تصوُّر أحد الفنانين للموجات الثقالية.
المصدر: ناسا.
من يريد الرّهان ضد آينشتاين؟ أنت؟ أو أنت؟ أو ربما أنت؟
بالطبع كان هناك القليل من العقبات، لكن سجل الرجل في النسبية ناصعٌ. فقد فسر الطريقة الغريبة التي يدور بها عطارد حول الشمس، وخمن أن علماء الفلك سيشهدون انحراف ضوء النجوم بفعل جاذبية الشمس خلال الكسوف الشمسي. كما توقع أن الجاذبية سوف تسبب انزياح الضوء نحو القطاع الأحمر من الطيف المعروف بالانزياح نحو الأحمر (redshift)، الأمر الذي استغرق علماء الفيزياء 50 عاماً للتوصل -أخيراً- إلى تجربة للتحقق منه.
بناءاً على توقعاته، أكد العلماء أن المجرات تحني الضوء بواسطة جاذبيتها، وأن الفوتونات تختبر التمدُّد الزمني عندما تمر بالقرب من الشمس، بالإضافة إلى أن الساعات التي تتحرك بسرعات عالية تختبر وقتاً أقل من الساعات على الأرض.
بل حتى أنهم فحصوا الانزياح الثقالي نحو الأحمر، وتباطؤ الإطار المرجعي، ومبدأ التكافؤ. وهو خليط من الكلمات التي سوف نوضحها مستقبلاً، أو -لأولئك الذين لا يستطيعون الانتظار- ابحثوا عنها بواسطة جوجل.
في كل مرة طرح فيها بيرتي توقّعاً عن النسبية، تمكَّن علماء الفيزياء من التحقق منه عن طريق التجارب. هكذا، ووفقاً لهذا الرجل الأشعث ذو الدماغ العملاق، فإنه عندما تصطدم الأجسام الضخمة ببعضها البعض، أو عند تشكُّل الثقوب السوداء، يُفترض أن تطلق موجاتٍ ثقالية. فما هي هذه الأشياء وكيف يمكننا الاستدلال عليها؟
أولاً، مراجعة سريعة. تسبب الكتلةُ انحناءً في المكان والزمن، وجاذبيةُ الشمس ليست قوة سحبٍ، إنما هي انحناء تُحْدثه الشمس في الفضاء المحيط بها.
عندما تصطدم أجسام فائقة الكتلة، يُفترض أن تطلق أمواج ثقالية. فما هي هذه الأشياء وكيف يمكننا الاستدلال عليها؟
تظن الكواكب أنها تتحرك بخطٍ مستقيم، لكنها في الواقع تُسحَب في دائرةٍ وهي تنتقل عبر هذا الزمكان الملتوي. عودي إلى منزلك أيتها الكواكب، إنك ثَمِلة!
الفكرة هي أنه عندما تتحرك الكتلة أو تتغير، يجب أن ينتج ذلك اهتزازات ثقالية في نسيج الزمكان، تبعاً لقول آينشتاين. مشكلتنا هي أن حجم وتأثير الموجات الثقالية صغير بشكلٍ لا يصدق. ولذلك، فنحن بحاجة إلى العثور على أكثر الأحداث كارثيةً في الكون، إذا كنّا نأمل في رصدها.
إن ما نبحث عنه هو أحداث بعظم انفجار سوبرنوفا غير متماثلة، أو دوران ثقبين أسودين فائقي الكتلة حول بعضهما، أو لقاء يشمل عائلة "الغالاكتوس"[1](Galactus).
أكثر المحاولات جديةً للكشف عن الموجات الثقالية، هي مرصد الموجات الثقالية بواسطة التداخل الليزري (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)، أو اختصاراً كاشف ليجو (LIGO)، في الولايات المتحدة الأمريكية. لهذا المرصد مرفقين تفصل بينهما مسافة 3000 كم. كلاهما يترقب بعناية مرور أي موجات ثقالية بواسطة حساب الوقت الذي تستغرقه النبضات الليزرية لترتدّ داخل فراغ محكم طوله 4 كيلومترات.
إذا ما رُصِدت موجة ثقالية، يستخدم المرصدين عملية التثليث (triangulation) لتحديد حجمها واتّجاهها. على الأقل، كانت هذه هي الخطة في الفترة بين 2002 و2010. لكن المشكلة هي أن المرصد لم يكشف عن أي موجات ثقالية طوال مدة عمله.
مرفق هانفورد الخاص بمرصد الموجات الثقالية بواسطة ليزر قياس التداخل -تمتد كل ذراع على أربعة كيلومترات. المصدر: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
لكن مهلاً، هذه وظيفةٌ للعلم. ولم يقهر هذا العلماء، بل أعادوا -بعيونٍ فولاذية- بناء الجهاز وتحسين حساسيته عشر مرات، بحيث ستبدأ جولة الرصد التالية في عام 2015.
لقد اقترح العلماء وضع معدات في الفضاء تستطيع توفير حساسية أكثر وزيادة فرص الكشف عن الموجات الثقالية. يفترض علماء الفيزياء أن المسألة هي مسألة وقتٍ فقط حتى يُكشف عن موجاتٍ ثقالية، فلا يراهن ضد آينشتاين إلا أحمق. حسناً، هذا بالإضافة إلى أنه قد تم الكشف عن الموجات الثقالية بالفعل... بشكلٍ غير مباشر.
فمن خلال ملاحظة انفجارات الطاقة العادية للغاية والتي تصدر عن النجوم النابضة، تتبع علماء الفلك بالضبط مدى سرعتها لإطلاق إشعاعات طاقتها بفعل الموجات الثقالية. حتى الآن، تطابقت كل الملاحظات تماماً مع توقعات النسبية، فقط لم نكشف هذه الموجات الثقالية بشكلٍ مباشر بعد.
إذن، فالأخبار جيدة! ولو افترضنا أن علماء الفيزياء وآينشتاين على حقّ، قد نَشهَد الكشف عن الموجة الثقالية في العقود القليلة المقبلة، لنختتم بذلك سلسلةً من التوقعات حول مدى الغرابة التي يتصرف بها كوننا.
أنيقة ولكنها مراوغة. محاكاة لثقوب سوداء مندمجة تُظهر الموجات الثقالية.
مصدر الصورة: NASA/ESA/wikimedia
في العام الماضي، قدم العلماء القائمون على تجربة تلسكوب "تصوير الخلفية الكونية للاستقطاب في المنظومات خارج المجرات" (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)، أو اختصاراً (BICEP2)، ادعاءً استثنائياً مفاده أنهم رصدوا الموجات الثقالية (gravitational waves)، وهي عبارة عن تموجات (ripples) في الزمكان.
وقد استُقبل هذا الادعاء، بداية، بالترحيب باعتباره أهم اكتشافات القرن غير المسبوقة، ليثبُتَ لاحقاً أن الأمر كان إنذاراً خاطئاً: إذ أن الإشارة المُلتقطة كانت مجرد غبار مجري.
فهل من المرجح أن نجد الموجات الثقالية يوماً ما؟ وهل حقاً ستقدم هذه الموجات دليلاً غير قابل للنقض على الانفجار العظيم؟ فيما يلي خمس خرافات ومفاهيم خاطئة شائعة عن موجات الثقالية.
1/الانتكاسات هي فقط نتيجة مشاكل التسنين (teething) ربما بدا الأمر وكأن البحث عن الموجات الثقالية قد بدأ للتو، لكنه في الواقع مستمر منذ عقود دون نجاح. الموجات الثقالية هي اضطرابات تذبذبية (pulsating perturbations) أو "تموجات" تحدث في نسيج الزمكان مع حركة جسم ضخم عبره. ومع انتشارها، فإنها تمدد الأجسام وتسحقها، وإن كان ذلك على النطاق دون الذري. ولذلك، يحاول العلماء إثبات وجود الموجات الثقالية من خلال النظر في كيفية تأثُر الأجسام القريبة.
صورة متحركة: موجة ثقالية عابرة تُمدد وتسحق الأجسام في طريقها. مصدر الصورة: Wikimedia
2/في العام 1968، ادعى عالم الفيزياء الأمريكي جوزيف ويبر Joseph Weber أنه رصد موجات ثقالية بهذه الطريقة، باستخدام كاشف حصري (esoteric detector) يتكون من أسطوانات هائلة من الألمنيوم. وللأسف، ثبت عدم صحة هذا الادعاء لاحقاً. في الوقت الراهن، يفضل العلماء استخدام مقياس التداخل الليزريّ (laser interferometry) في البحث عن الموجات الثقالية. وهو يعمل عن طريق تقسيم شعاع الليزر في اتجاهين متعامدين وإرسال كل منهما أسفل نفق فراغي طويل (vacuum tunnel). بعد ذلك يُعكس المساران مرة أخرى بواسطة المرايا إلى النقطة التي بدءا منها، حيث يوجد الكاشف. إذا تشوشت الموجات وهي في طريقها بواسطة الموجات الثقالية، فستختلف الحُزم التي أُعيدَ تجميعها عن الأصل. تمتلك مقاييس التداخل الأرضي (ground-based interferometers)، مثل مرصد مقياس التداخل الليزري للموجات الثقالية (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) أو اختصاراً (LIGO)، أذرع يبلغ طولها ما يقارب أربعة كيلومترات. أما مقاييس التداخل الفضائية (space-based interferometers)، مثل مرصد ديسي-هيرتز لقياس التداخل الليزري (Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory) أو اختصاراً (DECIGO)، وهوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي المتقدم (Laser Interferometer Space Antenna) أو اختصاراً (eLISA)، فتستخدم أذرع ليزرية تمتد إلى ما يقارب المليون كيلومتراً. ومن المتوقع أن تطلق هذه التجارب خلال العقد المقبل، مع قرب إطلاق بعثة الـ "باثفايندر" (Pathfinder) التابعة لـ eLISA.
3/تأتي الموجات الثقالية من الكون المبكر في الواقع، إن أقوى مصادر الموجات الثقالية هي العمليات الفيزيائية الفلكية (astrophysical)، والتي تحدث طوال الوقت. إن المصدر الأكثر هيمنة، من بين هذه المصادر، هو دوران أزواج الأقزام البيضاء (white dwarfs) أو الثقوب السوداء، ما يسمى "النظم الثنائية" (binary systems). ويعتقد أن هذه الأزواج تفقد الطاقة تدريجياً عن طريق إطلاق الموجات الثقالية. وقد ثبُت ذلك من خلال اكتشاف النجم النابض هالس-تايلور (Hulse-Taylor pulsar) الشهير في العام 1974. إذ قدم هذا النجم النابض دليلاً غير مباشر على الموجات الثقالية، بينما كان يفقد طاقته وفق المعدل الذي تنبأت به نظرية النسبية العامة (لم تُشاهد الموجات نفسها). إلا أن العلماء ما زالوا يبحثون عن الموجات الثقالية التي ولدت بعد ولادة الكون بفترة قصيرة، والتي تسمّى بالموجات الثقالية البدائية (primordial)، وهي أكثر مراوغة بكثير.
4/سيتمكن مرصد BICEP2 من "رؤية" الموجات الثقالية يوماً ما لقد تمثل أحد أهداف مرصد BICEP2 بمحاولة رصد سمة الموجات الثقالية البدائية مطبوعة في درجة حرارة الخلفية الكونية الميكروية (cosmic microwave background) أو اختصاراً (CMB). يحتوي هذا الإشعاع على الضوء الذي بزغ للمرة الأولى من حساء الجسيمات الأولية، وذلك عندما كان عمر الكون فقط 300,000 سنة، وذلك قبل ولادة النجوم الأولى بوقت طويل.
الخلفية الكونية الميكروية، كما قيست بواسطة القمر الصناعي بلانك (Planck satellite). مصدر الصورة: ESA/Planck Collaboration
5/عندما تهتز موجات الضوء في اتجاه معين، نقول إنها ذات استقطاب (polarisation) معين. وإذا كانت الموجات الثقالية موجودة في الوقت الذي ولدت فيه الـ CMB، فينبغي أن تترك وراءها نمطاً دوّامياً (swirly) فريداً من نوعه -تموج في استقطاب الضوء - يُسمى بالأنماط-B-modes) B). ولذلك، فإن الأنماط-B ما هي إلا أدلة غير مباشرة فقط على الموجات الثقالية. وهذه نقطة مهمة: فالتجارب، من مثلBICEP2، لن تستطيع مشاهدة الموجات الثقالية نفسها، بل فقط البصمات التي تتركها وراءها. وحتى إزالة الغبار عن هذه البصمات ليس بالأمر السهل. فأنماط-B عادة ما تَحتجِبُ بإشارات أقوى بكثير من انبعاثات الغبار ومن تأثير ما يسمى "التعديس الثقالي" (gravitational lensing)، الذي يمزج بين أنواع مختلفة من أنماط الاستقطاب. إن عزل هذا التأثير، وغيره من الشوائب، هو من أكثر المهام حساسية، وغالباً ما يعتمد على نتائج من تجارب أخرى. سوف تعَالجُ هذه المشكلة المعقدة بواسطة الجيل القادم من الـ BICEP -من أمثال تجارب تلسكوب أتاكاما الكوني (Atacama Cosmology Telescope) أو اختصاراً (ACT) وخليفته الـ AdvACT، المخطط له. وسوف تتمكن هذه التجارب من قياس الـ CMB وفق مقاييس خارج متناول بلانك، وسوف تكون قد تعلمت دروساً قيمة من تجارب الـBICEP في نمذجة الغبار والشوائب الأخرى. وتبدو آفاق الكشف عن نمط-B واعدة جداً. يعتقد البعض أن مقاييس التداخل الفضائية قد تتمكن من الكشف عن الموجات البدائية، وربما كان ذلك بواسطة طرح الموجات التي رُصدَ تولدها عن العمليات الفيزيائية الفلكية المعروفة.
6/ستُثبت الموجات الثقالية نظرية الانفجار العظيم لم يكن الانفجار العظيم هو أقدم مصدر للموجات الثقالية، بل هو التضخم الكوني (cosmological inflation): وهي الفترة التي مر فيها الكون بومضة قصيرة من التوسع الهائل بعد الانفجار الكبير. والموجات الثقالية، التي ادعت تجربة BICEP2 رصدها، هي نتيجة ثانوية لهذا الاندفاع من التوسع المتسارع للكون. وهذا وفقاً لنظرية النسبية العامة، التي تنبأت بأن الجسم المُسرع يبعث موجات ثقالية (على غرار الطريقة التي تبعث بها الشحنة المسرعة الموجات الكهرومغناطيسية). يُعتبر حالياً بأن التضخم هو النموذج الرائد للكون المبكر. وفي حين أنه قد تم إثبات تنبؤات رئيسية كثيرة عن التضخم، إلا أن التنبؤ الخاص بوجود الموجات الثقالية البدائية ما زال صعب المنال. وإذا ما رُصدت، فإنها ستخبرنا مباشرة عن مقياس الطاقة الذي حدث التضخم عنده، مما سيقربنا إلى فهم الانفجار العظيم. لكنها لن تُثبِت الانفجار العظيم، الذي يمثل فرادة رياضية ما زلنا بحاجة لفهمها.
7/إننا بحاجة لتجربة واحدة فقط لرصدها
سيتطلب الحصول على دليل إحصائي قوي على الموجات الثقالية أكثر من تجربة واحدة بالتأكيد. فالموجات الثقالية، مثلها مثل الموجات الضوئية، تأتي في طيف من الترددات. وكلتا تقنيتي الرصد (أنماط-B وقياس التداخل ليزري) تبحثان عن موجات بترددات مختلفة -بفارق قدره 15 رتبة حجم.
تتنبأ أبسط نظريات التضخم بخلفية للموجات الثقالية البدائية ذات طيف معين من التردد، وبعبارة أخرى، نحن نعرف ما هو المدى الذي يجب أن يكون عليه كل تردد. لذا، إذا ما تمكن العلماء من رصد الموجات الثقالية على اثنين من هذه الترددات المختلفة جداً، فإن هذا سيكون دليلاً قوياً على التضخم يصعب رفضه حتى من قبل أكثر المشككين تشدداً.
إذاً، هل هذا البحث مُجدٍ؟
ليس من المرجح كثيراً أن يتمكن الجيل الأول من مقاييس التداخل الفضائية من إحراز الحساسية المطلوبة لرصد الموجات الثقالية البدائية. كما أن الشكل الدقيق لهذه الإشارات غير معروف، وربما كان، من حيث المبدأ، بعيداً عن متناول أي من مقاييس التداخل المستقبلية.
على الرغم ذلك، إذا تمكنا من رصد الموجات الثقالية الفيزيائية الفلكية مباشرة، فإن هذا من شأنه أن يفتح سبلاً جديدة لاختبار صحة نظرية أينشتاين للنسبية العامة، التي تستخدم لوصف التثاقل (gravitation) في الفيزياء الحديثة. وهذه النظرية، والتي كانت موضع التساؤل في السنوات الأخيرة، هي التي تتنبأ بوجود الموجات الثقالية.
كما أنه من شأن رصد هذه الموجات أيضاً أن يوفر استبصارات جديدة عن تطور النجوم والمجرات والثقوب السوداء، والتي لن نحصل عليها بأي طريقة أخرى.
cosmic microwave background ( إشعاع الخلفية الكونية الميكروي):
أو اختصاراً CMB، وهو الإشعاع الحراري الذي خلفه ورائه الانفجار العظيم، وهي موجودة في كل الاتجاهات بالكثافة نفسها، وتعادل درجة حرارة 2.725 درجة كلفن.
gravitational lensing ( المفعول العدسي التثاقلي):
المفعول العدسي التثاقلي: يُشير إلى توزع مادة (مثل العناقيد المجرية) موجودة بين مصدر بعيد والراصد، وهذه المادة قادرة على حرف الضوء القادم من المصدر أثناء تحركه نحو الراصد. ويُترجم أحياناً بالتعديس الثقالي أيضاً.
gravitational waves ( الأمواج الثقالية):
عبارة عن تموجات في الزمكان، نشأت عن حركة الأجسام في الكون. أكثر المصادر التي تُنتج مثل هذه الأمواج، هي النجوم النترونية الدوارة، والثقوب السوداء الموجودة خلال عمليات الاندماج، والنجوم المنهارة. يُعتقد أيضاً بأن الأمواج الثقالية نتجت أيضاً عن الانفجار العظيم.
Interferometry ( قياس التداخل):
التداخل: يعود أصل هذه الكلمة بشكلٍ أساسي إلى ظاهرة تداخل فيزو المسماة نسبةً إلى عالم الفيزياء الفرنسي هيبوليت فيزو (Hippolyte Fizeau) الذي اقترح استخدام التداخل لقياس أحجام النجوم. الفكرة بسيطة جداً: خذ الضوء القادم إلى جميع تلسكوباتك وقم بإسقاط هذه الأضواء على سلسلة من المرايا المرتبة بشكلٍ جيد بحيث تكون جميعها موجودة في نفس مستوي الصورة وكأن المرايا جزء من مرآة وحيدة ضخمة. إذا ما تمَّ القيام بذلك بطريقة تسمح بوصول أضواء التلسكوبات المختلفة إلى نفس مستوي الصورة وفي الوقت ذاته، تُنتج حزمة أضواء التلسكوبات هذه تابع الانتشار النقطي (PSF) الذي يُمثل تحويل فورييه لفتحات التلسكوبات مجتمعةً. وباختصار هي تقنية يستخدمها علماء الفلك للحصول على دقة تلسكوب عملاق بالاعتماد على مجموعة من التلسكوبات الصغيرة.
interferometer ( مقياس التداخل):
عبارة عن أداة تقوم بقياس التداخل (Interferometry)
Extragalactic ( خارج المجرة):
ما يقع خارج، أو خلف مجرتنا.
Polarisation ( الاستقطاب):
هو اتجاه الاهتزازات الموجودة في مستوي عمودي على مستوي انتشار الموجة، ومن الممكن أن يتكرر هذا المصطلح في العديد من المجالات الأخرى.
الأمواج الثقالية (gravitational waves) هي واحدة من أعظم تنبؤات النظرية النسبية العامة لأينشتاين، ففي النظرية النسبية العامة تُفسَّر الجاذبية من خلال انحناء الزمكان، حيث تعمل الأجسام الكبيرة على ثني الزمكان، بينما يملي انحناء الزمكان على الأجسام الكبيرة كيفية تحركها، وبذلك يكون تأثير الزمكان هو ما نسميه بالجاذبية.
هناك جهود مستمرة للكشف عن الأمواج الثقالية باستخدام مقاييس التداخل في الأرض والفضاء ومن خلال التوقيت الدقيق للنجوم النابضة. ومن المتوقع أن يتم الكشف عنها للمرة الأولى خلال السنوات القليلة القادمة، ومن شأن هذه الأرصاد أن تغير فهمنا للفيزياء الفلكية، والكونيات، والفيزياء الأساسية. ويشارك أعضاء مجموعة الجاذبية في معهد الفلك في جميع جوانب هذا العمل المتعلق باكتشاف الأمواج الثقالية، بما في ذلك مصادر النمذجة، وتحليل البيانات، واستكشاف الاستثمار العلمي للبيانات.
ما هي الأمواج الثقالية؟
إن التشبيه الأكثر شيوعاً لوصف الجاذبية في الصورة التي اقترحها أينشتاين هي تصور الزمكان بوصفه ورقة مطاطية مسطحة. فإذا ما دحرجنا كرة الطاولة فوق ورقة فهي ستتحرك بخط مستقيم، تماماً مثل أي شيء يتحرك بخط مستقيم في غياب الجاذبية. أما إذا وضعنا كرة البولينغ في وسط الورقة فإن الورقة ستتمطط، وهذا هو انحناء الزمكان بسبب الجاذبية. إذا دحرجنا كرة الطاولة مرة أخرى عبر الورقة فإنها الآن ستتبع المسار المنحني، أي أنها ستنجذب نحو كرة البولينغ بسبب جاذبيتها.
تدور الأرض حول الشمس بسبب انحناء الزمكان. المصدر: قناة WGBH، بوسطن.
عندما تتحرك الأجسام الثقيلة فيتوجب أن يتغير انحناء الزمكان لمتابعة مواقعها الجديدة. ويحتاج الزمكان وقتاً لذلك، حيث لا يمكن للمعلومات أن تنتقل بأسرع من سرعة الضوء. ولذلك فإن التموجات في الزمكان تشبه التموجات التي تظهر على سطح بركة عند تحريك السطح، وهذه التموجات في الزمكان هي الأمواج الثقالية.
ويعتبر الإشعاع أو الضوء الكهرطيسي EM من الأشكال المألوفة أكثر للموجات. وتمثل الأمواج الكهرطيسية ذبذبات في المجالين الكهربائي والمغناطيسي، في حين أن الأمواج الثقالية تنتج عن تذبذبات في الزمكان. وتنشأ الأمواج الكهرطيسية من الشحنات المتسارعة، بينما تنشأ الأمواج الثقالية من الكتل المتسارعة. وفي الأمواج الثقالية نحتاج كذلك إلى انعدام التناظر في النظام لإنتاج الإشعاع، فمثلاً نحتاج إلى نظام ثنائي وليس فقط لجسم أحادي "عديم الدوران"، ويمكن اعتبار ذلك نتيجة للحفاظ على الزخم.
توفر الأمواج الثقالية فرصة لاستكشاف فريد من نوعه لأكثر الأنظمة تطرفاً في الكون، ابتداءً بنشأة الثقوب السوداء فائقة الكتلة المندمجة، إلى النجوم المزدوجة التي تدور بسرعة تقرب من سرعة الضوء، وحتى الانفجار العظيم نفسه. إلا أن التحدي في علم الفلك الخاص بالأمواج الثقالية يكمن في رصد الموجات، ومن ثم فك شيفرة الإشارات لاستخراج المعلومات التي تحتويها.
المصادر الفيزيائية الفلكية للأمواج الثقالية
تتولد الأمواج الثقالية عن مجموعة واسعة من الظواهر، وكل واحدة منها يمكن أن تخبرنا بشيء مثير عن الكون:
الثنائيات المجرّية المُندمجة (galactic compact binaries): تتألف الثنائيات المُندمجة على الأقل من قزم أبيض أو نجم نيوتروني يدور جانب رفيقه. وتعتبر مثل هذه المصادر شائعة للغاية في المجرة لدرجة أن بإمكانها أن تبدأ بتشكيل خلفية صاخبة. وسيساعدنا رصد هذه المصادر على فهم نماذج التجمعات النجمية وتطور النجوم. ويجب على بعض الثنائيات النجمية المعروفة بثنائيات التحقق (verification binaries) أن تكون قابلة للكشف في غضون ساعات قليلة من تشغيل جهاز رصد محمول على متن مركبة فضائية، وستسمح لنا باختبار عمله. تقترب النجوم الموجودة في الأنظمة الثنائية من بعضها البعض ببطء وبشكل حلزوني، بينما تحمل الأمواج الثقالية معها الطاقة والزخم. وفي النهاية يندمج الجسمان معاً. ويعتبر الجرم الناتج عن اندماج نجم نيوتروني مع نجم نيوتروني آخر مرشحاً محتملاً لإصدار نفثات أشعة غاما القصيرة، وهي من الظواهر الأكثر إصداراً للطاقة في الكون.
رسم تخيلي لنفثات أشعة غاما. المصدر: ناسا
الثقوب السوداء المندمجة (black hole mergers): يشكل الاندماج أحد الطرق التي تتطور بها المجرات. وتشير الدلائل إلى أن الثقب الأسود فائق الكتلة، وهو ثقب أسود تفوق كتلته كتلة الشمس بملايين المرات، يتواجد في مراكز معظم المجرات. وعندما تندمج مجرتان فإن الثقبين الأسودين فائقي الكتلة الموجودين في مركز كل منهما يتقاربان من بعضهما البعض بشكل حلزوني. ويعتبر الإشعاع الثقالي المنبعث عند تصادمهما أحد أكثر الأحداث صخباً في الكون. وتعتبر الطاقة المنبعثة كإشعاع ثقالي من اندماج ثقبين أسودين فائقي الكتلة أكبر من كمية ضوء جميع النجوم الموجودة في الكون المرئي. ومن شأن قياس هذه الاندماجات أن يخبرنا بالعديد من الحقائق الممتعة عن خصائص الثقوب السوداء، متيحاً لنا الفرصة لاختبار فهمنا للإشعاع الثقالي، وكذلك تحسين فهمنا لتطور المجرة.
الدوامات فائقة نسبة الكتلة (extreme - mass-ratio - inspirals): قد تتحرك البقايا النجمية الموجودة في قلب المجرات، مثل الأقزام البيضاء، والنجوم النيوترونية، والثقوب السوداء، باتجاه الثقوب السوداء فائقة الكتلة الموجودة في مركز المجرة نتيجة للطرد الناجم عن أجسام أخرى. وإذا ما اقتربت بشكل كافٍ فهي ستبدأ بالدوران الحلزوني بحيث تتقلص مداراتها نظراً لفقدان كل من الطاقة والزخم الزاوي الذي تأخذه الأمواج الثقالية بعيداً. وتُعرف هذه الظاهرة بالدوامات فائقة نسبة الكتلة نظراً للفارق الكبير بين كتلة الثقوب السوداء فائقة الكتلة والأجرام التي تدور حولها على طريق الاندماج بها. وتكون هذه الدوامة بطيئة، ما يعني أنك تستطيع مشاهدة الأمواج الثقالية التي تنبعث أثناء مئات الآلاف من الدورات. ويسمح ذلك لنا ببناء صورة مفصلة للغاية للزمكان حول الثقوب السوداء فائقة الكتلة. وستمسح لنا مثل هذه الأحداث بتطبيق الفيزياء الأساسية من خلال التحقق بدقة من الحقل الثقالي القوي حول الثقوب السوداء فائقة الكتلة. وإذا ما أجرينا أرصاداً كافية فسنصبح قادرين على معرفة المزيد عن الأنظمة النجمية في مركز المجرات.
رسم تخيلي للزمكان في الدوامات فائقة نسبة الكتلة: ثقب أسود صغير يدور حول يدور حول ثقب أسود فائق الكتلة. المصدر: ناسا.
الانفجار العظيم (the Big Bang): خضع الكون في المراحل الأولى من عمره لفترة من الاتساع السريع للغاية. وقد اتسعت التقلبات الصغيرة في الزمكان إلى حدٍ كبير خلال هذه الفترة بحيث ما زالت موجودة إلى اليوم، وتُعرف باسم خلفية الأمواج الثقالية. ويمكن الكشف عن هذا من خلال دراسة أنماط الاستقطاب في الخلفية الاشعاعية الكونية من الموجات الميكروية (CMB). ومن غير المحتمل أن نصبح قادرين على قياس هذه الخلفية بالأدوات المتوفرة حالياً، رغم أن ذلك ليس مستحيلاً. ومع ذلك فإن إمكانية الكشف عن هذه الموجات ستسمح لنا بفهمٍ أفضل للآلية التي قادت التوسع الأولي للكون واستكشاف الطاقة الفيزيائية العالية جداً. وستسمح خلفية الأمواج الثقالية لنا باستكشاف الماضي حتى لحظة الانفجار الأعظم، أي أكثر بكثير مما يمكن أن نراه باستخدام الإشعاع الكهرطيسي.
محاكاة للخلفية الإشعاعية للكون كما تم قياسها بواسطة بلانك. المصدر: وكالة الفضاء الأوروبية.
تحولات الطور (phase transitions): مر الكون خلال تطوره من حالته الأولية في عدد من الأطوار التي يمكن أن تترافق مع كسر التناظر أو فصل اقتران القوى. ويمكن لهذه التحولات أن تؤدي إلى تشكل عدة أنواع من الإشعاعات الثقالية. وقياساً على ذلك لنتخيل تبريد المياه إلى أن تبدأ بالتحول إلى جليد، فهذا الوضع هو تحول في الطور. يبدأ الجليد بالتشكل كبلورات صغيرة تنمو باتجاه الخرج. ويمكن للأمر نفسه أن يحدث في الكون، حيث تخضع الجيوب الصغيرة لعملية تحول وتتوسع نحو الخارج كفقاعة. وفي أنواع معينة من التحولات تنبعث الأمواج الثقالية عندما تصطدم الفقاعات، بينما تنشأ العيوب الطوبوغرافية في حالات أخرى بعد التحول. وللتشبيه فإن القياس يكون ممكناً حين تنمو بلورتان من الجليد معاً، ولكن دون أن تكونا متراصفتين بشكل كامل، وبذلك تكون هناك حدود واضحة، خلل، أو جدار مجال.
هنالك نموذجان من العيوب الطوبوغرافية بالنسبة للزمكان، وهي الأوتار الكونية و جدران المجال: الأولى هي أوتار أحادية البعد من الطول الكوني، أما الثانية فهي ثنائية الأبعاد. يتوقع أن تكون مثل هذه العيوب نادرة، وذلك لأنها قد تضعف في الفضاء بفعل توسع الكون. إلا أنها تبدي إشارة فريدة للأمواج الثقالية، والذي يجعلها يسهلة الكشف. ومن شأن الكشف عنها بهذه الطريقة أن يشكل اكتشافاً مثيراً للفيزياء الغريبة.
محاكاة عددية لشبكة من الأوتار الكونية. عندما تتقاطع هذه الأوتار فهي تصبح قطعاً صغيرة من الحلقات التي تضمحل مع إصدارها لموجات ثقالية. Credit: Allen & Shellard (1990).
الكشف عن الأمواج الثقالية
لا نمتلك حتى الآن إلا أدلة غير مباشرة على وجود الأمواج الثقالية. وفي حين أننا لم نر الموجات بحد ذاتها، إلا أننا استطعنا قياس الطاقة والزخم الزاوي اللذين تحملهما معها. وقد رصدنا عدداً من النوابض الثنائية، فالنابض هو نجم نيوتروني، نجم ميت كان قد انهار حتى وصل إلى حالة من الكثافة العالية، وهو يرسل إشارة دورية "يتم رصدها كنبضة". تعتبر هذه الإشارات فائقة الانتظام، بل إن النوابض تعتبر في الواقع من أفضل الساعات في الطبيعة، الأمر الذي يسمح بقياس حركتها بمنتهى الدقة. والنوابض الثنائية هي أنظمة يدور فيها نجم نابض حول رفيقه، والذي يمكن أن يكون قزماً أبيض أو نجماً نيوترونياً (أو حتى نابض آخر). وقد كنا محظوظين بالعثور على مثل هذه الأنظمة الرائعة. ففي عام 1974 قام كل من رسل هالس (Russel A. Aulse) وجوزيف تايلور (Joseph H. Taylor) برصد أول ثنائي معروف من النوابض. وقد وجدا أن الفترات المدارية تتغير مع الوقت، وهذا التغير يتفق تماماً مع تنبؤات النسبية العامة فيما يتعلق بفقدان الطاقة والزخم الزاوي بسبب انبعاث الأمواج الثقالية! وقد حصل هالس وتايلور على جائزة نوبل للفيزياء في عام 1993 لتوصلهما إلى هذه النتيجة الرائعة.
الاضمحلال المداري لأحد نوابض هالس-تايلور الثنائية (PSR B1913+16). تمثل النقاط القيم المُقاسة، بينما يمثل المنحني التنبؤ النظري بالأمواج الثقالية. المصدر: وايزبيرغ وتايلور (2005).
يعمل جمع غفير من العلماء والمهندسين حول العالم حالياً لتحقيق أول كشف مباشر للموجات الثقالية. ولرؤية تأثير موجة ثقالية عابرة تخيل أن لديك حلقة من الجسيمات تقع في مستوى ما، وعندما تمر الموجة عبر الحلقة فهي تتمطط وتنضغط، على الرغم من أن المنطقة المغلقة تبقى كما هي. وتعمل الكواشف من خلال محاولة قياس اختلافات الطول عبر الكاشف لدى مرور الموجة. وتكون التغيرات الجزئية في الطول ضئيلة، فهي تعادل جزءاً واحداً من 1021، ولذلك فإن القياسات تكون صعبة للغاية. ويعد ذلك بمثابة محاولة قياس المسافة بين الأرض والشمس بدقة حجم ذرة الهيدروجين!
تأثيرات اثنتين من الموجات الثقالية المُستقطبة، على شكل زائد (+) وإكس (×)، على حلقة من الجسيمات، حيث أن الموجة قد تسافر خارج الشاشة.
وتماماً كما هو الحال مع الإشعاع الكهرطيسي، فإن الأمواج الثقالية تكون محصورة في مجال معين من الترددات. ويتم تحديد التردد وفق مقياس النظام الذي يُنتج الإشعاع. ويمكن ملاحظة الأجزاء المختلفة من الطيف باستخدام كاشفات مختلفة.
رسم توضيحي لطيف الأمواج الثقالية ومصادرها والكواشف. المصدر: ناسا.
نظام التردد المنخفض للغاية (extremely low frequency regime - ELF): يمتلك الإشعاع الثقالي الأقل تردداً أطوالاً موجية تقارب حجم الكون. ويمكن الكشف عنها باستخدام أدوات معينة مثل قمر بلانك الصناعي الذي يرصد استقطاب موجات الخلفية الإشعاعية للكون. ويرمز للإشعاع الثقالي بالاستقطاب في الطور B. هذا وستعلن شركة بلانك عن قياساتها الأولى في عام 2013.
نظام التردد المنخفض جداً (very low frequency regime - VLF): يمكن قياس الإشعاع الثقالي الذي تقارب فترته عدة سنوات من خلال الأرصاد المتأنية والدقيقة لشبكة من النجوم النابضة التي تبلغ دورتها جزءاً من الألف من الثانية. وتستفيد صفائف توقيت النجوم النابضة (pulsar timing arrays) من الانتظام الفائق في الإشارات التي تصدر عن النجوم النابضة. وتشير التبدلات الدورية في مواعيد وصول إشارات النجوم النابضة إلى تشوه الزمكان بين الأرض والنوابض عند مرور موجة ثقالية. ولعل استخدام العديد من النوابض معاً سيتيح لنا المجال لتحديد الإشارة بدقة.
هناك العديد من المجموعات التي تراقب النوابض حالياً: وهي المصفوفة الأوروبية لتوقيت النوابض (EPTA)، والمرصد الأمريكي الشمالي للموجات الثقالية النانوية (NANOGrav)، ومصفوفة باركس لتوقيت النوابض (PPTA) في أستراليا. ويطلق على هذه المجموعات مجتمعة اسم المصفوفة الدولية لتوقيت النوابض (IPTA). وحيث أن البحث عن الأمواج الثقالية يتم على امتداد فترات تصل إلى سنوات، فإن الكشف عنها يتطلب سنوات من الرصد. ونرجو أن يتم تحقيق هذا الكشف في وقت قريب. وستتحسن قدرتنا على مراقبة النوابض بشكل كبير بعد اكتمال مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA)، والتي تُعد أكبر تلسكوب راديوي في العالم.
رسم تخيلي لصفيف من الإشعاعات المنبعثة من النجوم النابضة، وحين يدور النابض فهي تؤدي إلى حدوث تأثير المنارة المميز. تؤدي خلفية الأمواج الثقالية إلى تشوه الزمكان بين النجم النابض والأرض، والتي يمكن تسجيلها كتغير في الأوقات المتوقعة لوصول النبض. المصدر: David Champion
نظام التردد المنخفض (low frequency regime - LF): يمكن رصد العديد من المصادر المثيرة للاهتمام باستخدام الكواشف الموجود على متن المركبات الفضائية. إن التصميم المفضل لمثل هذه الكواشف هو هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA). لا يتم حالياً تمويل مهمات مماثلة، وبذلك لم يتم حتى الآن تحديد الترتيبات بشكل دقيق. ويجب إثبات كفاءة التقنيات اللازمة لإجراء مثل هذه القياسات الدقيقة في الفضاء بواسطة مُستكشفLISA، والذي تم إطلاقه في عام 2014. ونأمل أن تتبعه المهمة الرسمية قريباً.
نظام التردد العالي (high frequency regime - HF): قد تقدم الكواشف الأرضية أول كشف مباشر للأمواج الثقالية. ويتم حالياً تطوير شبكة عالمية من كواشف الموجات الثقالية. فهنالك مرصد التداخل الليزري للأمواج الثقالية (LIGO) وهو مكون من عدة كواشف يقع أحدها في ليفينغستون-لويزيانا واثنان منها في هانفورد-واشنطن. يمتلك كل كاشف أذرعاً طولها أربعة كيلومترات. ويجري حالياً ترقية هذه الكواشف للمرصد الليزري المتقدم، والذي يتوجب أن يمتلك الحساسية اللازمة للقيام بالكشوفات الأولى. ومن المفترض أنه قد أصبح جاهزاً للعمل في عام 2014. هناك أيضاً خطط لوضع أحد كواشف هانفورد في موقع في الهند "مرصد LIGO في الهند"، حيث أن الحصول على موقع للرصد في نصف الكرة الأرضية الجنوبي سيطور قدرتنا كثيراً في تحديد مصادر الأمواج الثقالية.
كما يتعاون مرصد فيرغو Virgo الفرنسي - الإيطالي مع مرصد LIGO، وهو يقع بالقرب من بيزا في المرصد الأوروبي للثقالة (EGO). وVirgo هو أصغر قليلاً من الراصد LIGO حيث يبلغ طول ذراعه ثلاثة كيلومترات فقط. كما نذكر المرصد البريطاني الألماني GEO600 في أوروبا، وهو كاشف أصغر بكثير يُستخدم بالدرجة الأولى لتطوير تقنيات حديثة للكواشف الأكبر. تقوم اليابان كذلك ببناء كاشف تحت الأرض في منجم كاميوكا وسيدعى باسم KAGRA. وسيكون الكاشف رائداً في التبريد الفائق، بالإضافة إلى عدة تقنيات أخرى، من أجل تعزيز أدائها، وكان يُعرف سابقاً باسم تلسكوب الأمواج الثقالية المبرد واسع النطاق (LCGT). وينبغي أن يدخل في الخدمة في عام 2018.
gravitational waves ( الأمواج الثقالية):
عبارة عن تموجات في الزمكان، نشأت عن حركة الأجسام في الكون.
أكثر المصادر التي تُنتج مثل هذه الأمواج، هي النجوم النترونية الدوارة، والثقوب السوداء الموجودة خلال عمليات الاندماج، والنجوم المنهارة.
يُعتقد أيضاً بأن الأمواج الثقالية نتجت أيضاً عن الانفجار العظيم.
