نوبل فيزيك از آن كدام است، راديوتلسكوپ يا تداخل‌سنج ليزري؟

امواج گرانشي، بزرگ‌ترين پيش‌بيني نظريه نسبيت عام است كه پس از گذشت 95 سال هنوز اثبات نشده؛ اما راديو‌تلسكوپ‌ها و تداخل‌سنج‌هاي ليزري رقابتي سخت را براي يافتن نشانه‌هايي از آن آغاز كرده‌اند.
محمود حاج‌زمان: اخترشناسان امواج راديويي با كمك بهترين زمان‌سنج‌هاي سماوي، كاوش جديدي را براي يافتن نشانه‌هايي از تغييرات چارچوب فضا در اثر امواج گرانشي آغاز كرده‌اند. اين تغييرات كه توسط تئوري نسبيت عام اينشتين پيش‌بيني مي‌شود، تاكنون مستقيما مشاهده نشده است؛ اما رويكرد جديد اخترشناسان، رقيبي براي رويكرد پرخرج‌تر رديابي امواج گرانشي توسط تداخل‌سنج‌هاي ليزري محسوب مي‌شود.
به گزارش نيچر، از اواخر دهه 1970 / 1350 اخترشناسان دريافته‌اند كه امواج گرانشي، زمان رسيدن تابش‌هاي الكترومغناطيسي را كه از تپ‌اخترها سرچشمه مي‌گيرند، تحت تاثير قرار مي‌دهد. تپ‌اخترها، ستارگان نوتروني باقيمانده از يك انفجار ابرنواختري هستند كه با سرعت سرسام‌آور چند ده تا چند صد بار در ثانيه به دور خود مي‌چرخند و تابش‌هاي الكترومغناطيسي منظمي را گسيل مي‌كنند. اخيرا و با كشف چندين تپ‌اختر هزارم ثانيه‌اي كه در هر ثانيه هزار بار تابش الكترومغناطيسي گسيل مي‌كنند، ايده استفاده از تپ‌اخترها از حالت تئوري به مرحله عملي رسيده است. تابش‌هاي الكترومغناطيسي اين تپ‌اخترها بسيار سريع‌تر و قابل اعتمادتر از تپ‌اخترهاي عادي است.

تلسكوپ فضايي پرتوهاي گاما فرمي ناسا، موقعيت تعدادي از اين ساعت‌هاي كهكشاني را شناسايي كرده كه به اخترشناسان امواج راديويي اجازه مي‌دهد آنها را مورد مطالعه قرار دهند. اخترشناسان با بررسي تغييرات ناچيز در زمان رسيدن تابش‌هاي الكترومغناطيسي كه تنها معادل كسري از ثانيه است، مي‌توانند تاثير احتمالي يك موج گرانشي زودگذر را بر زمين رديابي كنند. اگر اين تلاش‌ها به نتيجه برسد، محققان ابزار جديدي را براي كشف طوفان‌هاي كيهاني مانند برخود سياهچاله‌ها كه تصور مي‌شود امواج گرانشي را توليد مي‌كنند، در اختيار خواهند داشت.
گروه‌هاي مختلفي در استراليا، اروپا و آمريكاي شمالي بر روي اين موضوع كار مي كنند. اين گروه‌ها رقيب گروه‌هاي بزرگ‌تر و سرمايه‌دارتري محسوب مي‌شوند كه از تداخل‌سنج‌هاي ليزري براي رديابي امواج گرانشي استفاده مي‌كنند. اين تداخل‌سنج‌‌ها از دو مسير چند كيلومتري كاملا يكسان ولي عمود بر يكديگر تشكيل شده كه پرتوهاي ليزر درون اين مسيرها برقرار است. پرتوهاي ليزر از يك منبع منتشر مي‌شوند و پس از طي مسير چند كيلومتري، از آينه دقيق مستقر در انتهاي مسير بازتاب مي‌شوند و درنهايت با هم برخورد كرده، به درون آشكارساز هدايت مي‌شوند. مسير طوري تنظيم شده كه برخورد پرتوهاي ليزر با يكديگر ويرانگر باشد و اين پرتوها با خنثي كردن يكديگر، فضايي كاملا تاريك در آشكارساز برقرار كنند. اما اگر يك موج گرانشي به اين تداخل‌سنج برسد، چارچوب فضا و مقياس‌هاي آن در اين دو بازو تغيير مي‌كند و درنتيجه، پرتوهاي ليزر عبوري از آنها از حالت تنظيم‌شده خارج مي‌شوند. بنابراين، برخورد آنها با يكديگر، درخشي عجيب به همراه خواهد داشت كه آشكارساز مي‌تواند آن‌را تشخيص دهد.
رويكردهاي مختلف رديابي امواج گرانشي
اسكات رنسام، اخترشناس رصدخانه راديواخترشناسي ملي در شارلوتسويل ويرجينيا، خبر كشف 17 تپ‌اختر هزارم ثانيه‌اي را در گردهمايي هفته گذشته انجمن اخترشناسان آمريكا در واشنگتن اعلام كرد. بنابر اظهارات رنسام، حدود 100 تپ‌اختر هزارم ثانيه‌اي شناخته شده در كهكشان راه‌شيري وجود دارد. با اين وجود تعداد اندكي از آنها به ميزان كافي روشن و منظم هستند تا با دقت مورد نياز براي جستجوي امواج گرانشي، بتوان به اندازه‌گيري آنها پرداخت.
براي اين‌كه بتوان يك موج گرانشي را شناسايي كرد، ابتدا بايد بين 20 تا 40 عدد از اين تپ‌اخترها را كه يك آرايه زماني تپ‌اختري (Pulsar Timing Array)را تشكيل مي‌دهند، به مدت 5 تا 10 سال زير نظر قرار داد. اما به كمك تپ‌اخترهاي هزارم ثانيه‌اي جديد، محققان اطمينان دارند كه به زودي آمادگي كافي را براي رقابت با رويكرد ديگر به‌دست مي‌آورند.

توضيح عكس: موقعيت تپ‌اخترهاي ميلي‌ثانيه‌اي در كهكشان راه‌شيري در نقشه پايين سمت چپ مشخص شده است. اما چگونه مي‌توان از اين‌ها براي يافتن امواج گرانشي استفاده كرد؟ (براي دانلود عكس بزرگ، اينجا را كليك كنيد)
1- امواج گرانشي ناشي از ادغام سياه‌چاله‌هاي ابرسنگيني كه در كهكشان‌هاي دور قرار دارند، موقعيت زمين را در فضا به آرامي تغيير مي‌دهد.
2- تلسكوپ‌هاي زميني مي‌توانند اختلاف ناچيز در زمان رسيدن فوران‌هاي راديويي تپ‌اخترهاي ميلي‌ثانيه‌اي را كه در اثر اين جابجايي اندك رخ مي‌دهد، اندازه‌گيري كنند.
3- اندازه‌گيري اين اثر در آرايه‌اي از تپ‌اخترها، اين اثر را تقويت و احتمال آشكاركردن آن را بالا مي‌برد.

گروه‌هايي كه از تداخل‌سنج‌هاي ليزري زميني استفاده مي كنند در ايتاليا، آلمان و ايالات متحده مستقر هستند. فيزيكدانان اين گروه‌ها براي ساليان متمادي چندين پتابايت (هر پتا برابر 10 به توان 15 است) داده را بررسي كرده‌اند، بدون اين‌كه حتي كوچكترين نشانه‌اي دال بر وجود امواج گرانشي به‌دست آورند.
با اين حال گروه‌هاي زميني خوش‌شانس بوده و ردپاي امواج گرانشي را در يك اتفاق نادر، يعني ادغام دو ستاره نوتروني مجاور هم كشف كرده‌اند. اما تا زماني كه آشكارساز اصلي گروه، رصدخانه تداخل‌سنجي ليزري امواج گرانشي (LIGO) در لوييزيانا در سال 2015 / 1394 ارتقاء يابد، نمي‌توان داده‌هاي لازم را جمع‌آوري كرد. در آن زمان اين تداخل‌سنج حساسيت كافي را براي جمع‌آوري امواج گسيل شده از چنين حجم عظيمي خواهد داشت. بنابراين راديو اخترشناسان شانس اين را دارند كه زودتر امواج گرانشي را كشف كنند.

بروس آلن، مدير انستيتو فيزيك گرانشي ماكس پلانك در هانوفر آلمان كه تحليل داده‌هاي مشترك را بين آشكارسازهاي زميني مديريت مي‌كند، اعتقاد دارد گروه تپ‌اخترها يك شانس خيلي خوب براي شكست دادن آشكارسازهاي زميني دارند و از نظر وي، اين يك مسابقه واقعي است و برنده اين رقابت، قطعا موفق به دريافت جايزه نوبل فيزيك خواهد شد.
اخترشناسي امواج گرانشي
پايان مسابقه كشف امواج گرانشي كه نزديك به يك قرن از آغاز آن گذشته، آغازي براي علم اخترشناسي امواج گرانشي خواهد بود. در حال حاضر رويكردهاي گوناگون پديده‌هاي مختلفي را دنبال مي‌كنند. درحالي‌كه تداخل‌سنج‌ها به دنبال ضربان‌هاي سريع ناشي از ادغام ستاره‌هاي نوتروني هستند، زمان‌سنج‌هاي تپ‌اختري سيگنال‌هاي پس‌زمينه‌اي قوي‌تر و با فركانس پايين‌تر را جستجو مي‌كنند كه از ادغام سياه‌چاله‌هاي فوق سنگين در مركز كهكشان‌هاي دور مي‌آيند. آنتن فضايي تداخل‌سنج ليزري (LISA) كه يك ماموريت فضايي چندين ميليارد دلاري مشترك بين ناسا و آژانس فضايي اروپا است، نسبت به فركانس‌هاي مياني امواج گرانشي حساس است كه مربوط به رخدادهايي مانند ادغام كوتوله‌هاي سفيد است. ماموريت لايزا متشكل از 3 ماهواره خواهد بود كه رئوس يك مثلث متساوي‌الاضلاع به ضلع 5 ميليون كيلومتر را در فضا تشكيل مي‌دهند و همانند يك تداخل‌سنج بزرگ در فضا كار مي‌كنند.
بنابر اظهارات توماس پرنس، اخترفيزيكدان موسسه تكنولوژي كاليفرنيا، كالتك و از دانشمندان ماموريت LISA، تداخل‌سنج‌هاي زميني و فضايي براي شناسايي رخدادهاي گرانشي بهتر هستند. اما رنسام معتقد است كه در مقام مقايسه، آرايه‌هاي زماني تپ‌اختري بسيار ارزان‌ترند. وي مي‌گويد: «روش جديد به‌جاي آن‌كه آشكارسازي مانند LIGO نياز داشته باشد كه ساخت آن 300 ميليون دلار هزينه داشت و ارتقاء آن نيز 200 ميليون دلار ديگر هزينه مي‌برد، از راديو تلسكوپ‌هاي موجود استفاده مي‌كند.»
شناسايي شديدترين رخدادهاي عالم نياز به حساسيت فوق‌العاده‌اي دارد. در روش استفاده از آرايه‌هاي زماني تپ اختري اين حساسيت از جنس زمان و در روش تداخل‌سنجي از جنس مكان است. تداخل‌سنج‌ها قبلا موقعيت اجرام آزمون خود را با دقت يك در ميليون ميليون ميليارد (10 به توان منفي 21) مشخص كرده‌اند. پرنس اين دقت را به اندازه‌گيري فاصله نزديك‌ترين ستاره به زمين با دقتي معادل ضخامت موي انسان تشبيه مي‌كند.
منبع : Khabaronline.ir