساختار آنها كسب كنيم . با مشاهده انفجار يك ابر نو اختر مي توان سرعت امواج الكترومغناطيس و سرعت موج گرانشي را مقايسه كرد . دريافت موج گرانشي از يك ستاره نوتروني مي تواند اطلاعات دقيق تري در مورد شعاع و جرم آنها به ما دهد .
طرحي به نام ليزا Lisa در دست است كه از سه ماهواره تشكيل شده در فضا به شكل يك مثلث متساوي‌الاضلاع با طول هر ضلع 5 كيلومتر قرار دارد . ماهواره‌هاي ليزا در فاصله 50 ميليون كيلومتري زمين به دور خورشيد قرار خواهند گرفت . يكي از ماهواره‌ها ، هم به صورت منبع تابنده ليزر و هم به صورت دريافت كننده پرتوهاي بازتابنده عمل مي كند و دو ماهواره ديگر در نقش بازتابنده ( از قطعات مكعبي شكل ساخته شده است ) استفاده مي كنند كه آزادانه در فضاي درون ماهواره حركت مي كند ................
http://hamidoroud.blogfa.com/post-38.aspx "
2- اگر سرعت امواج گرانشي برابر سرعت نور باشد ؛ اين امواج نمي‌توانند از افق رويداد يا شعاع شوارتس شيلد اجرام نوتروني فرار و به طرف پيرامون منتشر و حتي آشكار شوند ، براي اينكه طبق نظريات جديد ، ميدان گرانش هر جسمي تشكيل شده است از امواج گرانشي خود آن جسم كه مربوط به ذرات زير كوانتومي فرضي به نام گراويتون ميشود و علت آن اين است كه اتم‌ها ساكن نبوده بلكه با نوسانات زيادي در حال جنبش هستند كه مسلما امواج گرانشي توليد خواهند كرد ، يعني چيزي شبيه امواج الكترومغناطيسي پيرامون اجسام باردار يا مواد باريوني كه مربوط به ذراتي به نام فوتون ميشود . در صورت درست بودن نظريات فعلي هيچ ميدان گرانشي نميتواند پيرامون سياهچاله ها پديدار شود و اين در حالي است كه ميدان گرانش قوي پيرامون اجرام نوتروني شناسايي شده است . و بايد گفت كه اين امواج گرانشي در برهمكنش سياهچاله ها با يكديگر در يك سيستم ( منظومه ) دوتايي شناسايي و رديابي شده و جالب است كه اين پديده شناخته شده يكي از شواهد اثبات نظريه نسبيت تلقي ميشود . اگر طبق نظريات مكانيك كوانتومي ذره زير كوانتومي وجود داشته باشد و آن حامل نيروي گرانش باشد ، سرعت اين ذرات ميبايست به مراتب بيشتر از سرعت نور يا فوتونها باشد تا بتوانند خارج از افق روي داد يك سياه چاله گسترش و انتشار يابند .
امروزه سرنخ‌هايي از اين سرعت‌هاي بسيار بالا بدست آمده است :
" سرعت نور شكسته شد
محققان دانشگاهي در سوئيس سيگنالي را رديابي كردند كه سرعتي بالاتر از سرعت نور دارد . به گزارش خبرگزاري مهر ، محققان دانشگاه ژنو در سوئيس موفق به كشف سيگنالي شدند كه سرعت حركت آن از سرعت نور بيشتر است . در دنياي خارق‌العاده كوانتوم و مكانيك كوانتومي ، پديده‌اي به نام درگيري ذرات با يكديگر وجود دارد به اين معني كه اگر دو ذره كه به شدت با هم در ارتباطند را از يكديگر جدا كرده و در فاصله طولاني از هم نگه داريم ، علي رغم فاصله‌اي كه بين آنها وجود دارد ، در صورت بروز تغيير در يكي از ذره‌ها ديگري نيز دچار تغيير خواهد شد . اين پديده توسط دكتر دانيل سالارت و همكارانش در دانشگاه ژنو مورد بررسي قرار گرفت . وي دو فوتون نور مرتبط و درگير به هم را در آزمايشگاه به فاصله 18 كيلومتر از يكديگر دور كرد و با بررسي خصوصيات هر يك از آنها دريافت كه با تغيير در هر كدام ديگري نيز متحول مي شود . وي اين آزمايش را بر روي جفتهاي زيادي از فوتونها انجام داد كه نتايج به دست آمده مشابه نتيجه اوليه بود . با مشاهده اين نتايج محققان به اين نتيجه رسيدند كه بين اين دو ذره سيگنالي در حال حركت است كه خصوصيات يكي را به ديگري منتقل مي كند . بر اساس گزارش NewScientist، محققان بر اين باورند كه اين سيگنال بايد سرعتي 10000 بار بيشتر از سرعت نور داشته باشد تا بتواند خصوصيت يك فوتون را به ديگري منتقل كند .
نظريه ديگري كه اين تيم ارائه داد مبني بر اين است كه سنجش خصوصيات يك فوتون به سرعت بر روي فوتونهاي ديگر نيز تاثير مي گذارد .
http://www.mehrnews.ir/NewsPrint.aspx?NewsID=732981 "
البته لازم به ذكر است كه سرعت محاسبه شده جديد ميبايست 15707 برابر سرعت نور باشد زيرا همانطور كه ميدانيم محيط دايره تقريبا 3.14 برابر قطر آن است و چون امواج الكترومغناطيسي به صورت كره در فضا گسترش مي‌يابند اين ارتباط مابين دو فوتون ميبايست از طريق محيط دايره‌اي شكل برقرار شود و نه از طرق قطر دايره يا همان خط مستقيم :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/6.gif
در رسم فوق مارپيچ طلايي دوران ميدان الكتريكي موج الكترومغناطيس ، A منبع موج الكترومغناطيس ، B و C مكان حضور دو فوتون با فاصله 18 كيلومتر و منحني يا كمان ADC برابر 28.27 كيلومتر ميباشد كه انتقال اطلاعات ميبايست از اين طريق انجام شود كه سرعت ميبايست 1.57 برابر بيشتر شود .
اگر سرعت برقراري ( تشكيل ) و يا انفصال ميادين گرانشي و همچنين انتشار امواج گرانشي معادل و برابر سرعت نور باشد ، اين ميادين و امواج در پيرامون يك سياه چاله تقريبا به شكل زير خواهد بود :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/2.gif
دايره قرمز رنگ شعاع شوارتس شيلد و منحني‌هاي مشكي رنگ بيانگر انحناي فضا - زمان نظريه نسبيت يعني مسير برگشت امواج الكترومغناطيسي و گرانشي به طرف داخل را نشان مي‌دهد كه در كل وضعيت ناهنجاري را براي يك جرم نوتروني به ارمغان خواهد داشت . در اين وضعيت ناهنجار تمام نيروهاي گرانشي يا انرژي امواج گرانشي و ... در مركز جرم نوتروني متمركز ميشوند كه در اين صورت ، اجرام نوتروني خيلي زود ميبايست منفجر شوند كه در واقع چنين نيستند ! انفجار آنها تابع شرايط خاص خود است كه در روز قيامت به وقوع خواهد پيوست ! در حقيقت سرعت برقراري ( تشكيل ) و يا انفصال ميادين گرانشي و همچنين انتشار امواج گرانشي خيلي بيشتر از سرعت نور ( امواج الكترومغناطيس ) است ، اين ميادين يا امواج گرانشي و بهتر است بگوييم كه دوران ميادين گرانشي پيرامون يك جرم نوتروني به شكل زير خواهد بود :
http://www.ki2100.com/images/physics/rotation-of-gravity-fields/1.gif
يعني همان اسپيرال لگاريتمي معروف ( مارپيچ طلايي فيبوناچي ) !
توضيحات بيشتر در مورد شكل اول اينچنين است كه طبق نظريه نسبيت ، گرانش تغيير شكل هندسي فضاي پيرامون جرم يا جسم و يا همان انحناي فضا - زمان است و چون مسير حركت نور تابعي از همبافته فضا - زمان است ، پس نور در هنگام گذر از پيرامون اجرام خميده ميشود و مسير مستقيم پرتو نور به منحني تبديل ميشود . حال پرتو نوري را فرض كنيد كه با سرعت اوليه سعي دارد از ميدان گرانش يك سياه چاله فرار كند ، سرعت اين پرتو نور در جوار شعاع شوارتس شيلد صفر شده و مجبور است به طرف مركز سياه چاله سقوط كند ولي امواج گرانشي چنين نيستند ، سرعت آنها خيلي بيشتر از سرعت نور است و توان فرار را دارند منتها در هنگام فرار تاب خورده و تحت تاثير گرانش در هم تنيده ميشوند و همانند يك اسپيرال لگاريتمي منتشر خواهند شد . پس هرچه قدر جرم و يا سرعت زاويه‌اي سياهچاله بيشتر شود فركانس و يا بسامد امواج گرانشي افزايش خواهد يافت و برعكس . پس در آينده ميتوان با شناسايي امواج راديويي و گرانشي اجرام نوتروني به اطلاعات مفيدي دست يافت كه اشاره به خصوصيات فيزيكي جرم نوتروني خواهد داشت .
حد جرم نوتروني براي گريز امواج گرانشي :
اينك ما ميتوانيم متريك گرانشي اطراف يك سياه چاله را محاسبه و بدست آوريم . براي اين منظور ميبايست سرعت فرار را برابر سرعت نور بتوان 2 در نظر بگيريم براي اينكه در مبحث قيامت در پيش است ( انقلاب دوم ستارگان نوتروني ) عنوان شد كه :
سرعت انتشار تك موج گرانشي :
به نام خداوندِ رحم كنندهِ ( بخشنده ، گذشت كننده ) مهربان ( با شفقت ، با عاطفه )
سوال كرد سوال كننده به عذابي واقع شدني ( روي دادني ) 1
[بداند] براي كافران [است كه] نيست برايش دفع كننده‌اي 2
از [جانب] خداوند داراي بالابرها ( بالا برنده‌ها ) 3
بالا ميرود ملائكه و روح به سويش در روزي [كه] باشد مقدارش پنجاه هزار سالي 4
............... سوره معارج
ما همواره بايد بدانيم كه سرعت حركت موج به دو عامل كلي بستگي دارد 1 - محيط انتشار موج 2 - جنس و ماهيت خود موج . نور از جنش امواج الكترومغناطيس است ولي گرانش از نوع موج گرانشي ، اگر ما فضا را براي هر دو موج يكسان در نظر بگيريم ، آيا ماهيت اين دو موج يكي است ؟ هر چند كه مبدا و منشا واحدي داشته باشند ! متاسفانه بشر فعلا توانايي توليد امواج گرانشي را ندارد كه سرعت آن را اندازه گيري كند ولي به احتمال زياد سرعت امواج گرانشي خيلي خيلي ..... بيشتر از سرعت نور است ، اين موج در عرض 50 هزار سال قمري فاصله 13 ميليارد سال نوري را طي ميكند ، يعني سرعتي نزديك به 270 هزار برابر سرعت نور و البته اين به فركانس موج گرانشي نيز مربوط ميشود . اگر ابعاد كيهان 14.547.900.000 سال نوري باشد اين موج در عرض 48.493 سال شمسي آن را مي‌پيمايد و همه چيز مقابل خود را منهدم ميكند ، پس ميتوان با اين شرايط سرعت آن را 300.000 برابر سرعت نور تخمين زد يعني سرعت تك موج گرانشي برابر سرعت امواج الكترومغناطيسي به توان دو است ، يعني سرعت موج گرانشي برابر C² ميباشد . براي اين محاسبه از فرمول كلاسيك سرعت فرار استفاده مي‌كنيم :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/3.gif
R متريك گرانشي اطراف يك سياه چاله و M جرم آن ميباشد . اينك با دانستن فرمول حجم كره و جرم حجمي نوترون متراكم ، ميتوانيم حد جرم سياه چاله و متريك گرانشي آن را محاسبه كنيم . براي اين منظور از دستگاه معادلات ( دو معادله دو مجهول ) استفاده مي‌كنيم .
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/4.gif
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/5.gif
اين اعداد به چه معني است ؟
اگر حد جرم نوتروني ( سياه چاله ) بدست آمده را تقسيم بر جرم خورشيد ( 30^10*1.99 ) كنيم ، عدد 26^10*1.16 بدست مي‌آيد . طبق رصدهاي انجام شده چنين برآورد ميشود كه در كيهان تقريبا 100 ميليارد كهكشان وجود دارد و به طور متوسط هر كدام حاوي 100 ميليارد ستاره است . يعني كيهان حاوي 22^10 ستاره است كه اگر تمام اينها به علاوه ساير اجرام سماوي و مواد باريوني ، تشكيل جرم نوتروني ( سياه چاله‌اي ) را دهند كه مسلما شعاع آن كمتر از متريك گرانشي بدست آمده خواهد بود ، و هرگز نميتواند جلوي فرار و انتشار امواج پرقدرت و پر نفوذ گرانشي را بگيرد ، يعني هيچ مانعي جلودار امواج و ميادين گرانشي نخواهد بود .
محاسبه متريك گرانشي سياه چاله ( جرم نوتروني )
نسبيت عام و سياه چاله ها :
يكي از نخستين حل‌هاي معادله ميدان انيشتين را فيزيكدان منجمي به نام كارل شوارتس شيلد به دست آورد . شوارتس شيلد متريك اطراف يك كره ، مثلا اطراف يك ستاره را بدست آورد . اين متريك كه امروزه متريك شوارتس شيلد نام دارد ، خاصيت بسيار عجيبي دارد ، اگر شعاع ستاره از حدي كوچكتر شود ، ديگر حتي نور هم نميتواند از آن بگريزد . در اين حالت ستاره به شيء عجيبي تبديل ميشود كه سياه چاله نام دارد . درك فيزيك سياه چاله ها يكي از چالش‌هايي است كه فيزيكدانان بيش از نيم قرن است با آن دست و پنجه نرم مي‌كنند . امروزه تقريبا اكثر فيزيكدانان فعال اعتقاد دارند كه در دنيا ، از جمله در مركز كهكشان راه شيري سياه چاله وجود دارد .
تاريخچه سياه چاله ها :
پس از آنكه مكانيك نيوتني تحت عنوان مكانيك آسماني در شناخت جهان مورد استفاده قرار گرفت ، يكي از موارد مورد توجه سياه چاله ها بود . نخستين بار در سال 1784 جان ميشل طي يك مقاله سرعت فرار را با اطلاعات آن روز محاسبه كرد و اظهار داشت كه اگر گرانش چنان قوي باشد كه سرعت فرار در آنجا بيش از سرعت نور باشد ؛ نور نميتواند از آنجا بگريزد . البته در آن زمان به طور تقريبي سرعت نور را مي‌دانستند ولي حد سرعت ، سرعت نور نبود . زيرا در مكانيك نيوتني سرعت نامتناهي قابل قبول بود . در سال 1796 لاپلاس همان نظريه جان ميشل را دوباره مطرح كرد . در اواخر قرن نوزدهم سرعت نور كاملا معلوم و اندازه گيري شده بود . در سال 1915 انيشتين نظريه نسبيت عام را مطرح كرد و نشان داد كه گرانش روي نور اثر دارد . چند ماه بعد كارل شوارتس شيلد با حل معادله ميدان انيشتين براي يك جرم نقطه‌اي ، اظهار داشت كه از ديدگاه نظري ، سياه چاله ها وجود دارند . شعاعي كه نور نميتواند از آنجا خارج شود به نام شعاع شوارتس شيلد شناخته ميشود . چند ماه بعد از شوارتس شيلد ، يكي از دانشجويان لورنتس به نام ژوهانس دروست ، به همان نتايج شوارتس شيلد رسيد .
در 1920 چاندرازخار كه از شاگردان ادينگتون بود ، نشان داد كه اگر سرعت فرار بخواهد بيش از سرعت نور باشد ، جرم جسم بايد حداقل 1.44 برابر جرم خورشيد باشد . اين عدد امروزه به عنوان حد چاندرازخار شناخته ميشود . ادينگتون با دست آورد وي مخالف كرد و آن را نادرست خواند . در 1939 اپنهايمر به اتفاق شاگرد خود اسنايدر پيش بيني كردند كه يك ستاره پر جرم در اثر گرانش فرو مي‌ريزد و به سياه چاله تبديل ميشود . هم زمان با آغاز جنگ جهاني دوم ، مسئله سياه چاله ها به فراموشي سپرده شد . در دهه 1960 دوباره نظريه سياه چاله ها و راه حل شوارتس شيلد و فروپاشي گرانشي مورد توجه فيزيكدانان قرار گرفت .
شعاع شوارتس شيلد :
شعاع شوارتس شيلد را ميتوان با استفاده از رابطه سرعت فرار بدست آورد . توضيحات كاملي در مورد سرعت فرار در مبحث نظريه انفجار بزرگ محال است ارايه شده و روابط آن از قرار زير است :
اگر انرژي پتانسيل گرانشي يك دستگاه شامل دو جسم در فاصله بي نهايت را برابر صفر در نظر بگيريم به راحتي مي توان اثبات كرد كه :
http://www.ki2100.com/images/physics/big-bang/2.gif
كه در اين رابطه U انرژي پتانسيل ، M جرم زمين ، m جرم گلوله ، G ثابت جهاني گرانش و r فاصله مركز زمين تا مركز گلوله است . با توجه به مطالب گفته شده در بالا مي توان گفت كه :
http://www.ki2100.com/images/physics/big-bang/3.gif
K انرژي جنبشي و Vesc سرعت فرار گلوله ميباشد .
براي آنكه نور نتواند از سطح يك جسم بگريزد ، بايد در رابطه فوق سرعت فرار در آنجا برابر سرعت نور شود . چنين جسمي كه مانع فرار نور ميشود ، قابل رويت نيست و آن را سياه چاله مي‌نامند . شوارتس شيلد با استفاده از نسبيت عام ، شعاع يك سياه چاله را محاسبه كرد و به صورت زير ارايه داد :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/1.gif
كه در آن r شعاع شوارتس شيلد و c سرعت نور ميباشد . سياه چاله ها مثل گرداب عمل مي‌كنند . هر جرم يا انرژي كه به يك سياه چاله نزديك شود ، در داخل فاصله معيني كه افق رويداد آن خوانده ميشود ، به طور مقاومت ناپذيري به درون سياه چاله كشيده ميشود . سياه چاله ماده را به سمت خود مي‌كشد و منقبض ميكند ، تا آنكه ماده به كلي تجزيه و جز پيكره سياه چاله شود .
نوري كه از اطراف يك سياه چاله عبور ميكند ، اگر به افق رويداد نرسد ، روي مسيري منحني شكل از كنار آن مي‌گذرد . اگر به افق رويداد برسد ، در سياه چاله سقوط ميكند و سياه چاله را سياه و بنابراين نامريي ميكند .
موج يا امواج گرانشي :
گرانش يكي از چهار نيروي اساسي طبيعت فرض ميشود كه ماهيت عمل آن نظير ساير نيروهاست ، با اين تفاوت كه بسيار ضعيف تر از آنهاست . نخستين نيرويي كه به طور جدي مورد توجه قرار گرفت گرانش است . طبق قانون جهاني گرانش كه نيوتن كاشف آن است ، هرگاه دو جسم در فاصله‌اي از يكديگر قرار گيرند ، نيرويي بر هم وارد مي‌كنند كه با حاصل ضرب جرم دو جسم متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد . اين نيرو خاصيت ذاتي ماده است و تجربه نشان داده مستقل از خواص فيزيكي ، شيميايي و محيطي همواره اعمال مي‌گردد . برد اين نيرو بينهايت است . بسياري از فيزيكدانان از جمله فارادي و پلانك اعتقاد داشتند كه نيروهاي گرانشي و الكترومغناطيسي تشابه بسيار زيادي به يكديگر دارند و احتمالاً رابطه مشابهي نظير آنچه كه بين نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي وجود دارد ، بين گرانش و نيروي الكترومغناطيسي نيز وجود دارد . آلبرت انيشتين نيز تلاش بسيار كرد كه اين دو نيرو را در يك نيروي اوليه خلاصه كند ، اما موفق نشد . البته در زمان انيشتين نيروهاي مهم و مطرح همين دو نيروي گرانشي و الكترومغناطيسي بود .
نظريه نسبيت عام كه گرانش را به منزله انحناي فضا - زمان چهار بعدي مطرح مي كند ، انواعي از پديده‌هاي غير عادي را پيش بيني مي كند . بنابر نسبيت عام هر جسمي كه جرم داشته باشد موجب مي‌گردد كه فضاي اطراف آن خميده شود . هر زمان كه اين جسم حركت كند ، اين انحنا با صورت بندي جديد ماده ، متناسب مي گردد . اين تنظيم فضا - زمان با وضعيت متغير مكاني ماده موجب مي شود كه امواج گرانشي با سرعت نور در فضا منتشر شود . در نتيجه هر جسم متحركي از خود تشعشعات گرانشي منتشر مي كند .
امواج گرانشي نسبت به ساير نيروها فوق‌العاده ضعيف است . براي مشاهده ضعيف بودن امواج گرانشي نسبت به امواج الكترومغناطيسي كافيست قانون گرانش و قانون كولن را براي دو الكترون بكار بريد . خواهيد ديد كه امواج الكترومغناطيسي تقريباً ده بتوان چهل مرتبه از امواج گرانشي قوي تر است .
وقتي امواج الكترومغناطيسي به ماده برخورد مي كنند ، فقط ذرات باردار را تكان مي دهند . ولي امواج گرانشي موجب ميشوند كه تمام ذرات ماده تحت تاثير قرار گيرند . همچنين به دليل آنكه امواج الكترومغناطيسي بسيار قوي تر از امواج گرانشي است ( تقريباً ده بتوان چهل بار ) هنگام عبور امواج به همين نسبت نيز ذراتي كه در مسير آنها هستند تحت تاثير قرار مي گيرند .
در دهه 1960 ژوزف وبر از دانشگاه مريلند ترتيبي داد تا امواج گرانشي را آشكار سازد . آنتني كه وبر براي آشكار ساختن امواج گرانشي ساخت استوانه‌اي آلومينيمي بود به قطر 60 سانتيمتر و طول 1.5 متر كه وزن آن بيش از يك تن بود . اين استوانه توسط سيمي كه در وسط آن به دور استوانه پيچيده شده بود در يك محفظه خلا به طور معلق قرار داشت . همچنين اين محفظه به وسيله سيستمي از كمك فنرها از جهان خارج جدا شده بود . وقتي يك موج گرانشي از درون استوانه عبور ميكرد فشارهايي به وجود مي آورد . وبر براي آشكار كردن نوسانات حاصل ، تعدادي كريستال پيزوالكتريك بر روي سطح استوانه نصب كرد . اين كريستالها نوسانات را به جريان‌هاي الكتريكي ضعيفي مبدل مي كنند . سپس اين جريان‌ها تقويت و ثبت مي شوند . يك چنين استوانه آلومينيمي به دليل وجود تاثيرات گرمايي همواره در حال نوسان خواهد بود . براي غلبه بر اين مشكل صافيهايي الكترونيكي در سيستم نصب شده تا تمام نوسانات را به استثناي بزرگترين آنها حذف كند . علاوه بر اين وبر دو عدد از اين آنتن‌ها را يكي در دانشگاه مريلند در نزديكي واشنگتن و ديگري را در آزمايشگاه ملي ارگون خارج از شيكاگو نصب كرد . اين دو آنتن بوسيله خطوط تلفن به نحوي به هم وصل بودند كه نوسانات بزرگ آني كه در هر دو ايستگاه رخ مي داد ، به سرعت ثبت مي كردند . در سال 1969 وبر با اعلام اين خبر كه امواج گرانشي را به طور موفقيت آميزي آشكار كرده فيزيكدانان را متحير كرد . هر روزه حداقل يك نوسان بزرگ ثبت مي شد و نشان مي داد كه يك موج گرانشي به زمين برخورد مي كند . با اين وجود بسياري از دانشمندان نسبت به درستي نتايج آزمايش وبر مشكوك هستند . هرچند كه هيچ كس نتوانسته نشان دهد كه كدام قسمت از نتايج آزمايش وبر نادرست است .
نحوه عملكرد امواج گرانشي بر ذرات باردار و بدون بار چنين بنظر ميرسد : زمانيكه يك موج گرانشي از يك جسم عبور ميكند ، ممكن است جهت نوسان ذرات عمود بر جهت انتشار موج گرانشي باشد ، ولي در اين حالت ذرات نسبت به يكديگر حركت نسبي دارند و ذرات بطور يكسان و يكپارچه و باهم ارتعاش نمي كنند . بطور مثال اگر امواج گرانشي از يك لوله استوانه‌اي عبور كنند و ما سطح مقطع دايره‌اي آنرا ناظر باشيم ، مشاهده خواهيم كرد كه ذرات سمت چپ و راست از مركز دايره دور ميشوند و در همان لحظه ذرات بالا و پائين به مركز دايره نزديك ميشوند و لحظه‌اي بعد ، اين وضعيت بر عكس ميشود . نمونه كيهاني اين تحولات گرانشي ، لحظه انفجار ستارگان بسيار عظيم است كه جرمشان هزاران مرتبه از خورشيد ما بزرگتر است و امواج گرانشي حاصل از انفجار ، بهنگام عبور از منظومه شمسي ، موجب نوسان ماه و زمين به عقب و جلو ميشوند .
اشكالات امواج گرانشي در نسبيت عام :
1- همچنانكه مي دانيم در نسبيت عام ، گرانش اثر هندسي ماده بر فضاي اطرافش ميباشد و آنرا انحناي فضا - زمان مي نامند كه كميتي پيوسته است . با حركت جسم ميزان انحناي فضا - زمان نيز تغيير مي كند . اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كميتي پيوسته است آنگاه با مكانيك كوانتوم ناسازگار خواهد بود . يعني از چهار نيروي اساسي سه تاي آنها كوانتومي و يكي پيوسته است . اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كوانتومي است كه در اين صورت فضا - زمان با امواج گرانشي كه نسبيت خود باني است ناسازگار خواهد بود .
" اخترشناسان به تازگي از پيشرفت‌هاي رصدي و نظري درباره فاجعه بارترين واقعه در عالم ، پس از مهبانگ ، خبر دادند يعني :
ادغام سياهچاله هاي ابر پر جرم . اين برخوردهاي عظيم بايد در مدت كوتاهي ، 23^10 برابر خورشيد انرژي آزاد كنند ، كه همه اين انرژي به شكل امواج نامريي گرانشي است ؛ امواجي در انحناي فضا ـ زمان كه در نسبيت عام انيشتين هم پيش بيني شده ، اما هنوز بطور قطع شناخته نشده‌اند .
اخترشناسان سالهاست كه ميدانند ابر سياهچاله ها ، با جرمي معادل چند ميليون تا چند ميليارد برابر جرم خورشيد ، در مركز كهكشانهاي بزرگ مخفي شده‌اند . اين هيولاها به تحول كهكشانها نظم مي بخشند . وقتي دو كهكشان با هم ادغام مي شوند ، سياهچاله هاي ابر پر جرم بايد در عرض چند صد ميليون سال در مداري به گرد هم قفل شوند .
اين جفت چرخان به دور هم ، ستاره هاي نزديك را پراكنده مي كنند . به اين فرآيند كه آنها را نزديكتر به هم مي كشاند ، اصطكاك ديناميكي مي گويند . اگر اين دو به فاصله يك هزارم سال نوري از هم برسند آنچنان با حركت خود ساختار فضا ـ زمان را در هم مي پيچند كه با گسيل امواج گرانشي و از دست رفتن انرژي ، مطابق اصل بقاي تكانه انرژي ، امواج گرانشي قدرتمندي را ساطع مي كنند . مدارهايشان جمع تر مي شود و سرانجام آنقدر به دور هم مي گردند تا تبديل به يك سياهچاله شوند . اما چنين رخدادي چقدر معمول است ؟
اخترشناسان ، براي يافتن پاسخ اين پرسش ، بايد سياهچاله هاي دوتايي با جدايي كم را پيدا كنند . اخترشناسان دانشگاه نيومكزيكو در گزارش اخير خود خبر كشف احتمالي به هم چسبيده ترين جفت سياهچاله ها را اعلام كردند . اين دو سياهچاله ، دو منبع راديويي درخشان در نزديكي مركز كهكشان 0402+379 در صورت فلكي برساوش اند .
اخترشناسان با استفاده از آرايه با خط مبناي بسيار بلند (VLBA) ـ شبكه‌اي از 10 تلسكوپ راديويي كه در خطي به طول 8000 كيلومتر از هاوايي تا شرقي ترين جزاير دريايي كارايب گسترده‌اند ، جدايي زاويه‌اي اين زوج را فقط 6.9 ميلي ثانيه قوس بدست آوردند ، كه با توجه به فاصله 750 ميليون سال نوري اين جفت از ما ، فاصله آن دو از هم 24 سال نوري به دست مي‌آيد . اين عدد 100 بار كمتر از جدايي بين جفت سياهچاله هايي است كه پيش از اين كشف شده بود .
طيفهايي با تفكيك كم كه به كمك تلسكوپ هابي ـ ابرلي در تگزاس گرفته شده است كه گردش آنها به دور هم را نشان مي دهد و جرم مجموعشان را دست كم 150 ميليون برابر جرم خورشيد به دست مي دهد . احتمالا ً دوره گردش آنها به دور هم 150 هزار سال طول مي كشد تا آن دو در هم ادغام شوند .
ممكن است جدايي بين دو سياهچاله بيشتر از اين باشد ، اگر يكي از آنها بسيار جلوتر از ديگري ، نسبت به زمين باشد و از ديد ما كنار هم بنظر برسند ؛ كه البته احتمالش بسيار كم است . براساس بررسي هاي نظري وقتي كهكشانها ادغام مي شوند ، اصطكاك ديناميكي به سرعت دو سياهچاله را به هم نزديك مي كند تا فاصله شان به 30 سال نوري برسد . سپس مهاجرت بسوي هم كند مي شود ، پيش از اين كه برهمكنش با گاز ، دسته‌اي ستاره ، يا سياهچاله سومي سبب ادغام دو ابرسياهچاله شود .
فيزيكدانان همچنين مايل اند ردپاي امواج گرانشي را در انحناي فضا ـ زمان شناسايي كنند ؛ آثاري كه حاصل ادغام سياهچاله هاي غول پيكرند . مطابق نسبيت عام انيشتين انحناي فضا در اطراف جرم شكل مي گيرد و جرم زياد و بي اندازه چگال سياهچاله انحناي فوق‌العاده‌اي را در فضا ـ زمان ايجاد مي كند و با حركت دو سياهچاله به دور هم خميدگي فضا ـ زمان نيز جابجا مي شود و موجي از انحناي فضا ـ زمان را منتشر مي كند كه موج گرانشي نام دارد . اخترشناسان مركز پرواز هاي فضايي گادرد ناسا در گزارشي اعلام كردند كه شبيه سازي هاي سه بعدي ابر رايانه ها نشان مي دهد در جريان فرايند ادغام ، امواج به سوي بيرون حركت مي كنند . آنها معادلات انيشتين را به زبان رايانه ترجمه كردند . شبيه سازي مشخص كرد كه اگر سياهچاله هاي ابر پر جرم در هر كهكشان در فاصله چند ميليارد سال نوري از زمين با هم ادغام شوند ، آشكارسازهاي امواج گرانشي بايد به دنبال چه نشانه‌هايي بگردند . چندين شبيه سازي انجام شده و حالا دانشمندان مطمئن اند كه شبيه سازي‌ها بيشترين شباهت را با واقعيت دارند . آنها دريافتند كه 4 درصد جرم سياهچاله ها به امواج گرانشي تبديل مي شود . بسامد و شدت امواج با نزديكتر شدن سياهچاله ها به هم افزايش مي يابد .
هر موجود ميكروسكوپي در فاصله چند واحد نجومي از اين رخداد به سبب امواج گرانشي تكه تكه خواهد شد . اما زماني كه اين امواج ميليون‌ها يا ميليارد‌ها سال نوري سفر كنند و به زمين برسند ، اثر كشيده شدن يا فشرده شدن حاصل از عبور موج گرانشي بر موجودات زمين بسيار كمتر از اندازه هسته يك اتم است . به سبب بسامد كم و ضعيف بودن اين امواج ، دانشمندان براي آشكار ساختن آنها به آرايه‌اي از فضاپيماها نياز دارند . ناسا و اسا در حال تدارك اين ماموريت اند ؛ آنتن فضايي تداخل سنجي ليزري (ليزا) . البته ليزا هم يكي از ماموريتهاي ناسا در فهرست ابهام است زيرا كاهش بودجه ناسا بسياري از ماموريتهاي آينده را لغو كرده است .
منبع : مجله نجوم 160 ــ شماره دهم تيرماه 1385
http://www.nojum.ir "
" آشكار سازهايي كه امروزه براي جستجوي امواج گرانشي به كار مي روند ، گرچه تلسكوپ امواج گرانشي نيز نام دارند اما در عمل هيچ شباهتي به تلسكوپ نوري ندارند .
اساس كار اين آشكار سازها ، پديده‌اي به نام تداخل سنج است . در اين روش دو باريكه هم فاز نور در دو مسير عمود بر هم حركت مي كنند ، در انتهاي مسيرها بازتابنده‌اي قرار دارد كه نور را به مبداء باز مي تاباند .
دو باريكه نور وارد يك تلسكوپ مي شوند و يك طرح تداخلي مي سازند . در آنجا ميتوان فهميد كه در طول مسير آيا اتفاقي براي يكي از پرتوها روي داده است يا خير ؟
اگر پديده‌اي باعث تغيير يكي از باريكه‌ها شود آنگاه دو پرتو با هم اختلاف فاز پيدا مي كنند و وقتي با يكديگر تركيب شوند طرح تداخلي آنها تغيير خواهد كرد و ديگر همان شكل قبلي را نخواهد داشت . با مشاهده اين تغيير مي توان فهميد كه چه اتفاقي افتاده است . اگر اين پديده موج گرانشي باشد ، موج گرانشي در راستاي عمود بر انتشار خود ، فضا - زمان را دچار تغيير خواهد كرد .
به عبارتي مسير نور در اثر عبور موج گرانشي تغيير مي كند . فرض كنيم در راستاي يكي از بازوها عبور مي كند ، طبق خاصيت موج گرانشي ، طول بازو براي مسير نور تغيير مي كند . درست مثل وقتي كه نور در هوا وارد آب يا شيشه مي شود و سرعت آن تغيير مي كند . بنابراين نور در مدت زمان متفاوتي اين مسير را طي مي كند و به همين دليل نسبت به حالات قبل اختلاف فاز پيدا مي كند . اختلاف فاز اين پرتو موجب مي شود كه ديگر پرتوها يكديگر را خنثي نكنند و در نتيجه يك جرقه را لحظه‌اي با شكل خاص مشاهده مي كنيم . پس مشاهده يك درخش نمايانگر عبور موج گرانشي است اما ممكن است عوامل ديگري مثل زمين لرزه باعث ايجاد چنين تغييراتي شود . به همين خاطر در مجاورت يكي از آشكارسازها ، آشكارساز كوچكتري با همين خصوصيات ولي با طول بازوي 2 كيلومتر ساخته مي شود . اگر موج گرانشي عبور كند ، اثر آن بر آشكارساز كوچك ، نصف آشكارساز بزرگ است . از جمله آشكار سازهاي روي زمين آشكار ساز ليگو است .
ليگو با وجود آنكه در حال حاضر بزرگترين آشكار ساز امواج گرانشي روي زمين است ولي مشكلات و محدوديت‌هاي بزرگ نيز دارد كه مهمترين آنها حساسيت نسبتاً پايين به امواج گرانشي است . ليگو مي تواند منظومه دوتايي ستاره‌هاي نوتروني را تنها در چند صدم ثانيه‌اي كه اين دو با هم برخورد مي كنند آشكار كند . در چنين لحظه‌اي امواج گرانشي در حوالي منظومه بسيار قوي است .
يك راه ديگر براي آگاهي از امواج گرانشي و آنچه در پيرامون ما در فضا اتفاق مي افتد شبيه سازي رايانه‌اي است . در اين كار وضعيت فيزيكي خاصي را در نظر مي گيرند و با كمك معادلات توصيف كننده آن وضعيت ، رفتار بعدي آن را شبيه سازي مي كنند ، هر چند كه معادلات رياضي بسيار پيچيده‌اي دارند . بررسي امواج اجرام مختلف به ما كمك مي كند تا اطلاعات بيشتري در مورد ساختار آنها كسب كنيم . با مشاهده انفجار يك ابر نو اختر مي توان سرعت امواج الكترومغناطيس و سرعت موج گرانشي را مقايسه كرد . دريافت موج گرانشي از يك ستاره نوتروني مي تواند اطلاعات دقيق تري در مورد شعاع و جرم آنها به ما دهد .
طرحي به نام ليزا Lisa در دست است كه از سه ماهواره تشكيل شده در فضا به شكل يك مثلث متساوي‌الاضلاع با طول هر ضلع 5 كيلومتر قرار دارد . ماهواره‌هاي ليزا در فاصله 50 ميليون كيلومتري زمين به دور خورشيد قرار خواهند گرفت . يكي از ماهواره‌ها ، هم به صورت منبع تابنده ليزر و هم به صورت دريافت كننده پرتوهاي بازتابنده عمل مي كند و دو ماهواره ديگر در نقش بازتابنده ( از قطعات مكعبي شكل ساخته شده است ) استفاده مي كنند كه آزادانه در فضاي درون ماهواره حركت مي كند ................
http://hamidoroud.blogfa.com/post-38.aspx "
2- اگر سرعت امواج گرانشي برابر سرعت نور باشد ؛ اين امواج نمي‌توانند از افق رويداد يا شعاع شوارتس شيلد اجرام نوتروني فرار و به طرف پيرامون منتشر و حتي آشكار شوند ، براي اينكه طبق نظريات جديد ، ميدان گرانش هر جسمي تشكيل شده است از امواج گرانشي خود آن جسم كه مربوط به ذرات زير كوانتومي فرضي به نام گراويتون ميشود و علت آن اين است كه اتم‌ها ساكن نبوده بلكه با نوسانات زيادي در حال جنبش هستند كه مسلما امواج گرانشي توليد خواهند كرد ، يعني چيزي شبيه امواج الكترومغناطيسي پيرامون اجسام باردار يا مواد باريوني كه مربوط به ذراتي به نام فوتون ميشود . در صورت درست بودن نظريات فعلي هيچ ميدان گرانشي نميتواند پيرامون سياهچاله ها پديدار شود و اين در حالي است كه ميدان گرانش قوي پيرامون اجرام نوتروني شناسايي شده است . و بايد گفت كه اين امواج گرانشي در برهمكنش سياهچاله ها با يكديگر در يك سيستم ( منظومه ) دوتايي شناسايي و رديابي شده و جالب است كه اين پديده شناخته شده يكي از شواهد اثبات نظريه نسبيت تلقي ميشود . اگر طبق نظريات مكانيك كوانتومي ذره زير كوانتومي وجود داشته باشد و آن حامل نيروي گرانش باشد ، سرعت اين ذرات ميبايست به مراتب بيشتر از سرعت نور يا فوتونها باشد تا بتوانند خارج از افق روي داد يك سياه چاله گسترش و انتشار يابند .
امروزه سرنخ‌هايي از اين سرعت‌هاي بسيار بالا بدست آمده است :
" سرعت نور شكسته شد
محققان دانشگاهي در سوئيس سيگنالي را رديابي كردند كه سرعتي بالاتر از سرعت نور دارد . به گزارش خبرگزاري مهر ، محققان دانشگاه ژنو در سوئيس موفق به كشف سيگنالي شدند كه سرعت حركت آن از سرعت نور بيشتر است . در دنياي خارق‌العاده كوانتوم و مكانيك كوانتومي ، پديده‌اي به نام درگيري ذرات با يكديگر وجود دارد به اين معني كه اگر دو ذره كه به شدت با هم در ارتباطند را از يكديگر جدا كرده و در فاصله طولاني از هم نگه داريم ، علي رغم فاصله‌اي كه بين آنها وجود دارد ، در صورت بروز تغيير در يكي از ذره‌ها ديگري نيز دچار تغيير خواهد شد . اين پديده توسط دكتر دانيل سالارت و همكارانش در دانشگاه ژنو مورد بررسي قرار گرفت . وي دو فوتون نور مرتبط و درگير به هم را در آزمايشگاه به فاصله 18 كيلومتر از يكديگر دور كرد و با بررسي خصوصيات هر يك از آنها دريافت كه با تغيير در هر كدام ديگري نيز متحول مي شود . وي اين آزمايش را بر روي جفتهاي زيادي از فوتونها انجام داد كه نتايج به دست آمده مشابه نتيجه اوليه بود . با مشاهده اين نتايج محققان به اين نتيجه رسيدند كه بين اين دو ذره سيگنالي در حال حركت است كه خصوصيات يكي را به ديگري منتقل مي كند . بر اساس گزارش NewScientist، محققان بر اين باورند كه اين سيگنال بايد سرعتي 10000 بار بيشتر از سرعت نور داشته باشد تا بتواند خصوصيت يك فوتون را به ديگري منتقل كند .
نظريه ديگري كه اين تيم ارائه داد مبني بر اين است كه سنجش خصوصيات يك فوتون به سرعت بر روي فوتونهاي ديگر نيز تاثير مي گذارد .
http://www.mehrnews.ir/NewsPrint.aspx?NewsID=732981 "
البته لازم به ذكر است كه سرعت محاسبه شده جديد ميبايست 15707 برابر سرعت نور باشد زيرا همانطور كه ميدانيم محيط دايره تقريبا 3.14 برابر قطر آن است و چون امواج الكترومغناطيسي به صورت كره در فضا گسترش مي‌يابند اين ارتباط مابين دو فوتون ميبايست از طريق محيط دايره‌اي شكل برقرار شود و نه از طرق قطر دايره يا همان خط مستقيم :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/6.gif
در رسم فوق مارپيچ طلايي دوران ميدان الكتريكي موج الكترومغناطيس ، A منبع موج الكترومغناطيس ، B و C مكان حضور دو فوتون با فاصله 18 كيلومتر و منحني يا كمان ADC برابر 28.27 كيلومتر ميباشد كه انتقال اطلاعات ميبايست از اين طريق انجام شود كه سرعت ميبايست 1.57 برابر بيشتر شود .
اگر سرعت برقراري ( تشكيل ) و يا انفصال ميادين گرانشي و همچنين انتشار امواج گرانشي معادل و برابر سرعت نور باشد ، اين ميادين و امواج در پيرامون يك سياه چاله تقريبا به شكل زير خواهد بود :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/2.gif
دايره قرمز رنگ شعاع شوارتس شيلد و منحني‌هاي مشكي رنگ بيانگر انحناي فضا - زمان نظريه نسبيت يعني مسير برگشت امواج الكترومغناطيسي و گرانشي به طرف داخل را نشان مي‌دهد كه در كل وضعيت ناهنجاري را براي يك جرم نوتروني به ارمغان خواهد داشت . در اين وضعيت ناهنجار تمام نيروهاي گرانشي يا انرژي امواج گرانشي و ... در مركز جرم نوتروني متمركز ميشوند كه در اين صورت ، اجرام نوتروني خيلي زود ميبايست منفجر شوند كه در واقع چنين نيستند ! انفجار آنها تابع شرايط خاص خود است كه در روز قيامت به وقوع خواهد پيوست ! در حقيقت سرعت برقراري ( تشكيل ) و يا انفصال ميادين گرانشي و همچنين انتشار امواج گرانشي خيلي بيشتر از سرعت نور ( امواج الكترومغناطيس ) است ، اين ميادين يا امواج گرانشي و بهتر است بگوييم كه دوران ميادين گرانشي پيرامون يك جرم نوتروني به شكل زير خواهد بود :
http://www.ki2100.com/images/physics/rotation-of-gravity-fields/1.gif
يعني همان اسپيرال لگاريتمي معروف ( مارپيچ طلايي فيبوناچي ) !
توضيحات بيشتر در مورد شكل اول اينچنين است كه طبق نظريه نسبيت ، گرانش تغيير شكل هندسي فضاي پيرامون جرم يا جسم و يا همان انحناي فضا - زمان است و چون مسير حركت نور تابعي از همبافته فضا - زمان است ، پس نور در هنگام گذر از پيرامون اجرام خميده ميشود و مسير مستقيم پرتو نور به منحني تبديل ميشود . حال پرتو نوري را فرض كنيد كه با سرعت اوليه سعي دارد از ميدان گرانش يك سياه چاله فرار كند ، سرعت اين پرتو نور در جوار شعاع شوارتس شيلد صفر شده و مجبور است به طرف مركز سياه چاله سقوط كند ولي امواج گرانشي چنين نيستند ، سرعت آنها خيلي بيشتر از سرعت نور است و توان فرار را دارند منتها در هنگام فرار تاب خورده و تحت تاثير گرانش در هم تنيده ميشوند و همانند يك اسپيرال لگاريتمي منتشر خواهند شد . پس هرچه قدر جرم و يا سرعت زاويه‌اي سياهچاله بيشتر شود فركانس و يا بسامد امواج گرانشي افزايش خواهد يافت و برعكس . پس در آينده ميتوان با شناسايي امواج راديويي و گرانشي اجرام نوتروني به اطلاعات مفيدي دست يافت كه اشاره به خصوصيات فيزيكي جرم نوتروني خواهد داشت .
حد جرم نوتروني براي گريز امواج گرانشي :
اينك ما ميتوانيم متريك گرانشي اطراف يك سياه چاله را محاسبه و بدست آوريم . براي اين منظور ميبايست سرعت فرار را برابر سرعت نور بتوان 2 در نظر بگيريم براي اينكه در مبحث قيامت در پيش است ( انقلاب دوم ستارگان نوتروني ) عنوان شد كه :
سرعت انتشار تك موج گرانشي :
به نام خداوندِ رحم كنندهِ ( بخشنده ، گذشت كننده ) مهربان ( با شفقت ، با عاطفه )
سوال كرد سوال كننده به عذابي واقع شدني ( روي دادني ) 1
[بداند] براي كافران [است كه] نيست برايش دفع كننده‌اي 2
از [جانب] خداوند داراي بالابرها ( بالا برنده‌ها ) 3
بالا ميرود ملائكه و روح به سويش در روزي [كه] باشد مقدارش پنجاه هزار سالي 4
............... سوره معارج
ما همواره بايد بدانيم كه سرعت حركت موج به دو عامل كلي بستگي دارد 1 - محيط انتشار موج 2 - جنس و ماهيت خود موج . نور از جنش امواج الكترومغناطيس است ولي گرانش از نوع موج گرانشي ، اگر ما فضا را براي هر دو موج يكسان در نظر بگيريم ، آيا ماهيت اين دو موج يكي است ؟ هر چند كه مبدا و منشا واحدي داشته باشند ! متاسفانه بشر فعلا توانايي توليد امواج گرانشي را ندارد كه سرعت آن را اندازه گيري كند ولي به احتمال زياد سرعت امواج گرانشي خيلي خيلي ..... بيشتر از سرعت نور است ، اين موج در عرض 50 هزار سال قمري فاصله 13 ميليارد سال نوري را طي ميكند ، يعني سرعتي نزديك به 270 هزار برابر سرعت نور و البته اين به فركانس موج گرانشي نيز مربوط ميشود . اگر ابعاد كيهان 14.547.900.000 سال نوري باشد اين موج در عرض 48.493 سال شمسي آن را مي‌پيمايد و همه چيز مقابل خود را منهدم ميكند ، پس ميتوان با اين شرايط سرعت آن را 300.000 برابر سرعت نور تخمين زد يعني سرعت تك موج گرانشي برابر سرعت امواج الكترومغناطيسي به توان دو است ، يعني سرعت موج گرانشي برابر C² ميباشد . براي اين محاسبه از فرمول كلاسيك سرعت فرار استفاده مي‌كنيم :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/3.gif
R متريك گرانشي اطراف يك سياه چاله و M جرم آن ميباشد . اينك با دانستن فرمول حجم كره و جرم حجمي نوترون متراكم ، ميتوانيم حد جرم سياه چاله و متريك گرانشي آن را محاسبه كنيم . براي اين منظور از دستگاه معادلات ( دو معادله دو مجهول ) استفاده مي‌كنيم .
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/4.gif
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/5.gif
اين اعداد به چه معني است ؟
اگر حد جرم نوتروني ( سياه چاله ) بدست آمده را تقسيم بر جرم خورشيد ( 30^10*1.99 ) كنيم ، عدد 26^10*1.16 بدست مي‌آيد . طبق رصدهاي انجام شده چنين برآورد ميشود كه در كيهان تقريبا 100 ميليارد كهكشان وجود دارد و به طور متوسط هر كدام حاوي 100 ميليارد ستاره است . يعني كيهان حاوي 22^10 ستاره است كه اگر تمام اينها به علاوه ساير اجرام سماوي و مواد باريوني ، تشكيل جرم نوتروني ( سياه چاله‌اي ) را دهند كه مسلما شعاع آن كمتر از متريك گرانشي بدست آمده خواهد بود ، و هرگز نميتواند جلوي فرار و انتشار امواج پرقدرت و پر نفوذ گرانشي را بگيرد ، يعني هيچ مانعي جلودار امواج و ميادين گرانشي نخواهد بود .
نسبيت عام و سياه چاله ها :
يكي از نخستين حل‌هاي معادله ميدان انيشتين را فيزيكدان منجمي به نام كارل شوارتس شيلد به دست آورد . شوارتس شيلد متريك اطراف يك كره ، مثلا اطراف يك ستاره را بدست آورد . اين متريك كه امروزه متريك شوارتس شيلد نام دارد ، خاصيت بسيار عجيبي دارد ، اگر شعاع ستاره از حدي كوچكتر شود ، ديگر حتي نور هم نميتواند از آن بگريزد . در اين حالت ستاره به شيء عجيبي تبديل ميشود كه سياه چاله نام دارد . درك فيزيك سياه چاله ها يكي از چالش‌هايي است كه فيزيكدانان بيش از نيم قرن است با آن دست و پنجه نرم مي‌كنند . امروزه تقريبا اكثر فيزيكدانان فعال اعتقاد دارند كه در دنيا ، از جمله در مركز كهكشان راه شيري سياه چاله وجود دارد .
تاريخچه سياه چاله ها :
پس از آنكه مكانيك نيوتني تحت عنوان مكانيك آسماني در شناخت جهان مورد استفاده قرار گرفت ، يكي از موارد مورد توجه سياه چاله ها بود . نخستين بار در سال 1784 جان ميشل طي يك مقاله سرعت فرار را با اطلاعات آن روز محاسبه كرد و اظهار داشت كه اگر گرانش چنان قوي باشد كه سرعت فرار در آنجا بيش از سرعت نور باشد ؛ نور نميتواند از آنجا بگريزد . البته در آن زمان به طور تقريبي سرعت نور را مي‌دانستند ولي حد سرعت ، سرعت نور نبود . زيرا در مكانيك نيوتني سرعت نامتناهي قابل قبول بود . در سال 1796 لاپلاس همان نظريه جان ميشل را دوباره مطرح كرد . در اواخر قرن نوزدهم سرعت نور كاملا معلوم و اندازه گيري شده بود . در سال 1915 انيشتين نظريه نسبيت عام را مطرح كرد و نشان داد كه گرانش روي نور اثر دارد . چند ماه بعد كارل شوارتس شيلد با حل معادله ميدان انيشتين براي يك جرم نقطه‌اي ، اظهار داشت كه از ديدگاه نظري ، سياه چاله ها وجود دارند . شعاعي كه نور نميتواند از آنجا خارج شود به نام شعاع شوارتس شيلد شناخته ميشود . چند ماه بعد از شوارتس شيلد ، يكي از دانشجويان لورنتس به نام ژوهانس دروست ، به همان نتايج شوارتس شيلد رسيد .
در 1920 چاندرازخار كه از شاگردان ادينگتون بود ، نشان داد كه اگر سرعت فرار بخواهد بيش از سرعت نور باشد ، جرم جسم بايد حداقل 1.44 برابر جرم خورشيد باشد . اين عدد امروزه به عنوان حد چاندرازخار شناخته ميشود . ادينگتون با دست آورد وي مخالف كرد و آن را نادرست خواند . در 1939 اپنهايمر به اتفاق شاگرد خود اسنايدر پيش بيني كردند كه يك ستاره پر جرم در اثر گرانش فرو مي‌ريزد و به سياه چاله تبديل ميشود . هم زمان با آغاز جنگ جهاني دوم ، مسئله سياه چاله ها به فراموشي سپرده شد . در دهه 1960 دوباره نظريه سياه چاله ها و راه حل شوارتس شيلد و فروپاشي گرانشي مورد توجه فيزيكدانان قرار گرفت .
شعاع شوارتس شيلد :
شعاع شوارتس شيلد را ميتوان با استفاده از رابطه سرعت فرار بدست آورد . توضيحات كاملي در مورد سرعت فرار در مبحث نظريه انفجار بزرگ محال است ارايه شده و روابط آن از قرار زير است :
اگر انرژي پتانسيل گرانشي يك دستگاه شامل دو جسم در فاصله بي نهايت را برابر صفر در نظر بگيريم به راحتي مي توان اثبات كرد كه :
http://www.ki2100.com/images/physics/big-bang/2.gif
كه در اين رابطه U انرژي پتانسيل ، M جرم زمين ، m جرم گلوله ، G ثابت جهاني گرانش و r فاصله مركز زمين تا مركز گلوله است . با توجه به مطالب گفته شده در بالا مي توان گفت كه :
http://www.ki2100.com/images/physics/big-bang/3.gif
K انرژي جنبشي و Vesc سرعت فرار گلوله ميباشد .
براي آنكه نور نتواند از سطح يك جسم بگريزد ، بايد در رابطه فوق سرعت فرار در آنجا برابر سرعت نور شود . چنين جسمي كه مانع فرار نور ميشود ، قابل رويت نيست و آن را سياه چاله مي‌نامند . شوارتس شيلد با استفاده از نسبيت عام ، شعاع يك سياه چاله را محاسبه كرد و به صورت زير ارايه داد :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/1.gif
كه در آن r شعاع شوارتس شيلد و c سرعت نور ميباشد . سياه چاله ها مثل گرداب عمل مي‌كنند . هر جرم يا انرژي كه به يك سياه چاله نزديك شود ، در داخل فاصله معيني كه افق رويداد آن خوانده ميشود ، به طور مقاومت ناپذيري به درون سياه چاله كشيده ميشود . سياه چاله ماده را به سمت خود مي‌كشد و منقبض ميكند ، تا آنكه ماده به كلي تجزيه و جز پيكره سياه چاله شود .
نوري كه از اطراف يك سياه چاله عبور ميكند ، اگر به افق رويداد نرسد ، روي مسيري منحني شكل از كنار آن مي‌گذرد . اگر به افق رويداد برسد ، در سياه چاله سقوط ميكند و سياه چاله را سياه و بنابراين نامريي ميكند .
موج يا امواج گرانشي :
گرانش يكي از چهار نيروي اساسي طبيعت فرض ميشود كه ماهيت عمل آن نظير ساير نيروهاست ، با اين تفاوت كه بسيار ضعيف تر از آنهاست . نخستين نيرويي كه به طور جدي مورد توجه قرار گرفت گرانش است . طبق قانون جهاني گرانش كه نيوتن كاشف آن است ، هرگاه دو جسم در فاصله‌اي از يكديگر قرار گيرند ، نيرويي بر هم وارد مي‌كنند كه با حاصل ضرب جرم دو جسم متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد . اين نيرو خاصيت ذاتي ماده است و تجربه نشان داده مستقل از خواص فيزيكي ، شيميايي و محيطي همواره اعمال مي‌گردد . برد اين نيرو بينهايت است . بسياري از فيزيكدانان از جمله فارادي و پلانك اعتقاد داشتند كه نيروهاي گرانشي و الكترومغناطيسي تشابه بسيار زيادي به يكديگر دارند و احتمالاً رابطه مشابهي نظير آنچه كه بين نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي وجود دارد ، بين گرانش و نيروي الكترومغناطيسي نيز وجود دارد . آلبرت انيشتين نيز تلاش بسيار كرد كه اين دو نيرو را در يك نيروي اوليه خلاصه كند ، اما موفق نشد . البته در زمان انيشتين نيروهاي مهم و مطرح همين دو نيروي گرانشي و الكترومغناطيسي بود .
نظريه نسبيت عام كه گرانش را به منزله انحناي فضا - زمان چهار بعدي مطرح مي كند ، انواعي از پديده‌هاي غير عادي را پيش بيني مي كند . بنابر نسبيت عام هر جسمي كه جرم داشته باشد موجب مي‌گردد كه فضاي اطراف آن خميده شود . هر زمان كه اين جسم حركت كند ، اين انحنا با صورت بندي جديد ماده ، متناسب مي گردد . اين تنظيم فضا - زمان با وضعيت متغير مكاني ماده موجب مي شود كه امواج گرانشي با سرعت نور در فضا منتشر شود . در نتيجه هر جسم متحركي از خود تشعشعات گرانشي منتشر مي كند .
امواج گرانشي نسبت به ساير نيروها فوق‌العاده ضعيف است . براي مشاهده ضعيف بودن امواج گرانشي نسبت به امواج الكترومغناطيسي كافيست قانون گرانش و قانون كولن را براي دو الكترون بكار بريد . خواهيد ديد كه امواج الكترومغناطيسي تقريباً ده بتوان چهل مرتبه از امواج گرانشي قوي تر است .
وقتي امواج الكترومغناطيسي به ماده برخورد مي كنند ، فقط ذرات باردار را تكان مي دهند . ولي امواج گرانشي موجب ميشوند كه تمام ذرات ماده تحت تاثير قرار گيرند . همچنين به دليل آنكه امواج الكترومغناطيسي بسيار قوي تر از امواج گرانشي است ( تقريباً ده بتوان چهل بار ) هنگام عبور امواج به همين نسبت نيز ذراتي كه در مسير آنها هستند تحت تاثير قرار مي گيرند .
در دهه 1960 ژوزف وبر از دانشگاه مريلند ترتيبي داد تا امواج گرانشي را آشكار سازد . آنتني كه وبر براي آشكار ساختن امواج گرانشي ساخت استوانه‌اي آلومينيمي بود به قطر 60 سانتيمتر و طول 1.5 متر كه وزن آن بيش از يك تن بود . اين استوانه توسط سيمي كه در وسط آن به دور استوانه پيچيده شده بود در يك محفظه خلا به طور معلق قرار داشت . همچنين اين محفظه به وسيله سيستمي از كمك فنرها از جهان خارج جدا شده بود . وقتي يك موج گرانشي از درون استوانه عبور ميكرد فشارهايي به وجود مي آورد . وبر براي آشكار كردن نوسانات حاصل ، تعدادي كريستال پيزوالكتريك بر روي سطح استوانه نصب كرد . اين كريستالها نوسانات را به جريان‌هاي الكتريكي ضعيفي مبدل مي كنند . سپس اين جريان‌ها تقويت و ثبت مي شوند . يك چنين استوانه آلومينيمي به دليل وجود تاثيرات گرمايي همواره در حال نوسان خواهد بود . براي غلبه بر اين مشكل صافيهايي الكترونيكي در سيستم نصب شده تا تمام نوسانات را به استثناي بزرگترين آنها حذف كند . علاوه بر اين وبر دو عدد از اين آنتن‌ها را يكي در دانشگاه مريلند در نزديكي واشنگتن و ديگري را در آزمايشگاه ملي ارگون خارج از شيكاگو نصب كرد . اين دو آنتن بوسيله خطوط تلفن به نحوي به هم وصل بودند كه نوسانات بزرگ آني كه در هر دو ايستگاه رخ مي داد ، به سرعت ثبت مي كردند . در سال 1969 وبر با اعلام اين خبر كه امواج گرانشي را به طور موفقيت آميزي آشكار كرده فيزيكدانان را متحير كرد . هر روزه حداقل يك نوسان بزرگ ثبت مي شد و نشان مي داد كه يك موج گرانشي به زمين برخورد مي كند . با اين وجود بسياري از دانشمندان نسبت به درستي نتايج آزمايش وبر مشكوك هستند . هرچند كه هيچ كس نتوانسته نشان دهد كه كدام قسمت از نتايج آزمايش وبر نادرست است .
نحوه عملكرد امواج گرانشي بر ذرات باردار و بدون بار چنين بنظر ميرسد : زمانيكه يك موج گرانشي از يك جسم عبور ميكند ، ممكن است جهت نوسان ذرات عمود بر جهت انتشار موج گرانشي باشد ، ولي در اين حالت ذرات نسبت به يكديگر حركت نسبي دارند و ذرات بطور يكسان و يكپارچه و باهم ارتعاش نمي كنند . بطور مثال اگر امواج گرانشي از يك لوله استوانه‌اي عبور كنند و ما سطح مقطع دايره‌اي آنرا ناظر باشيم ، مشاهده خواهيم كرد كه ذرات سمت چپ و راست از مركز دايره دور ميشوند و در همان لحظه ذرات بالا و پائين به مركز دايره نزديك ميشوند و لحظه‌اي بعد ، اين وضعيت بر عكس ميشود . نمونه كيهاني اين تحولات گرانشي ، لحظه انفجار ستارگان بسيار عظيم است كه جرمشان هزاران مرتبه از خورشيد ما بزرگتر است و امواج گرانشي حاصل از انفجار ، بهنگام عبور از منظومه شمسي ، موجب نوسان ماه و زمين به عقب و جلو ميشوند .
اشكالات امواج گرانشي در نسبيت عام :
1- همچنانكه مي دانيم در نسبيت عام ، گرانش اثر هندسي ماده بر فضاي اطرافش ميباشد و آنرا انحناي فضا - زمان مي نامند كه كميتي پيوسته است . با حركت جسم ميزان انحناي فضا - زمان نيز تغيير مي كند . اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كميتي پيوسته است آنگاه با مكانيك كوانتوم ناسازگار خواهد بود . يعني از چهار نيروي اساسي سه تاي آنها كوانتومي و يكي پيوسته است . اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كوانتومي است كه در اين صورت فضا - زمان با امواج گرانشي كه نسبيت خود باني است ناسازگار خواهد بود .
" اخترشناسان به تازگي از پيشرفت‌هاي رصدي و نظري درباره فاجعه بارترين واقعه در عالم ، پس از مهبانگ ، خبر دادند يعني :
ادغام سياهچاله هاي ابر پر جرم . اين برخوردهاي عظيم بايد در مدت كوتاهي ، 23^10 برابر خورشيد انرژي آزاد كنند ، كه همه اين انرژي به شكل امواج نامريي گرانشي است ؛ امواجي در انحناي فضا ـ زمان كه در نسبيت عام انيشتين هم پيش بيني شده ، اما هنوز بطور قطع شناخته نشده‌اند .
اخترشناسان سالهاست كه ميدانند ابر سياهچاله ها ، با جرمي معادل چند ميليون تا چند ميليارد برابر جرم خورشيد ، در مركز كهكشانهاي بزرگ مخفي شده‌اند . اين هيولاها به تحول كهكشانها نظم مي بخشند . وقتي دو كهكشان با هم ادغام مي شوند ، سياهچاله هاي ابر پر جرم بايد در عرض چند صد ميليون سال در مداري به گرد هم قفل شوند .
اين جفت چرخان به دور هم ، ستاره هاي نزديك را پراكنده مي كنند . به اين فرآيند كه آنها را نزديكتر به هم مي كشاند ، اصطكاك ديناميكي مي گويند . اگر اين دو به فاصله يك هزارم سال نوري از هم برسند آنچنان با حركت خود ساختار فضا ـ زمان را در هم مي پيچند كه با گسيل امواج گرانشي و از دست رفتن انرژي ، مطابق اصل بقاي تكانه انرژي ، امواج گرانشي قدرتمندي را ساطع مي كنند . مدارهايشان جمع تر مي شود و سرانجام آنقدر به دور هم مي گردند تا تبديل به يك سياهچاله شوند . اما چنين رخدادي چقدر معمول است ؟
اخترشناسان ، براي يافتن پاسخ اين پرسش ، بايد سياهچاله هاي دوتايي با جدايي كم را پيدا كنند . اخترشناسان دانشگاه نيومكزيكو در گزارش اخير خود خبر كشف احتمالي به هم چسبيده ترين جفت سياهچاله ها را اعلام كردند . اين دو سياهچاله ، دو منبع راديويي درخشان در نزديكي مركز كهكشان 0402+379 در صورت فلكي برساوش اند .
اخترشناسان با استفاده از آرايه با خط مبناي بسيار بلند (VLBA) ـ شبكه‌اي از 10 تلسكوپ راديويي كه در خطي به طول 8000 كيلومتر از هاوايي تا شرقي ترين جزاير دريايي كارايب گسترده‌اند ، جدايي زاويه‌اي اين زوج را فقط 6.9 ميلي ثانيه قوس بدست آوردند ، كه با توجه به فاصله 750 ميليون سال نوري اين جفت از ما ، فاصله آن دو از هم 24 سال نوري به دست مي‌آيد . اين عدد 100 بار كمتر از جدايي بين جفت سياهچاله هايي است كه پيش از اين كشف شده بود .
طيفهايي با تفكيك كم كه به كمك تلسكوپ هابي ـ ابرلي در تگزاس گرفته شده است كه گردش آنها به دور هم را نشان مي دهد و جرم مجموعشان را دست كم 150 ميليون برابر جرم خورشيد به دست مي دهد . احتمالا ً دوره گردش آنها به دور هم 150 هزار سال طول مي كشد تا آن دو در هم ادغام شوند .
ممكن است جدايي بين دو سياهچاله بيشتر از اين باشد ، اگر يكي از آنها بسيار جلوتر از ديگري ، نسبت به زمين باشد و از ديد ما كنار هم بنظر برسند ؛ كه البته احتمالش بسيار كم است . براساس بررسي هاي نظري وقتي كهكشانها ادغام مي شوند ، اصطكاك ديناميكي به سرعت دو سياهچاله را به هم نزديك مي كند تا فاصله شان به 30 سال نوري برسد . سپس مهاجرت بسوي هم كند مي شود ، پيش از اين كه برهمكنش با گاز ، دسته‌اي ستاره ، يا سياهچاله سومي سبب ادغام دو ابرسياهچاله شود .
فيزيكدانان همچنين مايل اند ردپاي امواج گرانشي را در انحناي فضا ـ زمان شناسايي كنند ؛ آثاري كه حاصل ادغام سياهچاله هاي غول پيكرند . مطابق نسبيت عام انيشتين انحناي فضا در اطراف جرم شكل مي گيرد و جرم زياد و بي اندازه چگال سياهچاله انحناي فوق‌العاده‌اي را در فضا ـ زمان ايجاد مي كند و با حركت دو سياهچاله به دور هم خميدگي فضا ـ زمان نيز جابجا مي شود و موجي از انحناي فضا ـ زمان را منتشر مي كند كه موج گرانشي نام دارد . اخترشناسان مركز پرواز هاي فضايي گادرد ناسا در گزارشي اعلام كردند كه شبيه سازي هاي سه بعدي ابر رايانه ها نشان مي دهد در جريان فرايند ادغام ، امواج به سوي بيرون حركت مي كنند . آنها معادلات انيشتين را به زبان رايانه ترجمه كردند . شبيه سازي مشخص كرد كه اگر سياهچاله هاي ابر پر جرم در هر كهكشان در فاصله چند ميليارد سال نوري از زمين با هم ادغام شوند ، آشكارسازهاي امواج گرانشي بايد به دنبال چه نشانه‌هايي بگردند . چندين شبيه سازي انجام شده و حالا دانشمندان مطمئن اند كه شبيه سازي‌ها بيشترين شباهت را با واقعيت دارند . آنها دريافتند كه 4 درصد جرم سياهچاله ها به امواج گرانشي تبديل مي شود . بسامد و شدت امواج با نزديكتر شدن سياهچاله ها به هم افزايش مي يابد .
هر موجود ميكروسكوپي در فاصله چند واحد نجومي از اين رخداد به سبب امواج گرانشي تكه تكه خواهد شد . اما زماني كه اين امواج ميليون‌ها يا ميليارد‌ها سال نوري سفر كنند و به زمين برسند ، اثر كشيده شدن يا فشرده شدن حاصل از عبور موج گرانشي بر موجودات زمين بسيار كمتر از اندازه هسته يك اتم است . به سبب بسامد كم و ضعيف بودن اين امواج ، دانشمندان براي آشكار ساختن آنها به آرايه‌اي از فضاپيماها نياز دارند . ناسا و اسا در حال تدارك اين ماموريت اند ؛ آنتن فضايي تداخل سنجي ليزري (ليزا) . البته ليزا هم يكي از ماموريتهاي ناسا در فهرست ابهام است زيرا كاهش بودجه ناسا بسياري از ماموريتهاي آينده را لغو كرده است .
منبع : مجله نجوم 160 ــ شماره دهم تيرماه 1385
http://www.nojum.ir "
" آشكار سازهايي كه امروزه براي جستجوي امواج گرانشي به كار مي روند ، گرچه تلسكوپ امواج گرانشي نيز نام دارند اما در عمل هيچ شباهتي به تلسكوپ نوري ندارند .
اساس كار اين آشكار سازها ، پديده‌اي به نام تداخل سنج است . در اين روش دو باريكه هم فاز نور در دو مسير عمود بر هم حركت مي كنند ، در انتهاي مسيرها بازتابنده‌اي قرار دارد كه نور را به مبداء باز مي تاباند .
دو باريكه نور وارد يك تلسكوپ مي شوند و يك طرح تداخلي مي سازند . در آنجا ميتوان فهميد كه در طول مسير آيا اتفاقي براي يكي از پرتوها روي داده است يا خير ؟
اگر پديده‌اي باعث تغيير يكي از باريكه‌ها شود آنگاه دو پرتو با هم اختلاف فاز پيدا مي كنند و وقتي با يكديگر تركيب شوند طرح تداخلي آنها تغيير خواهد كرد و ديگر همان شكل قبلي را نخواهد داشت . با مشاهده اين تغيير مي توان فهميد كه چه اتفاقي افتاده است . اگر اين پديده موج گرانشي باشد ، موج گرانشي در راستاي عمود بر انتشار خود ، فضا - زمان را دچار تغيير خواهد كرد .
به عبارتي مسير نور در اثر عبور موج گرانشي تغيير مي كند . فرض كنيم در راستاي يكي از بازوها عبور مي كند ، طبق خاصيت موج گرانشي ، طول بازو براي مسير نور تغيير مي كند . درست مثل وقتي كه نور در هوا وارد آب يا شيشه مي شود و سرعت آن تغيير مي كند . بنابراين نور در مدت زمان متفاوتي اين مسير را طي مي كند و به همين دليل نسبت به حالات قبل اختلاف فاز پيدا مي كند . اختلاف فاز اين پرتو موجب مي شود كه ديگر پرتوها يكديگر را خنثي نكنند و در نتيجه يك جرقه را لحظه‌اي با شكل خاص مشاهده مي كنيم . پس مشاهده يك درخش نمايانگر عبور موج گرانشي است اما ممكن است عوامل ديگري مثل زمين لرزه باعث ايجاد چنين تغييراتي شود . به همين خاطر در مجاورت يكي از آشكارسازها ، آشكارساز كوچكتري با همين خصوصيات ولي با طول بازوي 2 كيلومتر ساخته مي شود . اگر موج گرانشي عبور كند ، اثر آن بر آشكارساز كوچك ، نصف آشكارساز بزرگ است . از جمله آشكار سازهاي روي زمين آشكار ساز ليگو است .
ليگو با وجود آنكه در حال حاضر بزرگترين آشكار ساز امواج گرانشي روي زمين است ولي مشكلات و محدوديت‌هاي بزرگ نيز دارد كه مهمترين آنها حساسيت نسبتاً پايين به امواج گرانشي است . ليگو مي تواند منظومه دوتايي ستاره‌هاي نوتروني را تنها در چند صدم ثانيه‌اي كه اين دو با هم برخورد مي كنند آشكار كند . در چنين لحظه‌اي امواج گرانشي در حوالي منظومه بسيار قوي است .
يك راه ديگر براي آگاهي از امواج گرانشي و آنچه در پيرامون ما در فضا اتفاق مي افتد شبيه سازي رايانه‌اي است . در اين كار وضعيت فيزيكي خاصي را در نظر مي گيرند و با كمك معادلات توصيف كننده آن وضعيت ، رفتار بعدي آن را شبيه سازي مي كنند ، هر چند كه معادلات رياضي بسيار پيچيده‌اي دارند . بررسي امواج اجرام مختلف به ما كمك مي كند تا اطلاعات بيشتري در مورد ساختار آنها كسب كنيم . با مشاهده انفجار يك ابر نو اختر مي توان سرعت امواج الكترومغناطيس و سرعت موج گرانشي را مقايسه كرد . دريافت موج گرانشي از يك ستاره نوتروني مي تواند اطلاعات دقيق تري در مورد شعاع و جرم آنها به ما دهد .
طرحي به نام ليزا Lisa در دست است كه از سه ماهواره تشكيل شده در فضا به شكل يك مثلث متساوي‌الاضلاع با طول هر ضلع 5 كيلومتر قرار دارد . ماهواره‌هاي ليزا در فاصله 50 ميليون كيلومتري زمين به دور خورشيد قرار خواهند گرفت . يكي از ماهواره‌ها ، هم به صورت منبع تابنده ليزر و هم به صورت دريافت كننده پرتوهاي بازتابنده عمل مي كند و دو ماهواره ديگر در نقش بازتابنده ( از قطعات مكعبي شكل ساخته شده است ) استفاده مي كنند كه آزادانه در فضاي درون ماهواره حركت مي كند ................
http://hamidoroud.blogfa.com/post-38.aspx "
2- اگر سرعت امواج گرانشي برابر سرعت نور باشد ؛ اين امواج نمي‌توانند از افق رويداد يا شعاع شوارتس شيلد اجرام نوتروني فرار و به طرف پيرامون منتشر و حتي آشكار شوند ، براي اينكه طبق نظريات جديد ، ميدان گرانش هر جسمي تشكيل شده است از امواج گرانشي خود آن جسم كه مربوط به ذرات زير كوانتومي فرضي به نام گراويتون ميشود و علت آن اين است كه اتم‌ها ساكن نبوده بلكه با نوسانات زيادي در حال جنبش هستند كه مسلما امواج گرانشي توليد خواهند كرد ، يعني چيزي شبيه امواج الكترومغناطيسي پيرامون اجسام باردار يا مواد باريوني كه مربوط به ذراتي به نام فوتون ميشود . در صورت درست بودن نظريات فعلي هيچ ميدان گرانشي نميتواند پيرامون سياهچاله ها پديدار شود و اين در حالي است كه ميدان گرانش قوي پيرامون اجرام نوتروني شناسايي شده است . و بايد گفت كه اين امواج گرانشي در برهمكنش سياهچاله ها با يكديگر در يك سيستم ( منظومه ) دوتايي شناسايي و رديابي شده و جالب است كه اين پديده شناخته شده يكي از شواهد اثبات نظريه نسبيت تلقي ميشود . اگر طبق نظريات مكانيك كوانتومي ذره زير كوانتومي وجود داشته باشد و آن حامل نيروي گرانش باشد ، سرعت اين ذرات ميبايست به مراتب بيشتر از سرعت نور يا فوتونها باشد تا بتوانند خارج از افق روي داد يك سياه چاله گسترش و انتشار يابند .
امروزه سرنخ‌هايي از اين سرعت‌هاي بسيار بالا بدست آمده است :
" سرعت نور شكسته شد
محققان دانشگاهي در سوئيس سيگنالي را رديابي كردند كه سرعتي بالاتر از سرعت نور دارد . به گزارش خبرگزاري مهر ، محققان دانشگاه ژنو در سوئيس موفق به كشف سيگنالي شدند كه سرعت حركت آن از سرعت نور بيشتر است . در دنياي خارق‌العاده كوانتوم و مكانيك كوانتومي ، پديده‌اي به نام درگيري ذرات با يكديگر وجود دارد به اين معني كه اگر دو ذره كه به شدت با هم در ارتباطند را از يكديگر جدا كرده و در فاصله طولاني از هم نگه داريم ، علي رغم فاصله‌اي كه بين آنها وجود دارد ، در صورت بروز تغيير در يكي از ذره‌ها ديگري نيز دچار تغيير خواهد شد . اين پديده توسط دكتر دانيل سالارت و همكارانش در دانشگاه ژنو مورد بررسي قرار گرفت . وي دو فوتون نور مرتبط و درگير به هم را در آزمايشگاه به فاصله 18 كيلومتر از يكديگر دور كرد و با بررسي خصوصيات هر يك از آنها دريافت كه با تغيير در هر كدام ديگري نيز متحول مي شود . وي اين آزمايش را بر روي جفتهاي زيادي از فوتونها انجام داد كه نتايج به دست آمده مشابه نتيجه اوليه بود . با مشاهده اين نتايج محققان به اين نتيجه رسيدند كه بين اين دو ذره سيگنالي در حال حركت است كه خصوصيات يكي را به ديگري منتقل مي كند . بر اساس گزارش NewScientist، محققان بر اين باورند كه اين سيگنال بايد سرعتي 10000 بار بيشتر از سرعت نور داشته باشد تا بتواند خصوصيت يك فوتون را به ديگري منتقل كند .
نظريه ديگري كه اين تيم ارائه داد مبني بر اين است كه سنجش خصوصيات يك فوتون به سرعت بر روي فوتونهاي ديگر نيز تاثير مي گذارد .
http://www.mehrnews.ir/NewsPrint.aspx?NewsID=732981 "
البته لازم به ذكر است كه سرعت محاسبه شده جديد ميبايست 15707 برابر سرعت نور باشد زيرا همانطور كه ميدانيم محيط دايره تقريبا 3.14 برابر قطر آن است و چون امواج الكترومغناطيسي به صورت كره در فضا گسترش مي‌يابند اين ارتباط مابين دو فوتون ميبايست از طريق محيط دايره‌اي شكل برقرار شود و نه از طرق قطر دايره يا همان خط مستقيم :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/6.gif
در رسم فوق مارپيچ طلايي دوران ميدان الكتريكي موج الكترومغناطيس ، A منبع موج الكترومغناطيس ، B و C مكان حضور دو فوتون با فاصله 18 كيلومتر و منحني يا كمان ADC برابر 28.27 كيلومتر ميباشد كه انتقال اطلاعات ميبايست از اين طريق انجام شود كه سرعت ميبايست 1.57 برابر بيشتر شود .
اگر سرعت برقراري ( تشكيل ) و يا انفصال ميادين گرانشي و همچنين انتشار امواج گرانشي معادل و برابر سرعت نور باشد ، اين ميادين و امواج در پيرامون يك سياه چاله تقريبا به شكل زير خواهد بود :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/2.gif
دايره قرمز رنگ شعاع شوارتس شيلد و منحني‌هاي مشكي رنگ بيانگر انحناي فضا - زمان نظريه نسبيت يعني مسير برگشت امواج الكترومغناطيسي و گرانشي به طرف داخل را نشان مي‌دهد كه در كل وضعيت ناهنجاري را براي يك جرم نوتروني به ارمغان خواهد داشت . در اين وضعيت ناهنجار تمام نيروهاي گرانشي يا انرژي امواج گرانشي و ... در مركز جرم نوتروني متمركز ميشوند كه در اين صورت ، اجرام نوتروني خيلي زود ميبايست منفجر شوند كه در واقع چنين نيستند ! انفجار آنها تابع شرايط خاص خود است كه در روز قيامت به وقوع خواهد پيوست ! در حقيقت سرعت برقراري ( تشكيل ) و يا انفصال ميادين گرانشي و همچنين انتشار امواج گرانشي خيلي بيشتر از سرعت نور ( امواج الكترومغناطيس ) است ، اين ميادين يا امواج گرانشي و بهتر است بگوييم كه دوران ميادين گرانشي پيرامون يك جرم نوتروني به شكل زير خواهد بود :
http://www.ki2100.com/images/physics/rotation-of-gravity-fields/1.gif
يعني همان اسپيرال لگاريتمي معروف ( مارپيچ طلايي فيبوناچي ) !
توضيحات بيشتر در مورد شكل اول اينچنين است كه طبق نظريه نسبيت ، گرانش تغيير شكل هندسي فضاي پيرامون جرم يا جسم و يا همان انحناي فضا - زمان است و چون مسير حركت نور تابعي از همبافته فضا - زمان است ، پس نور در هنگام گذر از پيرامون اجرام خميده ميشود و مسير مستقيم پرتو نور به منحني تبديل ميشود . حال پرتو نوري را فرض كنيد كه با سرعت اوليه سعي دارد از ميدان گرانش يك سياه چاله فرار كند ، سرعت اين پرتو نور در جوار شعاع شوارتس شيلد صفر شده و مجبور است به طرف مركز سياه چاله سقوط كند ولي امواج گرانشي چنين نيستند ، سرعت آنها خيلي بيشتر از سرعت نور است و توان فرار را دارند منتها در هنگام فرار تاب خورده و تحت تاثير گرانش در هم تنيده ميشوند و همانند يك اسپيرال لگاريتمي منتشر خواهند شد . پس هرچه قدر جرم و يا سرعت زاويه‌اي سياهچاله بيشتر شود فركانس و يا بسامد امواج گرانشي افزايش خواهد يافت و برعكس . پس در آينده ميتوان با شناسايي امواج راديويي و گرانشي اجرام نوتروني به اطلاعات مفيدي دست يافت كه اشاره به خصوصيات فيزيكي جرم نوتروني خواهد داشت .
حد جرم نوتروني براي گريز امواج گرانشي :
اينك ما ميتوانيم متريك گرانشي اطراف يك سياه چاله را محاسبه و بدست آوريم . براي اين منظور ميبايست سرعت فرار را برابر سرعت نور بتوان 2 در نظر بگيريم براي اينكه در مبحث قيامت در پيش است ( انقلاب دوم ستارگان نوتروني ) عنوان شد كه :
سرعت انتشار تك موج گرانشي :
به نام خداوندِ رحم كنندهِ ( بخشنده ، گذشت كننده ) مهربان ( با شفقت ، با عاطفه )
سوال كرد سوال كننده به عذابي واقع شدني ( روي دادني ) 1
[بداند] براي كافران [است كه] نيست برايش دفع كننده‌اي 2
از [جانب] خداوند داراي بالابرها ( بالا برنده‌ها ) 3
بالا ميرود ملائكه و روح به سويش در روزي [كه] باشد مقدارش پنجاه هزار سالي 4
............... سوره معارج
ما همواره بايد بدانيم كه سرعت حركت موج به دو عامل كلي بستگي دارد 1 - محيط انتشار موج 2 - جنس و ماهيت خود موج . نور از جنش امواج الكترومغناطيس است ولي گرانش از نوع موج گرانشي ، اگر ما فضا را براي هر دو موج يكسان در نظر بگيريم ، آيا ماهيت اين دو موج يكي است ؟ هر چند كه مبدا و منشا واحدي داشته باشند ! متاسفانه بشر فعلا توانايي توليد امواج گرانشي را ندارد كه سرعت آن را اندازه گيري كند ولي به احتمال زياد سرعت امواج گرانشي خيلي خيلي ..... بيشتر از سرعت نور است ، اين موج در عرض 50 هزار سال قمري فاصله 13 ميليارد سال نوري را طي ميكند ، يعني سرعتي نزديك به 270 هزار برابر سرعت نور و البته اين به فركانس موج گرانشي نيز مربوط ميشود . اگر ابعاد كيهان 14.547.900.000 سال نوري باشد اين موج در عرض 48.493 سال شمسي آن را مي‌پيمايد و همه چيز مقابل خود را منهدم ميكند ، پس ميتوان با اين شرايط سرعت آن را 300.000 برابر سرعت نور تخمين زد يعني سرعت تك موج گرانشي برابر سرعت امواج الكترومغناطيسي به توان دو است ، يعني سرعت موج گرانشي برابر C² ميباشد . براي اين محاسبه از فرمول كلاسيك سرعت فرار استفاده مي‌كنيم :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/3.gif
R متريك گرانشي اطراف يك سياه چاله و M جرم آن ميباشد . اينك با دانستن فرمول حجم كره و جرم حجمي نوترون متراكم ، ميتوانيم حد جرم سياه چاله و متريك گرانشي آن را محاسبه كنيم . براي اين منظور از دستگاه معادلات ( دو معادله دو مجهول ) استفاده مي‌كنيم .
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/4.gif
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/5.gif
اين اعداد به چه معني است ؟
اگر حد جرم نوتروني ( سياه چاله ) بدست آمده را تقسيم بر جرم خورشيد ( 30^10*1.99 ) كنيم ، عدد 26^10*1.16 بدست مي‌آيد . طبق رصدهاي انجام شده چنين برآورد ميشود كه در كيهان تقريبا 100 ميليارد كهكشان وجود دارد و به طور متوسط هر كدام حاوي 100 ميليارد ستاره است . يعني كيهان حاوي 22^10 ستاره است كه اگر تمام اينها به علاوه ساير اجرام سماوي و مواد باريوني ، تشكيل جرم نوتروني ( سياه چاله‌اي ) را دهند كه مسلما شعاع آن كمتر از متريك گرانشي بدست آمده خواهد بود ، و هرگز نميتواند جلوي فرار و انتشار امواج پرقدرت و پر نفوذ گرانشي را بگيرد ، يعني هيچ مانعي جلودار امواج و ميادين گرانشي نخواهد بود .
محاسبه متريك گرانشي سياه چاله ( جرم نوتروني )
نسبيت عام و سياه چاله ها :
يكي از نخستين حل‌هاي معادله ميدان انيشتين را فيزيكدان منجمي به نام كارل شوارتس شيلد به دست آورد . شوارتس شيلد متريك اطراف يك كره ، مثلا اطراف يك ستاره را بدست آورد . اين متريك كه امروزه متريك شوارتس شيلد نام دارد ، خاصيت بسيار عجيبي دارد ، اگر شعاع ستاره از حدي كوچكتر شود ، ديگر حتي نور هم نميتواند از آن بگريزد . در اين حالت ستاره به شيء عجيبي تبديل ميشود كه سياه چاله نام دارد . درك فيزيك سياه چاله ها يكي از چالش‌هايي است كه فيزيكدانان بيش از نيم قرن است با آن دست و پنجه نرم مي‌كنند . امروزه تقريبا اكثر فيزيكدانان فعال اعتقاد دارند كه در دنيا ، از جمله در مركز كهكشان راه شيري سياه چاله وجود دارد .
تاريخچه سياه چاله ها :
پس از آنكه مكانيك نيوتني تحت عنوان مكانيك آسماني در شناخت جهان مورد استفاده قرار گرفت ، يكي از موارد مورد توجه سياه چاله ها بود . نخستين بار در سال 1784 جان ميشل طي يك مقاله سرعت فرار را با اطلاعات آن روز محاسبه كرد و اظهار داشت كه اگر گرانش چنان قوي باشد كه سرعت فرار در آنجا بيش از سرعت نور باشد ؛ نور نميتواند از آنجا بگريزد . البته در آن زمان به طور تقريبي سرعت نور را مي‌دانستند ولي حد سرعت ، سرعت نور نبود . زيرا در مكانيك نيوتني سرعت نامتناهي قابل قبول بود . در سال 1796 لاپلاس همان نظريه جان ميشل را دوباره مطرح كرد . در اواخر قرن نوزدهم سرعت نور كاملا معلوم و اندازه گيري شده بود . در سال 1915 انيشتين نظريه نسبيت عام را مطرح كرد و نشان داد كه گرانش روي نور اثر دارد . چند ماه بعد كارل شوارتس شيلد با حل معادله ميدان انيشتين براي يك جرم نقطه‌اي ، اظهار داشت كه از ديدگاه نظري ، سياه چاله ها وجود دارند . شعاعي كه نور نميتواند از آنجا خارج شود به نام شعاع شوارتس شيلد شناخته ميشود . چند ماه بعد از شوارتس شيلد ، يكي از دانشجويان لورنتس به نام ژوهانس دروست ، به همان نتايج شوارتس شيلد رسيد .
در 1920 چاندرازخار كه از شاگردان ادينگتون بود ، نشان داد كه اگر سرعت فرار بخواهد بيش از سرعت نور باشد ، جرم جسم بايد حداقل 1.44 برابر جرم خورشيد باشد . اين عدد امروزه به عنوان حد چاندرازخار شناخته ميشود . ادينگتون با دست آورد وي مخالف كرد و آن را نادرست خواند . در 1939 اپنهايمر به اتفاق شاگرد خود اسنايدر پيش بيني كردند كه يك ستاره پر جرم در اثر گرانش فرو مي‌ريزد و به سياه چاله تبديل ميشود . هم زمان با آغاز جنگ جهاني دوم ، مسئله سياه چاله ها به فراموشي سپرده شد . در دهه 1960 دوباره نظريه سياه چاله ها و راه حل شوارتس شيلد و فروپاشي گرانشي مورد توجه فيزيكدانان قرار گرفت .
شعاع شوارتس شيلد :
شعاع شوارتس شيلد را ميتوان با استفاده از رابطه سرعت فرار بدست آورد . توضيحات كاملي در مورد سرعت فرار در مبحث نظريه انفجار بزرگ محال است ارايه شده و روابط آن از قرار زير است :
اگر انرژي پتانسيل گرانشي يك دستگاه شامل دو جسم در فاصله بي نهايت را برابر صفر در نظر بگيريم به راحتي مي توان اثبات كرد كه :
http://www.ki2100.com/images/physics/big-bang/2.gif
كه در اين رابطه U انرژي پتانسيل ، M جرم زمين ، m جرم گلوله ، G ثابت جهاني گرانش و r فاصله مركز زمين تا مركز گلوله است . با توجه به مطالب گفته شده در بالا مي توان گفت كه :
http://www.ki2100.com/images/physics/big-bang/3.gif
K انرژي جنبشي و Vesc سرعت فرار گلوله ميباشد .
براي آنكه نور نتواند از سطح يك جسم بگريزد ، بايد در رابطه فوق سرعت فرار در آنجا برابر سرعت نور شود . چنين جسمي كه مانع فرار نور ميشود ، قابل رويت نيست و آن را سياه چاله مي‌نامند . شوارتس شيلد با استفاده از نسبيت عام ، شعاع يك سياه چاله را محاسبه كرد و به صورت زير ارايه داد :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/1.gif
كه در آن r شعاع شوارتس شيلد و c سرعت نور ميباشد . سياه چاله ها مثل گرداب عمل مي‌كنند . هر جرم يا انرژي كه به يك سياه چاله نزديك شود ، در داخل فاصله معيني كه افق رويداد آن خوانده ميشود ، به طور مقاومت ناپذيري به درون سياه چاله كشيده ميشود . سياه چاله ماده را به سمت خود مي‌كشد و منقبض ميكند ، تا آنكه ماده به كلي تجزيه و جز پيكره سياه چاله شود .
نوري كه از اطراف يك سياه چاله عبور ميكند ، اگر به افق رويداد نرسد ، روي مسيري منحني شكل از كنار آن مي‌گذرد . اگر به افق رويداد برسد ، در سياه چاله سقوط ميكند و سياه چاله را سياه و بنابراين نامريي ميكند .
موج يا امواج گرانشي :
گرانش يكي از چهار نيروي اساسي طبيعت فرض ميشود كه ماهيت عمل آن نظير ساير نيروهاست ، با اين تفاوت كه بسيار ضعيف تر از آنهاست . نخستين نيرويي كه به طور جدي مورد توجه قرار گرفت گرانش است . طبق قانون جهاني گرانش كه نيوتن كاشف آن است ، هرگاه دو جسم در فاصله‌اي از يكديگر قرار گيرند ، نيرويي بر هم وارد مي‌كنند كه با حاصل ضرب جرم دو جسم متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد . اين نيرو خاصيت ذاتي ماده است و تجربه نشان داده مستقل از خواص فيزيكي ، شيميايي و محيطي همواره اعمال مي‌گردد . برد اين نيرو بينهايت است . بسياري از فيزيكدانان از جمله فارادي و پلانك اعتقاد داشتند كه نيروهاي گرانشي و الكترومغناطيسي تشابه بسيار زيادي به يكديگر دارند و احتمالاً رابطه مشابهي نظير آنچه كه بين نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي وجود دارد ، بين گرانش و نيروي الكترومغناطيسي نيز وجود دارد . آلبرت انيشتين نيز تلاش بسيار كرد كه اين دو نيرو را در يك نيروي اوليه خلاصه كند ، اما موفق نشد . البته در زمان انيشتين نيروهاي مهم و مطرح همين دو نيروي گرانشي و الكترومغناطيسي بود .
نظريه نسبيت عام كه گرانش را به منزله انحناي فضا - زمان چهار بعدي مطرح مي كند ، انواعي از پديده‌هاي غير عادي را پيش بيني مي كند . بنابر نسبيت عام هر جسمي كه جرم داشته باشد موجب مي‌گردد كه فضاي اطراف آن خميده شود . هر زمان كه اين جسم حركت كند ، اين انحنا با صورت بندي جديد ماده ، متناسب مي گردد . اين تنظيم فضا - زمان با وضعيت متغير مكاني ماده موجب مي شود كه امواج گرانشي با سرعت نور در فضا منتشر شود . در نتيجه هر جسم متحركي از خود تشعشعات گرانشي منتشر مي كند .
امواج گرانشي نسبت به ساير نيروها فوق‌العاده ضعيف است . براي مشاهده ضعيف بودن امواج گرانشي نسبت به امواج الكترومغناطيسي كافيست قانون گرانش و قانون كولن را براي دو الكترون بكار بريد . خواهيد ديد كه امواج الكترومغناطيسي تقريباً ده بتوان چهل مرتبه از امواج گرانشي قوي تر است .
وقتي امواج الكترومغناطيسي به ماده برخورد مي كنند ، فقط ذرات باردار را تكان مي دهند . ولي امواج گرانشي موجب ميشوند كه تمام ذرات ماده تحت تاثير قرار گيرند . همچنين به دليل آنكه امواج الكترومغناطيسي بسيار قوي تر از امواج گرانشي است ( تقريباً ده بتوان چهل بار ) هنگام عبور امواج به همين نسبت نيز ذراتي كه در مسير آنها هستند تحت تاثير قرار مي گيرند .
در دهه 1960 ژوزف وبر از دانشگاه مريلند ترتيبي داد تا امواج گرانشي را آشكار سازد . آنتني كه وبر براي آشكار ساختن امواج گرانشي ساخت استوانه‌اي آلومينيمي بود به قطر 60 سانتيمتر و طول 1.5 متر كه وزن آن بيش از يك تن بود . اين استوانه توسط سيمي كه در وسط آن به دور استوانه پيچيده شده بود در يك محفظه خلا به طور معلق قرار داشت . همچنين اين محفظه به وسيله سيستمي از كمك فنرها از جهان خارج جدا شده بود . وقتي يك موج گرانشي از درون استوانه عبور ميكرد فشارهايي به وجود مي آورد . وبر براي آشكار كردن نوسانات حاصل ، تعدادي كريستال پيزوالكتريك بر روي سطح استوانه نصب كرد . اين كريستالها نوسانات را به جريان‌هاي الكتريكي ضعيفي مبدل مي كنند . سپس اين جريان‌ها تقويت و ثبت مي شوند . يك چنين استوانه آلومينيمي به دليل وجود تاثيرات گرمايي همواره در حال نوسان خواهد بود . براي غلبه بر اين مشكل صافيهايي الكترونيكي در سيستم نصب شده تا تمام نوسانات را به استثناي بزرگترين آنها حذف كند . علاوه بر اين وبر دو عدد از اين آنتن‌ها را يكي در دانشگاه مريلند در نزديكي واشنگتن و ديگري را در آزمايشگاه ملي ارگون خارج از شيكاگو نصب كرد . اين دو آنتن بوسيله خطوط تلفن به نحوي به هم وصل بودند كه نوسانات بزرگ آني كه در هر دو ايستگاه رخ مي داد ، به سرعت ثبت مي كردند . در سال 1969 وبر با اعلام اين خبر كه امواج گرانشي را به طور موفقيت آميزي آشكار كرده فيزيكدانان را متحير كرد . هر روزه حداقل يك نوسان بزرگ ثبت مي شد و نشان مي داد كه يك موج گرانشي به زمين برخورد مي كند . با اين وجود بسياري از دانشمندان نسبت به درستي نتايج آزمايش وبر مشكوك هستند . هرچند كه هيچ كس نتوانسته نشان دهد كه كدام قسمت از نتايج آزمايش وبر نادرست است .
نحوه عملكرد امواج گرانشي بر ذرات باردار و بدون بار چنين بنظر ميرسد : زمانيكه يك موج گرانشي از يك جسم عبور ميكند ، ممكن است جهت نوسان ذرات عمود بر جهت انتشار موج گرانشي باشد ، ولي در اين حالت ذرات نسبت به يكديگر حركت نسبي دارند و ذرات بطور يكسان و يكپارچه و باهم ارتعاش نمي كنند . بطور مثال اگر امواج گرانشي از يك لوله استوانه‌اي عبور كنند و ما سطح مقطع دايره‌اي آنرا ناظر باشيم ، مشاهده خواهيم كرد كه ذرات سمت چپ و راست از مركز دايره دور ميشوند و در همان لحظه ذرات بالا و پائين به مركز دايره نزديك ميشوند و لحظه‌اي بعد ، اين وضعيت بر عكس ميشود . نمونه كيهاني اين تحولات گرانشي ، لحظه انفجار ستارگان بسيار عظيم است كه جرمشان هزاران مرتبه از خورشيد ما بزرگتر است و امواج گرانشي حاصل از انفجار ، بهنگام عبور از منظومه شمسي ، موجب نوسان ماه و زمين به عقب و جلو ميشوند .
اشكالات امواج گرانشي در نسبيت عام :
1- همچنانكه مي دانيم در نسبيت عام ، گرانش اثر هندسي ماده بر فضاي اطرافش ميباشد و آنرا انحناي فضا - زمان مي نامند كه كميتي پيوسته است . با حركت جسم ميزان انحناي فضا - زمان نيز تغيير مي كند . اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كميتي پيوسته است آنگاه با مكانيك كوانتوم ناسازگار خواهد بود . يعني از چهار نيروي اساسي سه تاي آنها كوانتومي و يكي پيوسته است . اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كوانتومي است كه در اين صورت فضا - زمان با امواج گرانشي كه نسبيت خود باني است ناسازگار خواهد بود .
" اخترشناسان به تازگي از پيشرفت‌هاي رصدي و نظري درباره فاجعه بارترين واقعه در عالم ، پس از مهبانگ ، خبر دادند يعني :
ادغام سياهچاله هاي ابر پر جرم . اين برخوردهاي عظيم بايد در مدت كوتاهي ، 23^10 برابر خورشيد انرژي آزاد كنند ، كه همه اين انرژي به شكل امواج نامريي گرانشي است ؛ امواجي در انحناي فضا ـ زمان كه در نسبيت عام انيشتين هم پيش بيني شده ، اما هنوز بطور قطع شناخته نشده‌اند .
اخترشناسان سالهاست كه ميدانند ابر سياهچاله ها ، با جرمي معادل چند ميليون تا چند ميليارد برابر جرم خورشيد ، در مركز كهكشانهاي بزرگ مخفي شده‌اند . اين هيولاها به تحول كهكشانها نظم مي بخشند . وقتي دو كهكشان با هم ادغام مي شوند ، سياهچاله هاي ابر پر جرم بايد در عرض چند صد ميليون سال در مداري به گرد هم قفل شوند .
اين جفت چرخان به دور هم ، ستاره هاي نزديك را پراكنده مي كنند . به اين فرآيند كه آنها را نزديكتر به هم مي كشاند ، اصطكاك ديناميكي مي گويند . اگر اين دو به فاصله يك هزارم سال نوري از هم برسند آنچنان با حركت خود ساختار فضا ـ زمان را در هم مي پيچند كه با گسيل امواج گرانشي و از دست رفتن انرژي ، مطابق اصل بقاي تكانه انرژي ، امواج گرانشي قدرتمندي را ساطع مي كنند . مدارهايشان جمع تر مي شود و سرانجام آنقدر به دور هم مي گردند تا تبديل به يك سياهچاله شوند . اما چنين رخدادي چقدر معمول است ؟
اخترشناسان ، براي يافتن پاسخ اين پرسش ، بايد سياهچاله هاي دوتايي با جدايي كم را پيدا كنند . اخترشناسان دانشگاه نيومكزيكو در گزارش اخير خود خبر كشف احتمالي به هم چسبيده ترين جفت سياهچاله ها را اعلام كردند . اين دو سياهچاله ، دو منبع راديويي درخشان در نزديكي مركز كهكشان 0402+379 در صورت فلكي برساوش اند .
اخترشناسان با استفاده از آرايه با خط مبناي بسيار بلند (VLBA) ـ شبكه‌اي از 10 تلسكوپ راديويي كه در خطي به طول 8000 كيلومتر از هاوايي تا شرقي ترين جزاير دريايي كارايب گسترده‌اند ، جدايي زاويه‌اي اين زوج را فقط 6.9 ميلي ثانيه قوس بدست آوردند ، كه با توجه به فاصله 750 ميليون سال نوري اين جفت از ما ، فاصله آن دو از هم 24 سال نوري به دست مي‌آيد . اين عدد 100 بار كمتر از جدايي بين جفت سياهچاله هايي است كه پيش از اين كشف شده بود .
طيفهايي با تفكيك كم كه به كمك تلسكوپ هابي ـ ابرلي در تگزاس گرفته شده است كه گردش آنها به دور هم را نشان مي دهد و جرم مجموعشان را دست كم 150 ميليون برابر جرم خورشيد به دست مي دهد . احتمالا ً دوره گردش آنها به دور هم 150 هزار سال طول مي كشد تا آن دو در هم ادغام شوند .
ممكن است جدايي بين دو سياهچاله بيشتر از اين باشد ، اگر يكي از آنها بسيار جلوتر از ديگري ، نسبت به زمين باشد و از ديد ما كنار هم بنظر برسند ؛ كه البته احتمالش بسيار كم است . براساس بررسي هاي نظري وقتي كهكشانها ادغام مي شوند ، اصطكاك ديناميكي به سرعت دو سياهچاله را به هم نزديك مي كند تا فاصله شان به 30 سال نوري برسد . سپس مهاجرت بسوي هم كند مي شود ، پيش از اين كه برهمكنش با گاز ، دسته‌اي ستاره ، يا سياهچاله سومي سبب ادغام دو ابرسياهچاله شود .
فيزيكدانان همچنين مايل اند ردپاي امواج گرانشي را در انحناي فضا ـ زمان شناسايي كنند ؛ آثاري كه حاصل ادغام سياهچاله هاي غول پيكرند . مطابق نسبيت عام انيشتين انحناي فضا در اطراف جرم شكل مي گيرد و جرم زياد و بي اندازه چگال سياهچاله انحناي فوق‌العاده‌اي را در فضا ـ زمان ايجاد مي كند و با حركت دو سياهچاله به دور هم خميدگي فضا ـ زمان نيز جابجا مي شود و موجي از انحناي فضا ـ زمان را منتشر مي كند كه موج گرانشي نام دارد . اخترشناسان مركز پرواز هاي فضايي گادرد ناسا در گزارشي اعلام كردند كه شبيه سازي هاي سه بعدي ابر رايانه ها نشان مي دهد در جريان فرايند ادغام ، امواج به سوي بيرون حركت مي كنند . آنها معادلات انيشتين را به زبان رايانه ترجمه كردند . شبيه سازي مشخص كرد كه اگر سياهچاله هاي ابر پر جرم در هر كهكشان در فاصله چند ميليارد سال نوري از زمين با هم ادغام شوند ، آشكارسازهاي امواج گرانشي بايد به دنبال چه نشانه‌هايي بگردند . چندين شبيه سازي انجام شده و حالا دانشمندان مطمئن اند كه شبيه سازي‌ها بيشترين شباهت را با واقعيت دارند . آنها دريافتند كه 4 درصد جرم سياهچاله ها به امواج گرانشي تبديل مي شود . بسامد و شدت امواج با نزديكتر شدن سياهچاله ها به هم افزايش مي يابد .
هر موجود ميكروسكوپي در فاصله چند واحد نجومي از اين رخداد به سبب امواج گرانشي تكه تكه خواهد شد . اما زماني كه اين امواج ميليون‌ها يا ميليارد‌ها سال نوري سفر كنند و به زمين برسند ، اثر كشيده شدن يا فشرده شدن حاصل از عبور موج گرانشي بر موجودات زمين بسيار كمتر از اندازه هسته يك اتم است . به سبب بسامد كم و ضعيف بودن اين امواج ، دانشمندان براي آشكار ساختن آنها به آرايه‌اي از فضاپيماها نياز دارند . ناسا و اسا در حال تدارك اين ماموريت اند ؛ آنتن فضايي تداخل سنجي ليزري (ليزا) . البته ليزا هم يكي از ماموريتهاي ناسا در فهرست ابهام است زيرا كاهش بودجه ناسا بسياري از ماموريتهاي آينده را لغو كرده است .
منبع : مجله نجوم 160 ــ شماره دهم تيرماه 1385
http://www.nojum.ir "
" آشكار سازهايي كه امروزه براي جستجوي امواج گرانشي به كار مي روند ، گرچه تلسكوپ امواج گرانشي نيز نام دارند اما در عمل هيچ شباهتي به تلسكوپ نوري ندارند .
اساس كار اين آشكار سازها ، پديده‌اي به نام تداخل سنج است . در اين روش دو باريكه هم فاز نور در دو مسير عمود بر هم حركت مي كنند ، در انتهاي مسيرها بازتابنده‌اي قرار دارد كه نور را به مبداء باز مي تاباند .
دو باريكه نور وارد يك تلسكوپ مي شوند و يك طرح تداخلي مي سازند . در آنجا ميتوان فهميد كه در طول مسير آيا اتفاقي براي يكي از پرتوها روي داده است يا خير ؟
اگر پديده‌اي باعث تغيير يكي از باريكه‌ها شود آنگاه دو پرتو با هم اختلاف فاز پيدا مي كنند و وقتي با يكديگر تركيب شوند طرح تداخلي آنها تغيير خواهد كرد و ديگر همان شكل قبلي را نخواهد داشت . با مشاهده اين تغيير مي توان فهميد كه چه اتفاقي افتاده است . اگر اين پديده موج گرانشي باشد ، موج گرانشي در راستاي عمود بر انتشار خود ، فضا - زمان را دچار تغيير خواهد كرد .
به عبارتي مسير نور در اثر عبور موج گرانشي تغيير مي كند . فرض كنيم در راستاي يكي از بازوها عبور مي كند ، طبق خاصيت موج گرانشي ، طول بازو براي مسير نور تغيير مي كند . درست مثل وقتي كه نور در هوا وارد آب يا شيشه مي شود و سرعت آن تغيير مي كند . بنابراين نور در مدت زمان متفاوتي اين مسير را طي مي كند و به همين دليل نسبت به حالات قبل اختلاف فاز پيدا مي كند . اختلاف فاز اين پرتو موجب مي شود كه ديگر پرتوها يكديگر را خنثي نكنند و در نتيجه يك جرقه را لحظه‌اي با شكل خاص مشاهده مي كنيم . پس مشاهده يك درخش نمايانگر عبور موج گرانشي است اما ممكن است عوامل ديگري مثل زمين لرزه باعث ايجاد چنين تغييراتي شود . به همين خاطر در مجاورت يكي از آشكارسازها ، آشكارساز كوچكتري با همين خصوصيات ولي با طول بازوي 2 كيلومتر ساخته مي شود . اگر موج گرانشي عبور كند ، اثر آن بر آشكارساز كوچك ، نصف آشكارساز بزرگ است . از جمله آشكار سازهاي روي زمين آشكار ساز ليگو است .
ليگو با وجود آنكه در حال حاضر بزرگترين آشكار ساز امواج گرانشي روي زمين است ولي مشكلات و محدوديت‌هاي بزرگ نيز دارد كه مهمترين آنها حساسيت نسبتاً پايين به امواج گرانشي است . ليگو مي تواند منظومه دوتايي ستاره‌هاي نوتروني را تنها در چند صدم ثانيه‌اي كه اين دو با هم برخورد مي كنند آشكار كند . در چنين لحظه‌اي امواج گرانشي در حوالي منظومه بسيار قوي است .
يك راه ديگر براي آگاهي از امواج گرانشي و آنچه در پيرامون ما در فضا اتفاق مي افتد شبيه سازي رايانه‌اي است . در اين كار وضعيت فيزيكي خاصي را در نظر مي گيرند و با كمك معادلات توصيف كننده آن وضعيت ، رفتار بعدي آن را شبيه سازي مي كنند ، هر چند كه معادلات رياضي بسيار پيچيده‌اي دارند . بررسي امواج اجرام مختلف به ما كمك مي كند تا اطلاعات بيشتري در مورد ساختار آنها كسب كنيم . با مشاهده انفجار يك ابر نو اختر مي توان سرعت امواج الكترومغناطيس و سرعت موج گرانشي را مقايسه كرد . دريافت موج گرانشي از يك ستاره نوتروني مي تواند اطلاعات دقيق تري در مورد شعاع و جرم آنها به ما دهد .
طرحي به نام ليزا Lisa در دست است كه از سه ماهواره تشكيل شده در فضا به شكل يك مثلث متساوي‌الاضلاع با طول هر ضلع 5 كيلومتر قرار دارد . ماهواره‌هاي ليزا در فاصله 50 ميليون كيلومتري زمين به دور خورشيد قرار خواهند گرفت . يكي از ماهواره‌ها ، هم به صورت منبع تابنده ليزر و هم به صورت دريافت كننده پرتوهاي بازتابنده عمل مي كند و دو ماهواره ديگر در نقش بازتابنده ( از قطعات مكعبي شكل ساخته شده است ) استفاده مي كنند كه آزادانه در فضاي درون ماهواره حركت مي كند ................
http://hamidoroud.blogfa.com/post-38.aspx "
2- اگر سرعت امواج گرانشي برابر سرعت نور باشد ؛ اين امواج نمي‌توانند از افق رويداد يا شعاع شوارتس شيلد اجرام نوتروني فرار و به طرف پيرامون منتشر و حتي آشكار شوند ، براي اينكه طبق نظريات جديد ، ميدان گرانش هر جسمي تشكيل شده است از امواج گرانشي خود آن جسم كه مربوط به ذرات زير كوانتومي فرضي به نام گراويتون ميشود و علت آن اين است كه اتم‌ها ساكن نبوده بلكه با نوسانات زيادي در حال جنبش هستند كه مسلما امواج گرانشي توليد خواهند كرد ، يعني چيزي شبيه امواج الكترومغناطيسي پيرامون اجسام باردار يا مواد باريوني كه مربوط به ذراتي به نام فوتون ميشود . در صورت درست بودن نظريات فعلي هيچ ميدان گرانشي نميتواند پيرامون سياهچاله ها پديدار شود و اين در حالي است كه ميدان گرانش قوي پيرامون اجرام نوتروني شناسايي شده است . و بايد گفت كه اين امواج گرانشي در برهمكنش سياهچاله ها با يكديگر در يك سيستم ( منظومه ) دوتايي شناسايي و رديابي شده و جالب است كه اين پديده شناخته شده يكي از شواهد اثبات نظريه نسبيت تلقي ميشود . اگر طبق نظريات مكانيك كوانتومي ذره زير كوانتومي وجود داشته باشد و آن حامل نيروي گرانش باشد ، سرعت اين ذرات ميبايست به مراتب بيشتر از سرعت نور يا فوتونها باشد تا بتوانند خارج از افق روي داد يك سياه چاله گسترش و انتشار يابند .
امروزه سرنخ‌هايي از اين سرعت‌هاي بسيار بالا بدست آمده است :
" سرعت نور شكسته شد
محققان دانشگاهي در سوئيس سيگنالي را رديابي كردند كه سرعتي بالاتر از سرعت نور دارد . به گزارش خبرگزاري مهر ، محققان دانشگاه ژنو در سوئيس موفق به كشف سيگنالي شدند كه سرعت حركت آن از سرعت نور بيشتر است . در دنياي خارق‌العاده كوانتوم و مكانيك كوانتومي ، پديده‌اي به نام درگيري ذرات با يكديگر وجود دارد به اين معني كه اگر دو ذره كه به شدت با هم در ارتباطند را از يكديگر جدا كرده و در فاصله طولاني از هم نگه داريم ، علي رغم فاصله‌اي كه بين آنها وجود دارد ، در صورت بروز تغيير در يكي از ذره‌ها ديگري نيز دچار تغيير خواهد شد . اين پديده توسط دكتر دانيل سالارت و همكارانش در دانشگاه ژنو مورد بررسي قرار گرفت . وي دو فوتون نور مرتبط و درگير به هم را در آزمايشگاه به فاصله 18 كيلومتر از يكديگر دور كرد و با بررسي خصوصيات هر يك از آنها دريافت كه با تغيير در هر كدام ديگري نيز متحول مي شود . وي اين آزمايش را بر روي جفتهاي زيادي از فوتونها انجام داد كه نتايج به دست آمده مشابه نتيجه اوليه بود . با مشاهده اين نتايج محققان به اين نتيجه رسيدند كه بين اين دو ذره سيگنالي در حال حركت است كه خصوصيات يكي را به ديگري منتقل مي كند . بر اساس گزارش NewScientist، محققان بر اين باورند كه اين سيگنال بايد سرعتي 10000 بار بيشتر از سرعت نور داشته باشد تا بتواند خصوصيت يك فوتون را به ديگري منتقل كند .
نظريه ديگري كه اين تيم ارائه داد مبني بر اين است كه سنجش خصوصيات يك فوتون به سرعت بر روي فوتونهاي ديگر نيز تاثير مي گذارد .
http://www.mehrnews.ir/NewsPrint.aspx?NewsID=732981 "
البته لازم به ذكر است كه سرعت محاسبه شده جديد ميبايست 15707 برابر سرعت نور باشد زيرا همانطور كه ميدانيم محيط دايره تقريبا 3.14 برابر قطر آن است و چون امواج الكترومغناطيسي به صورت كره در فضا گسترش مي‌يابند اين ارتباط مابين دو فوتون ميبايست از طريق محيط دايره‌اي شكل برقرار شود و نه از طرق قطر دايره يا همان خط مستقيم :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/6.gif
در رسم فوق مارپيچ طلايي دوران ميدان الكتريكي موج الكترومغناطيس ، A منبع موج الكترومغناطيس ، B و C مكان حضور دو فوتون با فاصله 18 كيلومتر و منحني يا كمان ADC برابر 28.27 كيلومتر ميباشد كه انتقال اطلاعات ميبايست از اين طريق انجام شود كه سرعت ميبايست 1.57 برابر بيشتر شود .
اگر سرعت برقراري ( تشكيل ) و يا انفصال ميادين گرانشي و همچنين انتشار امواج گرانشي معادل و برابر سرعت نور باشد ، اين ميادين و امواج در پيرامون يك سياه چاله تقريبا به شكل زير خواهد بود :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/2.gif
دايره قرمز رنگ شعاع شوارتس شيلد و منحني‌هاي مشكي رنگ بيانگر انحناي فضا - زمان نظريه نسبيت يعني مسير برگشت امواج الكترومغناطيسي و گرانشي به طرف داخل را نشان مي‌دهد كه در كل وضعيت ناهنجاري را براي يك جرم نوتروني به ارمغان خواهد داشت . در اين وضعيت ناهنجار تمام نيروهاي گرانشي يا انرژي امواج گرانشي و ... در مركز جرم نوتروني متمركز ميشوند كه در اين صورت ، اجرام نوتروني خيلي زود ميبايست منفجر شوند كه در واقع چنين نيستند ! انفجار آنها تابع شرايط خاص خود است كه در روز قيامت به وقوع خواهد پيوست ! در حقيقت سرعت برقراري ( تشكيل ) و يا انفصال ميادين گرانشي و همچنين انتشار امواج گرانشي خيلي بيشتر از سرعت نور ( امواج الكترومغناطيس ) است ، اين ميادين يا امواج گرانشي و بهتر است بگوييم كه دوران ميادين گرانشي پيرامون يك جرم نوتروني به شكل زير خواهد بود :
http://www.ki2100.com/images/physics/rotation-of-gravity-fields/1.gif
يعني همان اسپيرال لگاريتمي معروف ( مارپيچ طلايي فيبوناچي ) !
توضيحات بيشتر در مورد شكل اول اينچنين است كه طبق نظريه نسبيت ، گرانش تغيير شكل هندسي فضاي پيرامون جرم يا جسم و يا همان انحناي فضا - زمان است و چون مسير حركت نور تابعي از همبافته فضا - زمان است ، پس نور در هنگام گذر از پيرامون اجرام خميده ميشود و مسير مستقيم پرتو نور به منحني تبديل ميشود . حال پرتو نوري را فرض كنيد كه با سرعت اوليه سعي دارد از ميدان گرانش يك سياه چاله فرار كند ، سرعت اين پرتو نور در جوار شعاع شوارتس شيلد صفر شده و مجبور است به طرف مركز سياه چاله سقوط كند ولي امواج گرانشي چنين نيستند ، سرعت آنها خيلي بيشتر از سرعت نور است و توان فرار را دارند منتها در هنگام فرار تاب خورده و تحت تاثير گرانش در هم تنيده ميشوند و همانند يك اسپيرال لگاريتمي منتشر خواهند شد . پس هرچه قدر جرم و يا سرعت زاويه‌اي سياهچاله بيشتر شود فركانس و يا بسامد امواج گرانشي افزايش خواهد يافت و برعكس . پس در آينده ميتوان با شناسايي امواج راديويي و گرانشي اجرام نوتروني به اطلاعات مفيدي دست يافت كه اشاره به خصوصيات فيزيكي جرم نوتروني خواهد داشت .
حد جرم نوتروني براي گريز امواج گرانشي :
اينك ما ميتوانيم متريك گرانشي اطراف يك سياه چاله را محاسبه و بدست آوريم . براي اين منظور ميبايست سرعت فرار را برابر سرعت نور بتوان 2 در نظر بگيريم براي اينكه در مبحث قيامت در پيش است ( انقلاب دوم ستارگان نوتروني ) عنوان شد كه :
سرعت انتشار تك موج گرانشي :
به نام خداوندِ رحم كنندهِ ( بخشنده ، گذشت كننده ) مهربان ( با شفقت ، با عاطفه )
سوال كرد سوال كننده به عذابي واقع شدني ( روي دادني ) 1
[بداند] براي كافران [است كه] نيست برايش دفع كننده‌اي 2
از [جانب] خداوند داراي بالابرها ( بالا برنده‌ها ) 3
بالا ميرود ملائكه و روح به سويش در روزي [كه] باشد مقدارش پنجاه هزار سالي 4
............... سوره معارج
ما همواره بايد بدانيم كه سرعت حركت موج به دو عامل كلي بستگي دارد 1 - محيط انتشار موج 2 - جنس و ماهيت خود موج . نور از جنش امواج الكترومغناطيس است ولي گرانش از نوع موج گرانشي ، اگر ما فضا را براي هر دو موج يكسان در نظر بگيريم ، آيا ماهيت اين دو موج يكي است ؟ هر چند كه مبدا و منشا واحدي داشته باشند ! متاسفانه بشر فعلا توانايي توليد امواج گرانشي را ندارد كه سرعت آن را اندازه گيري كند ولي به احتمال زياد سرعت امواج گرانشي خيلي خيلي ..... بيشتر از سرعت نور است ، اين موج در عرض 50 هزار سال قمري فاصله 13 ميليارد سال نوري را طي ميكند ، يعني سرعتي نزديك به 270 هزار برابر سرعت نور و البته اين به فركانس موج گرانشي نيز مربوط ميشود . اگر ابعاد كيهان 14.547.900.000 سال نوري باشد اين موج در عرض 48.493 سال شمسي آن را مي‌پيمايد و همه چيز مقابل خود را منهدم ميكند ، پس ميتوان با اين شرايط سرعت آن را 300.000 برابر سرعت نور تخمين زد يعني سرعت تك موج گرانشي برابر سرعت امواج الكترومغناطيسي به توان دو است ، يعني سرعت موج گرانشي برابر C² ميباشد . براي اين محاسبه از فرمول كلاسيك سرعت فرار استفاده مي‌كنيم :
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/3.gif
R متريك گرانشي اطراف يك سياه چاله و M جرم آن ميباشد . اينك با دانستن فرمول حجم كره و جرم حجمي نوترون متراكم ، ميتوانيم حد جرم سياه چاله و متريك گرانشي آن را محاسبه كنيم . براي اين منظور از دستگاه معادلات ( دو معادله دو مجهول ) استفاده مي‌كنيم .
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/4.gif
http://www.ki2100.com/images/physics/black-hole2/5.gif
اين اعداد به چه معني است ؟
اگر حد جرم نوتروني ( سياه چاله ) بدست آمده را تقسيم بر جرم خورشيد ( 30^10*1.99 ) كنيم ، عدد 26^10*1.16 بدست مي‌آيد . طبق رصدهاي انجام شده چنين برآورد ميشود كه در كيهان تقريبا 100 ميليارد كهكشان وجود دارد و به طور متوسط هر كدام حاوي 100 ميليارد ستاره است . يعني كيهان حاوي 22^10 ستاره است كه اگر تمام اينها به علاوه ساير اجرام سماوي و مواد باريوني ، تشكيل جرم نوتروني ( سياه چاله‌اي ) را دهند كه مسلما شعاع آن كمتر از متريك گرانشي بدست آمده خواهد بود ، و هرگز نميتواند جلوي فرار و انتشار امواج پرقدرت و پر نفوذ گرانشي را بگيرد ، يعني هيچ مانعي جلودار امواج و ميادين گرانشي نخواهد بود .