، الولايات المتحدة الأمريكية
© رويترز، نشرة

تم اكتشاف موجات الجاذبية أخيرًا

العلوم الشعبية

تم اكتشاف التذبذبات في الزمكان بعد قرن من توقع أينشتاين لها. يبدأ عصر جديد في علم الفلك.

اكتشف العلماء تقلبات في الزمكان ناجمة عن اندماج الثقوب السوداء. حدث ذلك بعد مائة عام من توقع ألبرت أينشتاين هذه "موجات الجاذبية" في نظريته النسبية العامة، وبعد مائة عام من بدء علماء الفيزياء في البحث عنها.

تم الإعلان عن هذا الاكتشاف التاريخي اليوم من قبل باحثين من مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO). وأكدوا الشائعات التي أحاطت بتحليل المجموعة الأولى من البيانات التي جمعوها منذ أشهر. ويقول علماء الفيزياء الفلكية إن اكتشاف موجات الجاذبية يوفر رؤى جديدة للكون والقدرة على التعرف على الأحداث البعيدة التي لا يمكن رؤيتها بالتلسكوبات البصرية، ولكن يمكن الشعور بها وحتى سماعها عندما تصل اهتزازاتها الخافتة إلينا عبر الفضاء.

"لقد اكتشفنا موجات الجاذبية. لقد فعلناها!" "أعلن ديفيد ريتز، المدير التنفيذي لفريق البحث المكون من 1000 شخص، اليوم في مؤتمر صحفي في واشنطن في المؤسسة الوطنية للعلوم.

ولعل موجات الجاذبية هي الظاهرة الأكثر مراوغة في تنبؤات أينشتاين، وقد ناقش العالم هذا الموضوع مع معاصريه لعقود من الزمن. ووفقا لنظريته، يشكل المكان والزمان مادة قابلة للتمدد، والتي تنحني تحت تأثير الأجسام الثقيلة. إن الشعور بالجاذبية يعني الوقوع في منحنيات هذه المادة. لكن هل يمكن لهذا الزمكان أن يرتعش مثل جلد الطبلة؟ كان آينشتاين في حيرة من أمره، ولم يكن يعرف ما تعنيه معادلاته. وغير وجهة نظره عدة مرات. ولكن حتى أشد المؤيدين لنظريته يعتقدون أن موجات الجاذبية كانت على أية حال أضعف من أن يمكن ملاحظتها. إنها تتدفق إلى الخارج بعد كوارث معينة، وأثناء تحركها، فإنها تقوم بالتناوب بتمديد وضغط الزمكان. ولكن بحلول الوقت الذي تصل فيه هذه الموجات إلى الأرض، تكون قد امتدت وضغطت كل كيلومتر من الفضاء بجزء صغير من قطر النواة الذرية.

© رويترز، مرصد Hangout LIGO في هانفورد، واشنطن

ويتطلب الكشف عن هذه الموجات الصبر والحذر. أطلق مرصد LIGO أشعة الليزر ذهابًا وإيابًا على طول أذرع كاشفين بزاوية يبلغ طولها أربعة كيلومترات (4 كيلومترات)، أحدهما في هانفورد بواشنطن، والآخر في ليفينجستون بولاية لويزيانا. وقد تم ذلك بحثًا عن التوسعات والتقلصات المتزامنة لهذه الأنظمة أثناء مرور موجات الجاذبية. وباستخدام أحدث المثبتات وأدوات التفريغ وآلاف أجهزة الاستشعار، قام العلماء بقياس التغيرات في طول هذه الأنظمة التي كانت صغيرة مثل جزء من الألف من حجم البروتون. لم يكن من الممكن تصور مثل هذه الحساسية للأدوات قبل مائة عام. وبدا الأمر أيضًا أمرًا لا يصدق في عام 1968، عندما ابتكر راينر فايس من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تجربة تسمى LIGO.

"إنها معجزة عظيمة أنهم نجحوا في النهاية. لقد كانوا قادرين على اكتشاف هذه الاهتزازات الصغيرة! وقال دانييل كينيفيك، عالم الفيزياء النظرية بجامعة أركنساس، الذي كتب كتابًا صدر عام 2007 بعنوان "السفر بسرعة الفكر: أينشتاين والبحث عن موجات الجاذبية".

كان هذا الاكتشاف بمثابة بداية حقبة جديدة في علم فلك موجات الجاذبية. الأمل هو أن يكون لدينا فهم أفضل لتكوين الثقوب السوداء وتكوينها ودورها المجري، وهي تلك الكرات فائقة الكثافة من الكتلة التي تحني الزمكان بشكل كبير لدرجة أنه لا يمكن حتى للضوء الهروب منها. عندما تقترب الثقوب السوداء من بعضها البعض وتندمج، فإنها تنتج إشارة نبضية، وهي تذبذبات في الزمكان تزيد في اتساعها ونبرة صوتها قبل أن تنتهي فجأة. تلك الإشارات التي يمكن للمرصد تسجيلها تقع في النطاق الصوتي، لكنها أضعف من أن تسمعها الأذن المجردة. يمكنك إعادة إنشاء هذا الصوت عن طريق تمرير أصابعك على مفاتيح البيانو. قال فايس: "ابدأ بأدنى نغمة ثم واصل طريقك حتى الأوكتاف الثالث". "هذا ما نسمعه."

وقد تفاجأ الفيزيائيون بالفعل بعدد وقوة الإشارات التي تم تسجيلها حتى الآن. وهذا يعني أن عدد الثقوب السوداء في العالم أكبر مما كان يُعتقد سابقًا. قال عالم الفيزياء الفلكية كيب ثورن، الذي يعمل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وأنشأ مرصد ليجو مع فايس ورونالد دريفر، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أيضًا: «كنا محظوظين، لكنني كنت أعتمد دائمًا على هذا النوع من الحظ». "يحدث هذا عادةً عندما تفتح نافذة جديدة تمامًا في الكون."

ومن خلال الاستماع إلى موجات الجاذبية، يمكننا تكوين أفكار مختلفة تمامًا حول الفضاء، وربما اكتشاف ظواهر كونية لا يمكن تصورها.

وقالت عالمة الفيزياء الفلكية جانا ليفين من كلية بارنارد بجامعة كولومبيا: "يمكنني مقارنة ذلك بالمرة الأولى التي وجهنا فيها تلسكوبًا إلى السماء". "أدرك الناس أن هناك شيئًا ما وأنه يمكن رؤيته، لكنهم لم يتمكنوا من التنبؤ بالمجموعة المذهلة من الاحتمالات الموجودة في الكون." وبالمثل، أشار ليفين إلى أن اكتشاف موجات الجاذبية يمكن أن يظهر أن الكون "مليء بالمادة المظلمة التي لا يمكننا اكتشافها بسهولة باستخدام التلسكوب".

بدأت قصة اكتشاف أول موجة جاذبية في صباح يوم الاثنين من شهر سبتمبر، وبدأت بضجة كبيرة. كانت الإشارة واضحة وصاخبة للغاية لدرجة أن فايس فكر: "لا، هذا هراء، ولن يحدث شيء منه".

شدة العواطف

هذا هو الاول موجة الجاذبيةتم اجتياحها عبر كاشفات مرصد LIGO المحدثة - أولاً في ليفينغستون، وبعد ذلك بسبعة ميلي ثانية في هانفورد - خلال عملية محاكاة أجريت في وقت مبكر من يوم 14 سبتمبر، أي قبل يومين من بدء جمع البيانات رسميًا.

تم اختبار أجهزة الكشف بعد ترقية استمرت خمس سنوات بتكلفة 200 مليون دولار. لقد تم تجهيزها بتعليقات مرايا جديدة لتقليل الضوضاء ونظام تعليق نشط تعليقلقمع الاهتزازات الدخيلة في الوقت الحقيقي. وقد منحت هذه الترقية المرصد المُحسّن مستوى حساسية أعلى من مرصد LIGO القديم، الذي اكتشف بين عامي 2002 و2010 "الصفر المطلق والنقي"، على حد تعبير فايس.

وعندما وصلت الإشارة القوية في سبتمبر/أيلول، بدأ العلماء في أوروبا، حيث كان الصباح في تلك اللحظة، يقصفون على عجل زملائهم الأمريكيين برسائل انتهت. بريد إلكتروني. وعندما استيقظت بقية المجموعة، انتشر الخبر بسرعة كبيرة. وفقًا لوايس، كان الجميع تقريبًا متشككين، خاصة عندما رأوا الإشارة. لقد كان كتابًا كلاسيكيًا حقيقيًا، ولهذا السبب اعتقد بعض الناس أنه مزيف.

تم تقديم ادعاءات كاذبة في البحث عن موجات الجاذبية بشكل متكرر منذ أواخر الستينيات، عندما اعتقد جوزيف ويبر من جامعة ميريلاند أنه اكتشف اهتزازات رنانة في أسطوانة من الألومنيوم تحتوي على أجهزة استشعار استجابة للموجات. في عام 2014، تم إجراء تجربة تسمى BICEP2، وأعلنت نتائجها اكتشاف موجات الجاذبية البدائية - تذبذبات الزمكان من الانفجار الكبير، والتي امتدت الآن إلى قواعد دائمةمجمدة في هندسة الكون. وأعلن علماء فريق BICEP2 اكتشافهم وسط ضجة كبيرة، ولكن بعد ذلك خضعت نتائجهم للتحقق المستقل، وتبين خلالها أنهم كانوا مخطئين وأن الإشارة جاءت من الغبار الكوني.

عندما سمع لورانس كراوس، عالم الكونيات في جامعة ولاية أريزونا، عن اكتشاف فريق LIGO، اعتقد في البداية أنها كانت "خدعة عمياء". أثناء تشغيل المرصد القديم، تم إدخال إشارات محاكاة خلسة في تدفقات البيانات لاختبار الاستجابة، دون علم معظم أعضاء الفريق بذلك. عندما علم كراوس من مصدر مطلع أن هذه المرة لم تكن "رمية التماس العمياء"، لم يتمكن من احتواء حماسته المبهجة.

وفي 25 سبتمبر، قال لمتابعيه على تويتر البالغ عددهم 200 ألف: “تنتشر شائعات عن اكتشاف موجة جاذبية بواسطة كاشف LIGO. مذهلة إذا كان صحيحا. سأخبرك بالتفاصيل إذا لم تكن مزورة. ويلي ذلك إدخال بتاريخ 11 يناير: "لقد تم تأكيد الشائعات السابقة حول LIGO من قبل مصادر مستقلة. متابعة الأخبار. ربما تم اكتشاف موجات الجاذبية!

كان الموقف الرسمي للعلماء هو: لا تتحدث عن الإشارة المستلمة حتى يكون هناك يقين بنسبة مائة بالمائة. ثورن ، الذي كان مقيدًا يديه وقدميه بهذا الالتزام بالسرية ، لم يقل أي شيء لزوجته. وأضاف: "لقد احتفلت وحدي". في البداية، قرر العلماء العودة إلى البداية وتحليل كل شيء من قبل أصغر التفاصيللمعرفة كيفية انتشار الإشارة عبر آلاف قنوات القياس لأجهزة الكشف المختلفة، وفهم ما إذا كان هناك أي شيء غريب عند اكتشاف الإشارة. ولم يجدوا أي شيء غير عادي. كما استبعدوا أيضًا المتسللين، الذين كان لديهم أفضل معرفة بآلاف تدفقات البيانات في التجربة. وقال ثورن: "حتى عندما يقوم الفريق برميات تماس عمياء، فإنهم ليسوا مثاليين بما فيه الكفاية ويتركون الكثير من العلامات". "ولكن لم تكن هناك آثار هنا."

وفي الأسابيع التالية، سمعوا إشارة أخرى أضعف.

قام العلماء بتحليل الإشارتين الأوليين، ووصل المزيد والمزيد من الإشارات الجديدة. وقد قدموا أبحاثهم في مجلة Physical Review Letters في يناير. يتم نشر هذا العدد على الانترنت اليوم. ووفقا لتقديراتهم، فإن الأهمية الإحصائية للإشارة الأولى والأقوى تتجاوز 5 سيجما، مما يعني أن الباحثين واثقون بنسبة 99.9999% من صحتها.

الاستماع إلى الجاذبية

إن معادلات أينشتاين في النسبية العامة معقدة للغاية لدرجة أن معظم الفيزيائيين استغرقوا 40 عامًا للاتفاق على أن موجات الجاذبية موجودة بالفعل ويمكن اكتشافها، حتى من الناحية النظرية.

في البداية، اعتقد أينشتاين أن الأجسام لا يمكنها إطلاق الطاقة على شكل إشعاع الجاذبية، لكنه غير وجهة نظره بعد ذلك. في ورقته البحثية المميزة التي كتبها عام 1918، أظهر ما هي الأشياء التي يمكنها القيام بذلك: أنظمة على شكل دمبل تدور على محورين في وقت واحد، مثل الثنائيات والمستعرات الأعظمية التي تنفجر مثل الألعاب النارية. يمكنهم توليد موجات في الزمكان.

© رويترز، نشرة نموذج حاسوبي يوضح طبيعة موجات الجاذبية في النظام الشمسي

لكن آينشتاين وزملائه استمروا في التردد. وذهب بعض الفيزيائيين إلى أنه حتى لو وجدت الموجات، فإن العالم سيهتز معها، وسيكون من المستحيل الإحساس بها. لم يتمكن ريتشارد فاينمان من إنهاء هذا السؤال إلا في عام 1957 من خلال التوضيح تجربة فكريةأنه في حالة وجود موجات الجاذبية، فمن الممكن نظريًا اكتشافها. لكن لم يكن أحد يعرف مدى انتشار هذه الأنظمة على شكل الدمبل في الفضاء الخارجي، أو مدى قوة أو ضعف الموجات الناتجة. "في نهاية المطاف، كان السؤال: هل سنتمكن من العثور عليهم؟" قال كينيفيك.

في عام 1968، كان راينر فايس أستاذًا شابًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وتم تكليفه بتدريس دورة عن النسبية العامة. كونه عالمًا تجريبيًا، لم يكن يعرف سوى القليل عن ذلك، ولكن فجأة ظهرت أخبار عن اكتشاف ويبر لموجات الجاذبية. قام ويبر ببناء ثلاثة أجهزة كشف رنين بحجم مكتب من الألومنيوم ووضعها في ولايات أمريكية مختلفة. وقد ذكر الآن أن أجهزة الكشف الثلاثة جميعها اكتشفت "صوت موجات الجاذبية".

طُلب من طلاب فايس شرح طبيعة موجات الجاذبية والتعبير عن رأيهم في الرسالة. وبدراسة التفاصيل، اندهش من مدى تعقيد الحسابات الرياضية. "لم أتمكن من معرفة ما كان يفعله ويبر بحق الجحيم، وكيف تفاعلت أجهزة الاستشعار مع موجة الجاذبية. جلست لفترة طويلة وسألت نفسي: "ما هو الشيء الأكثر بدائية الذي يمكنني التوصل إليه والذي يمكنه اكتشاف موجات الجاذبية؟" وبعد ذلك خطرت ببالي فكرة أسميها الأساس المفاهيمي لـ LIGO.

تخيل ثلاثة أجسام في الزمكان، مثل المرايا الموجودة في زوايا المثلث. قال ويبر: "أرسل إشارة ضوئية من واحد إلى الآخر". "انظر كم من الوقت يستغرق الانتقال من كتلة إلى أخرى، وتحقق مما إذا كان الوقت قد تغير." واتضح، كما أشار العالم، أن هذا يمكن القيام به بسرعة. "لقد قمت بتعيين هذا لطلابي كمهمة بحثية. حرفيًا، كانت المجموعة بأكملها قادرة على إجراء هذه الحسابات.

في السنوات اللاحقة، حاول باحثون آخرون تكرار نتائج تجربة كاشف الرنين التي أجراها ويبر لكنهم فشلوا باستمرار (ليس من الواضح ما لاحظه، لكنها لم تكن موجات جاذبية)، بدأ فايس في إعداد تجربة أكثر دقة وطموحًا: تجربة الجاذبية. مقياس التداخل الموجي. ينعكس شعاع الليزر من ثلاث مرايا مثبتة على شكل حرف "L" ويشكل شعاعين. يشير الفاصل الزمني بين قمم وقيعان موجات الضوء بدقة إلى طول أرجل الحرف "L"، التي تشكل المحورين X وY للزمكان. عندما يكون المقياس ثابتًا، تنعكس موجتا الضوء من الزوايا وتلغي إحداهما الأخرى. الإشارة في الكاشف صفر. لكن إذا مرت موجة جاذبية عبر الأرض، فإنها تمتد بطول إحدى ذراعي حرف "L" وتضغط على طول الذراع الأخرى (والعكس صحيح بدوره). يؤدي عدم التطابق بين شعاعي الضوء إلى إنشاء إشارة في الكاشف، تشير إلى تقلبات طفيفة في الزمكان.

في البداية، أعرب زملاؤه الفيزيائيون عن شكوكهم، لكن التجربة سرعان ما حظيت بدعم من ثورن، الذي كان فريقه من المنظرين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يدرس الثقوب السوداء وغيرها من المصادر المحتملة لموجات الجاذبية، بالإضافة إلى الإشارات التي تولدها. استلهم ثورن تجربة فيبر والجهود المماثلة التي بذلها العلماء الروس. وقال ثورن، بعد التحدث مع فايس في مؤتمر عام 1975، "بدأت أعتقد أن اكتشاف موجات الجاذبية سيكون ناجحًا". "وأردت أن يكون معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جزءًا من ذلك أيضًا." لقد رتب للمعهد لتوظيف عالم تجريبي اسكتلندي رونالد دريفر، الذي قال أيضًا إنه سيبني مقياس تداخل موجات الجاذبية. وبمرور الوقت، بدأ ثورن ودرايفر وفايس العمل كفريق واحد، حيث قام كل منهم بحل نصيبه من المشكلات التي لا تعد ولا تحصى استعدادًا للتجربة العملية. أنشأ الثلاثي مرصد LIGO في عام 1984، وبمجرد بناء النماذج الأولية وبدء التعاون ضمن فريق يتوسع باستمرار، حصلوا على تمويل بقيمة 100 مليون دولار من المؤسسة الوطنية للعلوم في أوائل التسعينيات. تم وضع المخططات لبناء زوج من أجهزة الكشف العملاقة على شكل حرف L. وبعد عقد من الزمن، بدأت أجهزة الكشف في العمل.

في هانفورد وليفينغستون، يوجد في وسط كل من أذرع الكاشف التي يبلغ طولها أربعة كيلومترات فراغ، بفضله يتم عزل الليزر وشعاعه ومراياه إلى أقصى حد عن الاهتزازات المستمرة للكوكب. ولكي يكونوا أكثر أمانًا، يراقب علماء مرصد LIGO أجهزة الكشف الخاصة بهم أثناء عملها باستخدام آلاف الأدوات، ويقيسون كل ما في وسعهم: النشاط الزلزالي، الضغط الجويوالبرق وظهور الأشعة الكونية واهتزاز المعدات والأصوات في منطقة شعاع الليزر وما إلى ذلك. ثم يقومون بعد ذلك بتصفية بياناتهم من ضجيج الخلفية الدخيل هذا. ولعل الشيء الرئيسي هو أن لديهم كاشفين، وهذا يسمح لهم بمقارنة البيانات المستلمة، والتحقق من وجود إشارات مطابقة.

سياق

موجات الجاذبية: أكملت ما بدأه أينشتاين في برن

سويس إنفو 13/02/2016

كيف تموت الثقوب السوداء

متوسطة 19/10/2014
يقول ماركو كافاجليا، نائب المتحدث باسم مرصد ليجو: «داخل الفراغ الناتج، حتى مع عزل وثبات أشعة الليزر والمرايا تمامًا، «تحدث أشياء غريبة طوال الوقت». ويجب على العلماء تتبع هذه "الأسماك الذهبية"، و"الأشباح"، و"وحوش البحر الغامضة" وغيرها من الظواهر الاهتزازية الدخيلة، ومعرفة مصدرها من أجل القضاء عليها. واحد قضية صعبةوقالت جيسيكا ماكيفر، باحثة مرصد ليغو، التي تدرس مثل هذه الإشارات والتداخلات الدخيلة، إن هذه الظاهرة حدثت أثناء مرحلة الاختبار. غالبًا ما ظهرت سلسلة من الضوضاء الدورية أحادية التردد بين البيانات. وقالت ماكيفر إنه عندما قامت هي وزملاؤها بتحويل الاهتزازات الصادرة عن المرايا إلى ملفات صوتية، "كان من الممكن سماع رنين الهاتف بوضوح". "اتضح أن المعلنين عن الاتصالات هم من يقومون بإجراء مكالمات هاتفية داخل غرفة الليزر".

على مدى العامين المقبلين، سيستمر العلماء في تحسين حساسية كاشفات مرصد تداخل موجات الجاذبية بالليزر المحدثة في مرصد LIGO. وفي إيطاليا، سيبدأ تشغيل مقياس تداخل ثالث يسمى Advanced Virgo. إحدى الإجابات التي ستساعد البيانات في تقديمها هي كيفية تشكل الثقوب السوداء. هل هي نتاج انهيار النجوم الضخمة الأولى، أم أنها نشأت عن طريق الاصطدامات داخل مجموعات النجوم الكثيفة؟ يقول فايس: "هذان مجرد تخمينين، وأعتقد أنه سيكون هناك المزيد عندما يهدأ الجميع". ومع بدء عمل مرصد LIGO القادم في تجميع إحصائيات جديدة، سيبدأ العلماء في الاستماع إلى القصص التي يهمس بها الكون حول أصول الثقوب السوداء.

انطلاقًا من شكلها وحجمها، نشأت أول نبضة أعلى صوتًا على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية، حيث اندمج ثقبان أسودان، تبلغ كتلة كل منهما حوالي 30 مرة كتلة الشمس، أخيرًا تحت تأثير الجاذبية المتبادلة، بعد أبدية من الرقص البطيء. جاذبية. كانت الثقوب السوداء تدور بشكل أسرع وأسرع، مثل الدوامة، وتقترب تدريجياً. ثم حدث الاندماج، وفي غمضة عين أطلقوا موجات جاذبية ذات طاقة مماثلة لطاقة ثلاث شموس. كان هذا الاندماج أقوى ظاهرة حيوية تم تسجيلها على الإطلاق.

قال ثورن: "يبدو الأمر كما لو أننا لم نر المحيط من قبل أثناء العاصفة". لقد كان ينتظر هذه العاصفة في الزمكان منذ الستينيات. ويقول إن الشعور الذي شعر به ثورن عندما تدحرجت تلك الأمواج لم يكن مجرد إثارة. لقد كان شيئًا آخر: شعور بالرضا العميق.

تحتوي مواد InoSMI على تقييمات حصرية لوسائل الإعلام الأجنبية ولا تعكس موقف هيئة التحرير في InoSMI.

11 فبراير 2016

قبل ساعات قليلة فقط، وصلت الأخبار التي طال انتظارها في العالم العلمي. تقول مجموعة من العلماء من عدة دول يعملون كجزء من مشروع التعاون العلمي الدولي LIGO أنهم باستخدام عدة مراصد كاشفة تمكنوا من اكتشاف موجات الجاذبية في الظروف المختبرية.

إنهم يقومون بتحليل البيانات القادمة من مرصدين لموجات الجاذبية بمقياس تداخل الليزر (مرصد موجات الجاذبية بمقياس تداخل الليزر - LIGO)، الموجودين في ولايتي لويزيانا وواشنطن في الولايات المتحدة.

وكما ذكر في المؤتمر الصحفي لمشروع LIGO، تم اكتشاف موجات الجاذبية في 14 سبتمبر 2015، أولاً في أحد المراصد، ثم بعد 7 مللي ثانية في مرصد آخر.

وبناء على تحليل البيانات التي تم الحصول عليها، والتي أجراها علماء من العديد من البلدان، بما في ذلك روسيا، تبين أن موجة الجاذبية ناجمة عن اصطدام ثقبين أسودين كتلتهما 29 و36 ضعف كتلة الكون. شمس. وبعد ذلك، اندمجوا في ثقب أسود واحد كبير.

حدث هذا قبل 1.3 مليار سنة. جاءت الإشارة إلى الأرض من اتجاه كوكبة سحابة ماجلان.

أوضح سيرجي بوبوف (عالم الفيزياء الفلكية في معهد ستيرنبرغ الفلكي التابع لجامعة موسكو الحكومية) ماهية موجات الجاذبية وسبب أهمية قياسها.

النظريات الحديثة للجاذبية هي نظريات هندسية للجاذبية، تقريبًا كل شيء من النظرية النسبية. تؤثر الخصائص الهندسية للفضاء على حركة الأجسام أو الأشياء مثل شعاع الضوء. والعكس صحيح - يؤثر توزيع الطاقة (وهذا هو نفس الكتلة في الفضاء) على الخصائص الهندسية للفضاء. هذا رائع جدًا، لأنه من السهل تصوره - كل هذا المستوى المرن المبطن في صندوق له بعض المعنى المادي، على الرغم من أنه بالطبع ليس حرفيًا تمامًا.

يستخدم الفيزيائيون كلمة "متري". المقياس هو شيء يصف الخصائص الهندسية للفضاء. وهنا لدينا أجسام تتحرك بتسارع. أبسط شيء هو تدوير الخيار. ومن المهم ألا تكون، على سبيل المثال، كرة أو قرصًا مسطحًا. من السهل أن نتخيل أنه عندما يدور مثل هذا الخيار على مستوى مرن، ستخرج منه تموجات. تخيل أنك تقف في مكان ما، والخيار يتجه نحوك، ثم إلى الطرف الآخر. إنه يؤثر على المكان والزمان بطرق مختلفة، حيث تعمل موجة الجاذبية.

لذا، فإن موجة الجاذبية هي تموج يمتد على طول مقياس الزمكان.

الخرز في الفضاء

هذه خاصية أساسية لفهمنا الأساسي لكيفية عمل الجاذبية، وكان الناس يريدون اختبارها منذ مائة عام. إنهم يريدون التأكد من وجود تأثير وأنه مرئي في المختبر. وقد شوهد هذا في الطبيعة منذ حوالي ثلاثة عقود. كيف يجب أن تظهر موجات الجاذبية في الحياة اليومية؟

أسهل طريقة لتوضيح ذلك هي: إذا قمت برمي خرزات في الفضاء بحيث تقع في دائرة، وعندما تمر موجة الجاذبية بشكل عمودي على مستواها، فإنها ستبدأ في التحول إلى شكل بيضاوي، مضغوطًا أولاً في اتجاه واحد، ثم في الآخر. النقطة المهمة هي أن المساحة المحيطة بهم سوف تنزعج وسيشعرون بذلك.

"جي" على الأرض

يفعل الناس شيئًا كهذا، ليس فقط في الفضاء، بل على الأرض.

مرايا على شكل حرف "g" [إشارة إلى مراصد LIGO الأمريكية] معلقة على مسافة أربعة كيلومترات من بعضها البعض.

تعمل أشعة الليزر - وهذا مقياس تداخل، وهو أمر مفهوم جيدًا. تتيح التقنيات الحديثة قياس التأثيرات الصغيرة بشكل خيالي. لا يزال الأمر لا يعني أنني لا أصدق ذلك، بل أصدق ذلك، لكنني لا أستطيع أن ألتف حوله - إن إزاحة المرايا المعلقة على مسافة أربعة كيلومترات من بعضها البعض أقل من حجم نواة الذرة . وهذا صغير حتى مقارنة بالطول الموجي لهذا الليزر. كانت هذه هي المشكلة: الجاذبية هي التفاعل الأضعف، وبالتالي فإن الإزاحات صغيرة جدًا.

لقد استغرق الأمر وقتًا طويلاً للغاية، وقد حاول الناس القيام بذلك منذ السبعينيات، لقد أمضوا حياتهم في البحث عن موجات الجاذبية. والآن فقط القدرات التقنية تجعل من الممكن تسجيل موجة الجاذبية في ظروف المختبر، أي أنها جاءت هنا وتحولت المرايا.

اتجاه

وفي غضون عام، إذا سارت الأمور على ما يرام، سيكون هناك بالفعل ثلاثة أجهزة كشف تعمل في العالم. ثلاثة أجهزة كشف مهمة جدًا، لأن هذه الأشياء سيئة جدًا في تحديد اتجاه الإشارة. بنفس الطريقة التي نفشل بها في تحديد اتجاه المصدر عن طريق الأذن. "صوت من مكان ما على اليمين" - تستشعر أجهزة الكشف هذه شيئًا كهذا. لكن إذا وقف ثلاثة أشخاص على مسافة من بعضهم البعض، وسمع أحدهم صوتًا من اليمين، وآخر من اليسار، والثالث من الخلف، فيمكننا تحديد اتجاه الصوت بدقة شديدة. كلما زاد عدد أجهزة الكشف، كلما زاد انتشارها في جميع أنحاء العالم، كلما تمكنا من تحديد اتجاه المصدر بدقة أكبر، وبعد ذلك سيبدأ علم الفلك.

بعد كل شيء، فإن الهدف النهائي ليس فقط تأكيد النظرية النسبية العامة، ولكن أيضا الحصول على معرفة فلكية جديدة. فقط تخيل أن هناك ثقبًا أسودًا يزن عشرة أضعاف كتلة الشمس. ويصطدم بثقب أسود آخر يزن عشر كتل شمسية. ويحدث الاصطدام بسرعة الضوء. اختراق الطاقة. هذا صحيح. هناك كمية رائعة منه. وليس هناك طريقة... إنها مجرد تموجات من المكان والزمان. أود أن أقول إن اكتشاف اندماج ثقبين أسودين سيكون أقوى دليل لفترة طويلة على أن الثقوب السوداء هي بشكل أو بآخر الثقوب السوداء التي نعتقد أنها كذلك.

دعونا نستعرض القضايا والظواهر التي يمكن أن يكشف عنها.

هل الثقوب السوداء موجودة بالفعل؟

ربما تكون الإشارة المتوقعة من إعلان LIGO قد تم إنتاجها بواسطة ثقبين أسودين مندمجين. مثل هذه الأحداث هي الأكثر نشاطًا المعروفة؛ يمكن لقوة موجات الجاذبية المنبعثة منها أن تتفوق لفترة وجيزة على كل النجوم في الكون المرئي مجتمعة. من السهل أيضًا تفسير اندماج الثقوب السوداء من خلال موجات الجاذبية النقية جدًا.

يحدث اندماج الثقب الأسود عندما يدور ثقبان أسودان حول بعضهما البعض، وينبعث منهما طاقة على شكل موجات جاذبية. تتمتع هذه الموجات بصوت مميز (غرد) يمكن استخدامه لقياس كتلة هذين الجسمين. وبعد ذلك، تندمج الثقوب السوداء عادة.

"تخيل فقاعتين من الصابون تقتربان جدًا بحيث تشكلان فقاعة واحدة. يقول تيبالت دامور، عالم الجاذبية في معهد الدراسات المتقدمة: "الفقاعة الأكبر مشوهة". بحث علميبالقرب من باريس. سيكون الثقب الأسود الأخير كرويًا تمامًا، لكن يجب أولاً أن ينبعث منه موجات جاذبية من نوع يمكن التنبؤ به.

إحدى أهم النتائج العلمية لاكتشاف اندماج الثقوب السوداء هي تأكيد وجود الثقوب السوداء - على الأقل أجسام مستديرة تمامًا تتكون من زمكان نقي وفارغ ومنحنٍ، كما تنبأت النسبية العامة. والنتيجة الأخرى هي أن الاندماج يسير كما توقع العلماء. لدى علماء الفلك الكثير من الأدلة غير المباشرة على هذه الظاهرة، ولكن حتى الآن كانت هذه مجرد ملاحظات لنجوم وغازات شديدة الحرارة تدور حول الثقوب السوداء، وليست الثقوب السوداء نفسها.

"المجتمع العلمي، بما فيهم أنا، لا يحب الثقوب السوداء. ويقول فرانس بريتوريوس، المتخصص في محاكاة النسبية العامة في جامعة برينستون في نيوجيرسي، إننا نعتبرها أمرًا مفروغًا منه. "ولكن عندما تفكر في مدى روعة هذا التنبؤ، فإننا نحتاج إلى دليل مذهل حقًا."

هل تنتقل موجات الجاذبية بسرعة الضوء؟

عندما يبدأ العلماء بمقارنة مشاهدات مرصد LIGO مع مشاهدات التلسكوبات الأخرى، فإن أول شيء يتحققون منه هو ما إذا كانت الإشارة قد وصلت في نفس الوقت. يعتقد الفيزيائيون أن الجاذبية تنتقل عن طريق جسيمات تسمى الجرافيتونات، وهي نظير الجاذبية للفوتونات. إذا كانت هذه الجسيمات، مثل الفوتونات، ليس لها كتلة، فإن موجات الجاذبية ستنتقل بسرعة الضوء، وهو ما يتوافق مع التنبؤ بسرعة موجات الجاذبية في النظرية الكلاسيكيةالنسبية. (قد تتأثر سرعتها بالتوسع المتسارع للكون، لكن هذا يجب أن يظهر على مسافات أبعد بكثير من تلك التي يغطيها مرصد LIGO).

ومع ذلك، فمن الممكن أن يكون للجرافيتونات كتلة صغيرة، مما يعني أن موجات الجاذبية ستتحرك بسرعة أقل من سرعة الضوء. لذلك، على سبيل المثال، إذا اكتشف LIGO وVirgo موجات الجاذبية واكتشفا أن الموجات وصلت إلى الأرض متأخرة عن أشعة جاما المرتبطة بالحدث الكوني، فقد يكون لذلك عواقب تغير الحياة على الفيزياء الأساسية.

هل الزمكان مصنوع من خيوط كونية؟

ومن الممكن أن يحدث اكتشاف أكثر غرابة إذا تم العثور على انفجارات من موجات الجاذبية تنبعث من "الأوتار الكونية". هذه العيوب الافتراضية في انحناء الزمكان، والتي قد تكون أو لا تكون مرتبطة بنظريات الأوتار، يجب أن تكون رفيعة للغاية، ولكنها ممتدة إلى مسافات كونية. ويتوقع العلماء أن الأوتار الكونية، في حال وجودها، قد تنحني عن طريق الخطأ؛ إذا انحني الخيط، فسيتسبب ذلك في زيادة الجاذبية التي يمكن لأجهزة الكشف مثل LIGO أو Virgo قياسها.

هل يمكن أن تكون النجوم النيوترونية متكتلة؟

النجوم النيوترونية هي بقايا نجوم كبيرة انهارت تحت ثقلها وأصبحت كثيفة جدًا لدرجة أن الإلكترونات والبروتونات بدأت في الاندماج لتكوين النيوترونات. لا يفهم العلماء سوى القليل عن فيزياء الثقوب النيوترونية، لكن موجات الجاذبية يمكن أن تخبرنا الكثير عنها. على سبيل المثال، الجاذبية الشديدة على سطحها تجعل النجوم النيوترونية تكاد تكون كروية تمامًا. لكن بعض العلماء اقترحوا أنه قد تكون هناك أيضًا "جبال" - يبلغ ارتفاعها بضعة ملليمترات - تجعل هذه الأجسام الكثيفة، التي لا يزيد قطرها عن 10 كيلومترات، غير متناظرة قليلاً. تدور النجوم النيوترونية عادةً بسرعة كبيرة، وبالتالي فإن التوزيع غير المتماثل للكتلة سوف يشوه الزمكان وينتج إشارة موجة جاذبية مستمرة على شكل موجة جيبية، مما يؤدي إلى إبطاء دوران النجم وانبعاث الطاقة.

أزواج النجوم النيوترونية التي تدور حول بعضها البعض تنتج أيضًا إشارة ثابتة. مثل الثقوب السوداء، تتحرك هذه النجوم بشكل حلزوني وتندمج في النهاية بصوت مميز. لكن خصوصيتها تختلف عن خصوصية صوت الثقوب السوداء.

لماذا تنفجر النجوم؟

تتشكل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية عندما تتوقف النجوم الضخمة عن السطوع وتنهار على نفسها. يعتقد علماء الفيزياء الفلكية أن هذه العملية تكمن وراء جميع الأنواع الشائعة من انفجارات المستعرات الأعظم من النوع الثاني. لم تُظهر محاكاة مثل هذه المستعرات الأعظمية بعد سبب اشتعالها، ولكن يُعتقد أن الاستماع إلى انفجارات موجات الجاذبية المنبعثة من مستعر أعظم حقيقي يوفر إجابة. اعتمادًا على شكل موجات الانفجار، ومدى ارتفاعها، وعدد مرات حدوثها، وكيفية ارتباطها بالمستعرات الأعظمية التي يتم تتبعها بواسطة التلسكوبات الكهرومغناطيسية، يمكن لهذه البيانات أن تساعد في استبعاد مجموعة من النماذج الموجودة.

ما مدى سرعة توسع الكون؟

إن توسع الكون يعني أن الأجسام البعيدة التي تتحرك بعيدًا عن مجرتنا تبدو أكثر احمرارًا مما هي عليه بالفعل، لأن الضوء الذي تنبعث منه يتمدد أثناء تحركها. يقدر علماء الكونيات معدل توسع الكون من خلال مقارنة الانزياح الأحمر للمجرات مع مدى بعدها عنا. لكن هذه المسافة تُقدر عادةً من سطوع المستعرات الأعظم من النوع Ia، وهذه التقنية تترك الكثير من الشكوك.

إذا اكتشفت العديد من أجهزة كشف موجات الجاذبية حول العالم إشارات من اندماج نفس النجوم النيوترونية، فيمكنها معًا تقدير حجم الإشارة بدقة تامة، وبالتالي المسافة التي حدث فيها الاندماج. وسيكون بمقدورهم أيضًا تقدير الاتجاه، ومن خلاله تحديد المجرة التي وقع فيها الحدث. ومن خلال مقارنة الانزياح الأحمر لهذه المجرة مع المسافة إلى النجوم المندمجة، من الممكن الحصول على معدل مستقل للتوسع الكوني، وربما أكثر دقة مما تسمح به الأساليب الحالية.

مصادر

http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves

http://cont.ws/post/199519

هنا اكتشفنا بطريقة أو بأخرى، ولكن ما هو و. انظروا كيف يبدو المقال الأصلي موجود على الموقع InfoGlaz.rfرابط المقال الذي أخذت منه هذه النسخة -

في يوم الخميس 11 فبراير، أعلنت مجموعة من العلماء من المشروع الدولي للتعاون العلمي LIGO عن نجاحهم، الذي تنبأ بوجوده ألبرت أينشتاين في عام 1916. ووفقا للباحثين، فقد سجلوا في 14 سبتمبر 2015، موجة جاذبية ناجمة عن اصطدام ثقبين أسودين يبلغ وزنهما 29 و36 مرة كتلة الشمس، ثم اندمجا بعد ذلك في ثقب أسود واحد كبير. ووفقا لهم، من المفترض أن هذا حدث قبل 1.3 مليار سنة على مسافة 410 ميغا فرسخ فلكي من مجرتنا.

تحدثت LIGA.net بالتفصيل عن موجات الجاذبية والاكتشاف واسع النطاق بوهدان حناتيك، عالم أوكراني، عالم فيزياء فلكية، دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية، باحث بارز في مرصد كييف الفلكي جامعة وطنيةسمي على اسم تاراس شيفتشينكو، الذي ترأس المرصد من عام 2001 إلى عام 2004.

نظرية بلغة بسيطة

تدرس الفيزياء التفاعل بين الأجسام. وقد ثبت أن هناك أربعة أنواع من التفاعل بين الأجسام: التفاعل الكهرومغناطيسي، والتفاعل النووي القوي، والتفاعل النووي الضعيف تفاعل الجاذبيةالذي نشعر به جميعا. وبسبب تفاعل الجاذبية تدور الكواكب حول الشمس، فتكتسب الأجسام وزنًا وتسقط على الأرض. يواجه البشر باستمرار تفاعل الجاذبية.

في عام 1916، أي قبل 100 عام، بنى ألبرت أينشتاين نظرية الجاذبية التي حسنت نظرية نيوتن في الجاذبية، وجعلتها صحيحة رياضيًا: فقد بدأت تلبي جميع متطلبات الفيزياء، وبدأت تأخذ في الاعتبار حقيقة أن الجاذبية تنتشر بسرعة كبيرة. سرعة عالية ولكن محدودة. وهذا بحق أحد أعظم إنجازات أينشتاين، حيث أنه بنى نظرية الجاذبية التي تتوافق مع جميع الظواهر الفيزيائية التي نلاحظها اليوم.

كما اقترحت هذه النظرية وجود موجات الجاذبية. وكان أساس هذا التنبؤ هو أن موجات الجاذبية موجودة نتيجة تفاعل الجاذبية الذي يحدث نتيجة اندماج جسمين ضخمين.

ما هي موجة الجاذبية

لغة صعبةهذا هو إثارة مقياس الزمكان. وقال طبيب العلوم الفيزيائية والرياضية لموقع LIGA.net: "لنفترض أن الفضاء يتمتع بمرونة معينة ويمكن للأمواج أن تمر عبره. الأمر مشابه عندما نرمي حصاة في الماء وتنتشر الأمواج منها".

وتمكن العلماء من إثبات حدوث تذبذب مماثل في الكون بشكل تجريبي، وانتشرت موجة الجاذبية في جميع الاتجاهات. "من الناحية الفيزيائية الفلكية، لأول مرة، تم تسجيل ظاهرة مثل هذا التطور الكارثي للنظام الثنائي، عندما يندمج جسمان في جسم واحد، ويؤدي هذا الاندماج إلى إطلاق مكثف للغاية لطاقة الجاذبية، والتي تنتشر بعد ذلك في الفضاء على شكل وأوضح العالم أن موجات الجاذبية.

كيف يبدو (الصورة - وكالة حماية البيئة)

هذه الموجات الجاذبية ضعيفة جدًا ولكي تهز الزمكان، لا بد من تفاعل الأجسام الكبيرة والضخمة جدًا بحيث تكون شدة مجال الجاذبية عالية عند نقطة التولد. لكن، رغم ضعفها، فإن الراصد بعد زمن معين (يساوي مسافة التفاعل مقسومة على سرعة الإشارة) سوف يسجل موجة الجاذبية هذه.

دعونا نعطي مثالا: إذا سقطت الأرض على الشمس، فسيحدث تفاعل الجاذبية: سيتم إطلاق طاقة الجاذبية، وسوف تتشكل موجة جاذبية متناظرة كرويا، وسيكون المراقب قادرا على تسجيلها. وأشار جناتيك إلى أن "ظاهرة مماثلة، ولكنها فريدة من نوعها، من وجهة نظر الفيزياء الفلكية، حدثت هنا: اصطدام جسمين ضخمين - ثقبان أسودان".

دعونا نعود إلى النظرية

الثقب الأسود هو تنبؤ آخر للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي تنص على أن الجسم الذي يمتلك كتلة هائلة، ولكن هذه الكتلة تتركز في حجم صغير، قادر على تشويه الفضاء المحيط به بشكل كبير، حتى إغلاقه. أي أنه كان من المفترض أنه عند الوصول إلى تركيز حرج لكتلة هذا الجسم - بحيث يكون حجم الجسم أقل مما يسمى بنصف قطر الجاذبية، فإن المساحة المحيطة بهذا الجسم سوف تنغلق وتنغلق طوبولوجيته. سيكون بحيث لا يمكن لأي إشارة منه أن تنتشر خارج المساحة المغلقة.

"أي ثقب أسود، بعبارات بسيطةيقول العالم: "إنها جسم ضخم وثقيل للغاية لدرجة أنه يغلق الزمكان حول نفسه".

ونحن، وفقا له، يمكننا إرسال أي إشارات إلى هذا الكائن، لكنه لا يستطيع أن يرسلنا. أي أنه لا يمكن لأي إشارات أن تتجاوز الثقب الأسود.

يعيش الثقب الأسود وفقًا لقوانين فيزيائية عادية، ولكن نتيجة للجاذبية القوية، لا يستطيع أي جسم مادي، ولا حتى الفوتون، تجاوز هذا السطح الحرج. تتشكل الثقوب السوداء أثناء تطور النجوم العادية، عندما ينهار النواة المركزية للنجم وينهار جزء من مادة النجم، ويتحول إلى ثقب أسود، ويخرج الجزء الآخر من النجم على شكل قشرة مستعر أعظم، ويتحول إلى ثقب أسود. ما يسمى بـ "انفجار" المستعر الأعظم.

كيف رأينا موجة الجاذبية

دعونا نعطي مثالا. عندما يكون لدينا طفوتان على سطح الماء والماء هادئ، تكون المسافة بينهما ثابتة. وعندما تصل الموجة، فإنها تزيح هذه العوامات وتتغير المسافة بين العوامات. لقد مرت الموجة - وعادت العوامات إلى مواقعها السابقة، وتم استعادة المسافة بينهما.

تنتشر موجة الجاذبية في الزمكان بطريقة مماثلة: فهي تضغط وتمد الأجسام والأشياء التي تلتقي في طريقها. "عند مصادفة جسم معين على طول مسار موجة، فإنه يتشوه على طول محاوره، وبعد مروره يعود إلى شكله السابق. وتحت تأثير موجة الجاذبية، تتشوه جميع الأجسام، ولكن هذه التشوهات شديدة للغاية يقول جناتيك: "غير مهم".

وعندما مرت الموجة التي سجلها العلماء، تغير الحجم النسبي للأجسام الموجودة في الفضاء بمقدار 1 في 10 إلى القوة 21 السالب. على سبيل المثال، إذا أخذت مسطرة مترية، فستجد أنها تقلصت بمقدار يساوي حجمها مضروبًا في 10 أس سالب 21. هذه كمية صغيرة جداً وكانت المشكلة أن العلماء بحاجة إلى تعلم كيفية قياس هذه المسافة. أعطت الطرق التقليدية دقة تصل إلى 1 في 10 أس 9 من الملايين، ولكن هنا هناك حاجة إلى دقة أعلى بكثير. ولهذا الغرض، تم إنشاء ما يسمى بهوائيات الجاذبية (كاشفات موجات الجاذبية).

مرصد LIGO (الصورة – وكالة حماية البيئة)

تم بناء الهوائي الذي يسجل موجات الجاذبية بهذه الطريقة: هناك أنبوبان، يبلغ طولهما حوالي 4 كيلومترات، يقعان على شكل حرف "L"، ولكن بنفس الأذرع وبزوايا قائمة. عندما تضرب موجة الجاذبية نظامًا ما، فإنها تشوه أجنحة الهوائي، ولكن اعتمادًا على اتجاهها، فإنها تشوه واحدًا أكثر والآخر أقل. وبعد ذلك ينشأ اختلاف في المسار، ويتغير نمط تداخل الإشارة - تظهر سعة إجمالية إيجابية أو سلبية.

"أي أن مرور موجة الجاذبية يشبه مرور موجة على الماء بين طفوين: فلو قسنا المسافة بينهما أثناء مرور الموجة وبعده، لرأينا أن المسافة ستتغير، ومن ثم تصبح قال جناتيك: "الشيء نفسه مرة أخرى".

وهنا يتم قياس التغير النسبي في المسافة بين جناحي مقياس التداخل، اللذين يبلغ طول كل منهما حوالي 4 كيلومترات. ولا يمكن إلا للتقنيات والأنظمة الدقيقة جدًا قياس هذا الإزاحة المجهرية للأجنحة الناتجة عن موجة الجاذبية.

على حافة الكون: من أين أتت الموجة؟

وسجل العلماء الإشارة باستخدام كاشفين موجودين في ولايتين بالولايات المتحدة: لويزيانا وواشنطن، على مسافة حوالي 3 آلاف كيلومتر. تمكن العلماء من تقدير مكان ومن أي مسافة جاءت هذه الإشارة. وتشير التقديرات إلى أن الإشارة جاءت من مسافة 410 ميغا فرسخ فلكي. والميجا فرسخ فلكي هي المسافة التي يقطعها الضوء خلال ثلاثة ملايين سنة.

ولتسهيل التخيل: أقرب مجرة ​​نشطة لنا مع وجود ثقب أسود فائق الكتلة في مركزها هي قنطورس A، التي تقع على مسافة أربعة ميغا فرسخ فلكي من مجرتنا، في حين أن سديم المرأة المسلسلة يقع على مسافة 0.7 ميغا فرسخ فلكي. وقال العالم: "أي أن المسافة التي جاءت منها إشارة موجة الجاذبية كبيرة جدًا لدرجة أن الإشارة سافرت إلى الأرض لمدة 1.3 مليار سنة تقريبًا. وهي مسافات كونية تصل إلى حوالي 10% من أفق كوننا".

على هذه المسافة، في مجرة ​​بعيدة، اندمج ثقبان أسودان. وكانت هذه الثقوب، من ناحية، صغيرة الحجم نسبيًا، ومن ناحية أخرى، يشير اتساع الإشارة الكبير إلى أنها كانت ثقيلة جدًا. وقد ثبت أن كتلتهما كانت 36 و 29 كتلة شمسية على التوالي. وكتلة الشمس، كما هو معروف، تساوي 2 في 10 أس 30 من الكيلوجرام. وبعد الاندماج اندمج هذان الجسمان وتشكل مكانهما ثقب أسود واحد كتلته تساوي 62 كتلة شمسية. وفي الوقت نفسه، انبعثت ما يقرب من ثلاث كتل من الشمس على شكل طاقة موجة جاذبية.

من قام بهذا الاكتشاف ومتى؟

تمكن علماء من مشروع LIGO الدولي من اكتشاف موجة الجاذبية في 14 سبتمبر 2015. ليغو (مرصد الجاذبية لقياس التداخل بالليزر)هو مشروع دولي يشارك فيه عدد من الدول بمساهمة مالية وعلمية معينة، وعلى وجه الخصوص الولايات المتحدة الأمريكية، إيطاليا، اليابان، الدول المتقدمة في مجال هذا البحث.

البروفيسوران راينر فايس وكيب ثورن (الصورة - وكالة حماية البيئة)

تم تسجيل الصورة التالية: تحركت أجنحة كاشف الجاذبية نتيجة المرور الفعلي لموجة الجاذبية عبر كوكبنا ومن خلال هذا التثبيت. لم يتم الإبلاغ عن ذلك في ذلك الوقت، لأنه كان لا بد من معالجة الإشارة و"تنظيفها" والعثور على سعتها والتحقق منها. هذا إجراء قياسي: من الاكتشاف الفعلي إلى الإعلان عن الاكتشاف، يستغرق إصدار بيان موثق عدة أشهر. وأشار حناتيك إلى أنه "لا أحد يريد إفساد سمعته. هذه كلها بيانات سرية، قبل نشرها لم يكن أحد يعلم بها، كانت مجرد شائعات".

قصة

تمت دراسة موجات الجاذبية منذ سبعينيات القرن الماضي. خلال هذا الوقت، تم إنشاء عدد من أجهزة الكشف وسلسلة من بحث أساسي. وفي الثمانينات، قام العالم الأمريكي جوزيف ويبر ببناء أول هوائي للجاذبية على شكل أسطوانة من الألومنيوم، كان حجمها حوالي عدة أمتار، ومجهزة بأجهزة استشعار بيزو كان من المفترض أن تسجل مرور موجة الجاذبية.

وكانت حساسية هذا الجهاز أسوأ بمليون مرة من أجهزة الكشف الحالية. وبالطبع، لم يتمكن حقًا من اكتشاف الموجة في ذلك الوقت، على الرغم من أن ويبر أعلن أنه فعل ذلك: كتبت الصحافة عنها وحدثت "طفرة الجاذبية" - بدأ العالم على الفور في بناء هوائيات الجاذبية. وشجع فيبر علماء آخرين على تناول موجات الجاذبية ومواصلة التجارب على هذه الظاهرة، مما جعل من الممكن زيادة حساسية أجهزة الكشف مليون مرة.

ومع ذلك، فقد تم تسجيل ظاهرة موجات الجاذبية نفسها في القرن الماضي، عندما اكتشف العلماء نجمًا نابضًا مزدوجًا. وكان هذا تسجيلاً غير مباشر لحقيقة وجود موجات الجاذبية، وقد تم إثبات ذلك من خلال الملاحظات الفلكية. تم اكتشاف النجم النابض بواسطة راسل هولس وجوزيف تايلور في عام 1974 أثناء عمليات المراقبة باستخدام التلسكوب الراديوي لمرصد أريسيبو. حصل العلماء على جائزة نوبل عام 1993 "لاكتشاف نوع جديد من النجوم النابضة، مما أتاح فرصًا جديدة في دراسة الجاذبية".

البحث في العالم وأوكرانيا

وفي إيطاليا، هناك مشروع مماثل يسمى برج العذراء على وشك الانتهاء. وتعتزم اليابان أيضًا إطلاق كاشف مماثل خلال عام، كما تستعد الهند أيضًا لإجراء مثل هذه التجربة. أي أن أجهزة الكشف المماثلة موجودة في العديد من أنحاء العالم، لكنها لم تصل بعد إلى وضع الحساسية حتى نتمكن من الحديث عن اكتشاف موجات الجاذبية.

"رسميًا، أوكرانيا ليست جزءًا من مرصد LIGO، كما أنها لا تشارك في المشروعين الإيطالي والياباني. ومن بين هذه المجالات الأساسية، تشارك أوكرانيا الآن في مشروع LHC (مصادم الهادرونات الكبير) وفي CERN (سنصبح رسميًا مشاركًا فقط) بعد دفع رسوم الدخول) "، قال دكتور في العلوم الفيزيائية والرياضية بوهدان جناتيك لـ LIGA.net.

ووفقا له، أصبحت أوكرانيا منذ عام 2015 عضوا كامل العضوية في التعاون الدولي CTA (مصفوفة تلسكوب سيرينكوف)، الذي يقوم ببناء تلسكوب حديث متعدد تيرا إلكترون فولتنطاق غاما طويل (مع طاقات فوتون تصل إلى 1014 فولت). "المصادر الرئيسية لهذه الفوتونات هي على وجه التحديد المنطقة المجاورة للثقوب السوداء الهائلة، والتي تم تسجيل إشعاع الجاذبية لها لأول مرة بواسطة كاشف LIGO. لذلك، فإن فتح نوافذ جديدة في علم الفلك - موجات الجاذبية والموجات المتعددة تيرا إلكترون فولتويضيف العالم: "تعدنا التكنولوجيا الكهرومغناطيسية nogo بالعديد من الاكتشافات في المستقبل".

ما هي الخطوة التالية وكيف ستساعد المعرفة الجديدة الناس؟ العلماء يختلفون. يقول البعض أن هذه مجرد خطوة تالية في فهم آليات الكون. ويرى آخرون أن هذا هو الخطوات الأولى نحو تقنيات جديدة للتنقل عبر الزمان والمكان. بطريقة أو بأخرى، أثبت هذا الاكتشاف مرة أخرى مدى ضآلة ما نفهمه وكم ما زال يتعين علينا تعلمه.

بالأمس، صدم العالم ضجة كبيرة: اكتشف العلماء أخيرًا موجات الجاذبية، التي تنبأ بوجودها أينشتاين قبل مائة عام. هذا هو اختراق. تم اكتشاف تشويه الزمكان (هذه موجات الجاذبية - الآن سنشرح ما هي) في مرصد LIGO، وأحد مؤسسيها هو - من تعتقد؟ - كيب ثورن، مؤلف الكتاب.

نخبرك عن سبب أهمية اكتشاف موجات الجاذبية، وما قاله مارك زوكربيرج، وبالطبع نشارك القصة من منظور الشخص الأول. يعرف كيب ثورن، مثل أي شخص آخر، كيف يعمل المشروع، وما الذي يجعله غير عادي، وما هي أهمية مرصد LIGO للإنسانية. نعم، نعم، كل شيء خطير للغاية.

اكتشاف موجات الجاذبية

سيتذكر العالم العلمي إلى الأبد تاريخ 11 فبراير 2016. في هذا اليوم، أعلن المشاركون في مشروع LIGO: بعد العديد من المحاولات غير المجدية، تم العثور على موجات الجاذبية. هذا واقع. في الواقع، تم اكتشافها قبل ذلك بقليل: في سبتمبر 2015، ولكن بالأمس تم الاعتراف بالاكتشاف رسميًا. تعتقد صحيفة الغارديان أن العلماء سيحصلون بالتأكيد جائزة نوبلفي الفيزياء.

سبب موجات الجاذبية هو اصطدام ثقبين أسودين، والذي حدث بالفعل... على بعد مليار سنة ضوئية من الأرض. هل يمكنك أن تتخيل مدى ضخامة عالمنا! نظرًا لأن الثقوب السوداء عبارة عن أجسام ضخمة جدًا، فإنها ترسل تموجات عبر الزمكان، مما يؤدي إلى تشويهه قليلاً. فتظهر أمواج تشبه تلك التي تنتشر من حجر ألقي في الماء.

هذه هي الطريقة التي يمكنك بها تخيل موجات الجاذبية القادمة إلى الأرض، على سبيل المثال، من الثقب الدودي. استخلاص من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس"

تم تحويل الاهتزازات الناتجة إلى صوت. ومن المثير للاهتمام أن الإشارة الصادرة عن موجات الجاذبية تصل تقريبًا بنفس تردد خطابنا. لذا يمكننا أن نسمع بآذاننا كيف تصطدم الثقوب السوداء. استمع إلى صوت موجات الجاذبية.

وتخيل ماذا؟ وفي الآونة الأخيرة، لم تعد الثقوب السوداء مبنية كما كان يُعتقد سابقًا. لكن لم يكن هناك أي دليل على الإطلاق على وجودها من حيث المبدأ. والآن هناك. الثقوب السوداء "تعيش" حقًا في الكون.

هذا هو ما يعتقد العلماء أن الكارثة تبدو عليه: اندماج الثقوب السوداء.

في 11 فبراير، انعقد مؤتمر كبير ضم أكثر من ألف عالم من 15 دولة. وكان العلماء الروس حاضرين أيضًا. وبالطبع كان هناك كيب ثورن. "هذا الاكتشاف هو بداية مسعى مذهل ورائع للناس: البحث واستكشاف الجانب المنحني للكون - الأشياء والظواهر التي تم إنشاؤها من الزمكان المشوه. قال كيب ثورن: «إن اصطدامات الثقوب السوداء وموجات الجاذبية هي أولى الأمثلة الرائعة لدينا».

لقد كان البحث عن موجات الجاذبية إحدى المشاكل الرئيسية في الفيزياء. الآن تم العثور عليهم. وتأكدت عبقرية أينشتاين مرة أخرى.

في أكتوبر/تشرين الأول، أجرينا مقابلة مع سيرجي بوبوف، عالم الفيزياء الفلكية الروسي وأحد أشهر مشاهير العلوم. بدا وكأنه كان يبحث في الماء! في الخريف: "يبدو لي أننا الآن على عتبة اكتشافات جديدة، والتي ترتبط في المقام الأول بعمل كاشفات موجات الجاذبية LIGO وVIRGO (قدم كيب ثورن مساهمة كبيرة في إنشاء مشروع LIGO) ". مذهل، أليس كذلك؟

موجات الجاذبية وكاشفات الموجات و LIGO

حسنًا، الآن بالنسبة لبعض الفيزياء. بالنسبة لأولئك الذين يريدون حقا أن يفهموا ما هي موجات الجاذبية. إليكم تصويرًا فنيًا لخطوط اتجاه ثقبين أسودين يدوران حول بعضهما البعض، عكس اتجاه عقارب الساعة، ثم يتصادمان. تولد خطوط Tendex جاذبية المد والجزر. تفضل. الخطوط التي تنبعث من النقطتين الأبعد عن بعضهما البعض على سطحي زوج من الثقوب السوداء، تمد كل شيء في طريقها، بما في ذلك صديق الفنان في الرسم. الخطوط الخارجة من منطقة الاصطدام تضغط كل شيء.

عندما تدور الثقوب حول بعضها البعض، فإنها تحمل على طول خطوطها التي تشبه تيارات الماء من رشاش دوار على العشب. الصورة من كتاب بين النجوم. العلم وراء الكواليس" - زوج من الثقوب السوداء التي تتصادم، وتدور حول بعضها البعض عكس اتجاه عقارب الساعة، وخطوط اتجاهها.

الثقوب السوداء تندمج في ثقب واحد حفرة كبيرة; فهو مشوه ويدور عكس اتجاه عقارب الساعة، ويسحب معه خطوط الاتجاه. سيشعر المراقب الثابت بعيدًا عن الثقب بالاهتزازات أثناء مرور خطوط الاتجاه من خلاله: التمدد، ثم الضغط، ثم التمدد - أصبحت خطوط الاتجاه موجة جاذبية. ومع انتشار الموجات، يقل تشوه الثقب الأسود تدريجيًا، وتضعف الموجات أيضًا.

وعندما تصل هذه الموجات إلى الأرض، فإنها تبدو مثل تلك الموضحة في أعلى الشكل أدناه. أنها تمتد في اتجاه واحد وتضغط في الآخر. تتأرجح الامتدادات والضغطات (من اللون الأحمر من اليمين إلى اليسار، إلى اللون الأزرق من اليمين إلى اليسار، إلى اللون الأحمر من اليمين إلى اليسار، وما إلى ذلك) أثناء مرور الموجات عبر الكاشف الموجود في أسفل الشكل.

موجات الجاذبية تمر عبر كاشف LIGO.

يتكون الكاشف من أربع مرايا كبيرة (قطرها 40 كجم، 34 سم)، متصلة في طرفي أنبوبين متعامدين، تسمى أذرع الكاشف. تمتد خطوط Tendex لموجات الجاذبية بذراع واحدة، بينما تضغط على الذراع الثانية، وبعد ذلك، على العكس من ذلك، تضغط الأولى وتمتد الثانية. وهكذا مرارا وتكرارا. ومع تغير طول الأذرع بشكل دوري، تتغير المرايا بالنسبة لبعضها البعض، ويتم تتبع هذه الإزاحات باستخدام أشعة الليزر بطريقة تسمى قياس التداخل. ومن هنا جاء اسم LIGO: مرصد التداخل الليزري لموجات الجاذبية.

مركز التحكم LIGO، حيث يتم إرسال الأوامر إلى الكاشف ومراقبة الإشارات المستقبلة. تقع أجهزة كشف الجاذبية الخاصة بمرصد LIGO في هانفورد، واشنطن، وليفينغستون، لويزيانا. صورة من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس"

الآن أصبح LIGO مشروعًا دوليًا يضم 900 عالم من بلدان مختلفة، ويقع مقره الرئيسي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

الجانب المنحني للكون

ترتبط الثقوب السوداء والثقوب الدودية والتفردات وشذوذ الجاذبية والأبعاد العليا بانحناء المكان والزمان. ولهذا السبب يطلق عليهم كيب ثورن اسم "الجانب الملتوي من الكون". لا يزال لدى البشرية القليل جدًا من البيانات التجريبية والرصدية من الجانب المنحني للكون. ولهذا السبب نولي الكثير من الاهتمام لموجات الجاذبية: فهي مصنوعة من الفضاء المنحني وتوفر لنا الطريقة الأسهل لاستكشاف الجانب المنحني.

تخيل لو أنك رأيت المحيط فقط عندما يكون هادئًا. لن تعرف شيئًا عن التيارات والدوامات وأمواج العواصف. وهذا يذكرنا بمعرفتنا الحالية لانحناء المكان والزمان.

نحن لا نعرف شيئًا تقريبًا عن كيفية تصرف الفضاء الملتوي والزمن الملتوي "في العاصفة" - عندما يتقلب شكل الفضاء بعنف وعندما تتقلب سرعة تدفق الزمن. هذه حدود المعرفة مغرية بشكل لا يصدق. صاغ العالم جون ويلر مصطلح "الديناميكا الجيولوجية" لهذه التغييرات.

من الأمور ذات الأهمية الخاصة في مجال الديناميكيات الجيولوجية هو اصطدام ثقبين أسودين.

اصطدام ثقبين أسودين غير دوارين. نموذج من كتاب "بين النجوم. العلم وراء الكواليس"

الصورة أعلاه توضح اللحظة التي يصطدم فيها ثقبان أسودان. مثل هذا الحدث سمح للعلماء بتسجيل موجات الجاذبية. تم تصميم هذا النموذج للثقوب السوداء غير الدوارة. في الأعلى: مدارات وظلال الثقوب، كما تُرى من كوننا. الوسط: المكان والزمان المنحنيان، كما يُرى من الجزء الأكبر (الفضاء الفائق متعدد الأبعاد)؛ تُظهر الأسهم كيفية انخراط الفضاء في الحركة، وتُظهر الألوان المتغيرة كيفية انحناء الزمن. الأسفل: شكل موجات الجاذبية المنبعثة.

موجات الجاذبية من الانفجار الكبير

إلى كيب ثورن. "في عام 1975، أدلى ليونيد غريشوك، صديقي العزيز من روسيا، بتصريح مثير. وقال إنه في لحظة الانفجار الكبير نشأت العديد من موجات الجاذبية، وكانت آلية حدوثها (غير معروفة سابقًا) كما يلي: التقلبات الكمية (تقلبات عشوائية – ملاحظة المحرر)تم تعزيز مجالات الجاذبية خلال الانفجار الكبير بشكل كبير من خلال التوسع الأولي للكون، وبالتالي أصبحت موجات الجاذبية الأصلية. هذه الموجات، إذا تم اكتشافها، يمكن أن تخبرنا بما حدث عند ولادة كوننا".

إذا وجد العلماء موجات الجاذبية البدائية، فسنعرف كيف بدأ الكون.

لقد حل الناس جميع أسرار الكون. لا يزال أمامنا.

في السنوات اللاحقة، مع تحسن فهمنا للانفجار الكبير، أصبح من الواضح أن هذه الموجات البدائية لا بد أن تكون قوية عند أطوال موجية تتناسب مع حجمها. الكون المرئيأي بطول مليارات السنين الضوئية. هل يمكنك أن تتخيل كم يبلغ هذا المبلغ؟.. وعند الأطوال الموجية التي تغطيها أجهزة كشف LIGO (مئات وآلاف الكيلومترات)، فمن المرجح أن تكون الموجات أضعف من أن يتم التعرف عليها.

قام فريق جيمي بوك ببناء جهاز BICEP2، الذي تم من خلاله اكتشاف أثر موجات الجاذبية الأصلية. يظهر هنا الجهاز الموجود في القطب الشمالي خلال فترة الشفق، والذي يحدث هناك مرتين فقط في السنة.

جهاز BICEP2. صورة من كتاب بين النجوم. العلم وراء الكواليس"

وهو محاط بدروع تحمي الجهاز من إشعاع الغطاء الجليدي المحيط به. يوجد في الزاوية اليمنى العليا أثر تم اكتشافه في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي - وهو نمط الاستقطاب. خطوط الحقل الكهربائيموجهة على طول ضربات خفيفة قصيرة.

أثر بداية الكون

في أوائل التسعينيات، أدرك علماء الكونيات أن موجات الجاذبية هذه، التي يبلغ طولها مليارات السنين الضوئية، لا بد أنها تركت أثرًا فريدًا في الموجات الكهرومغناطيسية التي تملأ الكون - ما يسمى بإشعاع الخلفية الكونية الميكروي، أو إشعاع الخلفية الكوني الميكروي. بدأ هذا البحث عن الكأس المقدسة. بعد كل شيء، إذا اكتشفنا هذا الأثر واستنتجنا منه خصائص موجات الجاذبية الأصلية، فيمكننا معرفة كيف ولد الكون.

في مارس 2014، بينما كان كيب ثورن يكتب هذا الكتاب، اكتشف فريق جيمي بوك، عالم الكونيات في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والذي يقع مكتبه بجوار مكتب ثورن، أخيرًا هذا الأثر في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.

هذا اكتشاف مذهل تمامًا، ولكن هناك نقطة واحدة مثيرة للجدل: الأثر الذي وجده فريق جيمي يمكن أن يكون ناجمًا عن شيء آخر غير موجات الجاذبية.

إذا تم بالفعل العثور على أثر لموجات الجاذبية التي نشأت أثناء الانفجار الكبير، فهذا يعني أن اكتشافًا كونيًا قد حدث على مستوى ربما يحدث مرة كل نصف قرن. فهو يمنحك فرصة لمس الأحداث التي حدثت بعد جزء من تريليون من تريليون من الثانية بعد ولادة الكون.

يؤكد هذا الاكتشاف النظريات القائلة بأن توسع الكون في تلك اللحظة كان سريعًا للغاية، في لغة علماء الكونيات - تضخم سريع. ويبشر بقدوم حقبة جديدة في علم الكونيات.

موجات الجاذبية وبين النجوم

بالأمس ، في مؤتمر حول اكتشاف موجات الجاذبية ، أشار فاليري ميتروفانوف ، رئيس تعاون العلماء في موسكو LIGO ، والذي يضم 8 علماء من جامعة موسكو الحكومية ، إلى أن حبكة فيلم "Interstellar" ، على الرغم من كونها رائعة ، ليست كذلك بعيدة عن الواقع. وكل ذلك لأن كيب ثورن كان المستشار العلمي. أعرب ثورن نفسه عن أمله في أن يؤمن بالرحلات المأهولة المستقبلية إلى الثقب الأسود. وقد لا تحدث هذه الأحداث بالسرعة التي نرغب فيها، ولكنها اليوم أصبحت أكثر واقعية مما كانت عليه من قبل.

اليوم ليس بعيدًا جدًا عندما يغادر الناس حدود مجرتنا.

وقد أثار هذا الحدث عقول الملايين من الناس. كتب مارك زوكربيرج سيء السمعة: “إن اكتشاف موجات الجاذبية هو أكبر اكتشاف في العلم الحديث. ألبرت أينشتاين هو أحد أبطالي، ولهذا السبب أخذت هذا الاكتشاف على محمل شخصي. منذ قرن مضى، وفي إطار النظرية النسبية العامة (GTR)، تنبأ بوجود موجات الجاذبية. لكنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها لدرجة أنه أصبح من الممكن البحث عنها في أصول مثل هذه الأحداث الانفجار العظيموانفجارات النجوم واصطدام الثقوب السوداء. عندما يقوم العلماء بتحليل البيانات التي تم الحصول عليها، سيتم فتح وجهة نظر جديدة تماما للفضاء أمامنا. وربما يلقي هذا الضوء على أصل الكون، وولادة الثقوب السوداء وتطورها. من الملهم جدًا التفكير في عدد الأرواح والجهود التي بذلت لكشف النقاب عن سر الكون هذا. أصبح هذا الاختراق ممكنا بفضل موهبة العلماء والمهندسين اللامعين، والأشخاص من جنسيات مختلفة، فضلا عن الأحدث تقنيات الكمبيوتر، والتي ظهرت مؤخرا فقط. تهانينا لجميع المشاركين. سيكون أينشتاين فخورًا بك."

هذا هو الخطاب. وهذا شخص مهتم بالعلم ببساطة. يمكن للمرء أن يتخيل مدى عاصفة العواطف التي طغت على العلماء الذين ساهموا في الاكتشاف. يبدو أننا شهدنا حقبة جديدة أيها الأصدقاء. شيء مذهل.

ملاحظة: هل أعجبك؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا في آفاق. نرسل رسائل تعليمية مرة واحدة في الأسبوع ونقدم خصومات على كتب MYTH.

نحن نعيش الآن في عالم مليء بموجات الجاذبية.

حتى الإعلان التاريخي الذي صدر صباح يوم الخميس عن اجتماع مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) في واشنطن، لم تكن هناك سوى شائعات بأن مرصد التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) قد اكتشف مكونًا رئيسيًا في النظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين، لكننا نعرف الآن الواقع أعمق مما كنا نعتقد.

بفضل الوضوح المذهل، تمكن مرصد LIGO من "سماع" اللحظة التي سبقت اندماج نظام ثنائي (ثقبان أسودان يدوران حول بعضهما البعض) في كل واحد، مما أدى إلى إنشاء إشارة موجة جاذبية واضحة جدًا وفقًا للنموذج النظري بحيث لا تتطلب مناقشة . شهد مرصد LIGO "ولادة جديدة" لثقب أسود قوي حدث قبل حوالي 1.3 مليار سنة.

لقد كانت موجات الجاذبية دائمًا وستظل تمر عبر كوكبنا (في الواقع، تمر عبرنا)، لكننا الآن فقط نعرف كيفية العثور عليها. لقد فتحنا الآن أعيننا على إشارات كونية مختلفة، واهتزازات ناجمة عن أحداث حيوية معروفة، ونشهد ولادة مجال جديد تمامًا من علم الفلك.

صوت اندماج ثقبين أسودين:

قالت غابرييلا غونزاليس، عالمة الفيزياء والمتحدثة باسم مرصد ليغو، خلال الاجتماع المنتصر يوم الخميس: "يمكننا الآن سماع صوت الكون. يمثل هذا الاكتشاف بداية حقبة جديدة: أصبح مجال علم فلك الجاذبية حقيقة واقعة الآن".

إن مكاننا في الكون يتغير بشكل كبير، وقد يكون هذا الاكتشاف أساسيًا مثل اكتشاف موجات الراديو وفهم أن الكون يتوسع.

أصبحت النظرية النسبية أكثر قيمة

إن محاولة شرح ماهية موجات الجاذبية وسبب أهميتها أمر معقد مثل المعادلات التي تصفها، لكن اكتشافها لا يعزز نظريات أينشتاين حول طبيعة الزمكان فحسب، بل أصبح لدينا الآن أداة لسبر أجزاء من الكون التي كانت غير مرئية للجميع. يمكننا الآن دراسة الموجات الكونية الناتجة عن الأحداث الأكثر نشاطًا التي تحدث في الكون، وربما استخدام موجات الجاذبية لتحقيق اكتشافات فيزيائية جديدة واستكشاف ظواهر فلكية جديدة.

وقال لويس لينر من معهد الفيزياء النظرية في أونتاريو في مقابلة بعد إعلان يوم الخميس: "علينا الآن أن نثبت أن لدينا التكنولوجيا اللازمة لتجاوز اكتشاف موجات الجاذبية، لأن ذلك يفتح الكثير من الاحتمالات".

تركز أبحاث لينر على الأجسام الكثيفة (مثل الثقوب السوداء) التي تخلق موجات جاذبية قوية. على الرغم من عدم ارتباطه بالتعاون مع LIGO، أدرك لينر بسرعة أهمية هذا الاكتشاف التاريخي. وقال: "لا توجد إشارات أفضل".

ويوضح أن هذا الاكتشاف يعتمد على ثلاثة مسارات. أولاً، نحن نعلم الآن أن موجات الجاذبية موجودة، ونعرف كيفية اكتشافها. ثانياً، تعتبر الإشارة التي رصدتها محطات مرصد ليجو في 14 سبتمبر 2015 دليلاً قوياً على وجود نظام ثنائي من الثقوب السوداء، ويزن كل ثقب أسود عدة عشرات من الكتل الشمسية. والإشارة هي بالضبط ما توقعنا رؤيته من الاندماج العنيف لثقبين أسودين، أحدهما يزن 29 مرة وزن الشمس، والآخر 36 مرة. ثالثًا، وربما الأكثر أهمية، "القدرة على الإرسال إلى ثقب أسود" هي أقوى دليل على وجود الثقوب السوداء.

الحدس الكوني

وقد رافق هذا الحدث الحظ، مثل العديد من الاكتشافات العلمية الأخرى. LIGO هو الأكثر مشروع كبير، بتمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم، والتي بدأت أصلاً في عام 2002. اتضح أنه بعد سنوات عديدة من البحث عن الإشارة المراوغة لموجات الجاذبية، لم يكن مرصد LIGO حساسًا بدرجة كافية، وفي عام 2010 تم تجميد المراصد بينما تم التعاون الدولي لزيادة حساسيتها. وبعد خمس سنوات، في سبتمبر 2015، وُلد مرصد «ليجو» المُحسّن.

في ذلك الوقت، كان كيب ثورن، أحد مؤسسي مرصد LIGO وصاحب الوزن الثقيل في مجال الفيزياء النظرية، واثقًا من نجاح مرصد LIGO، وقال لبي بي سي: "نحن هنا. وصلنا إلى الميدان لعبة عظيمة. ومن الواضح تمامًا أننا سنرفع حجاب السرية." - وكان على حق، فبعد أيام قليلة من إعادة الإعمار، اجتاحت موجة من موجات الجاذبية كوكبنا، وكان مرصد LIGO حساسًا بدرجة كافية لاكتشافها.

لا تعتبر عمليات اندماج الثقوب السوداء هذه أمرًا مميزًا؛ وتشير التقديرات إلى أن مثل هذه الأحداث تحدث كل 15 دقيقة في مكان ما في الكون. لكن هذا الاندماج بالذات حدث في المكان المناسب (على مسافة 1.3 مليار سنة ضوئية). الوقت المناسب(منذ 1.3 مليار سنة) لالتقاط إشارته بواسطة مراصد LIGO. لقد كانت إشارة نقية من الكون، وتنبأ بها أينشتاين، وتبين أن موجات الجاذبية الخاصة به حقيقية، واصفًا حدثًا كونيًا أقوى بـ 50 مرة من قوة كل النجوم في الكون مجتمعة. تم تسجيل هذا الانفجار الضخم لموجات الجاذبية بواسطة LIGO كإشارة غرد عالية التردد أثناء تصاعد الثقوب السوداء إلى ثقب واحد.

ولتأكيد انتشار موجات الجاذبية، يتكون مرصد LIGO من محطتي مراقبة، واحدة في لويزيانا والأخرى في واشنطن. وللتخلص من النتائج الإيجابية الكاذبة، يجب الكشف عن إشارة موجة الجاذبية في كلا المحطتين. وفي 14 سبتمبر، تم الحصول على النتيجة أولاً في لويزيانا، وبعد 7 مللي ثانية في واشنطن. تطابقت الإشارات، وبمساعدة التثليث، تمكن الفيزيائيون من معرفة أنها نشأت في سماء نصف الكرة الجنوبي.

موجات الجاذبية: كيف يمكن أن تكون مفيدة؟

إذن لدينا تأكيد على إشارة اندماج الثقب الأسود، لكن ماذا في ذلك؟ وهذا اكتشاف تاريخي، وهو أمر مفهوم - فقبل 100 عام، لم يكن بإمكان أينشتاين حتى أن يحلم باكتشاف هذه الموجات، لكنه حدث بالفعل.

كانت النظرية النسبية العامة واحدة من أعمق الإنجازات العلمية والفلسفية في القرن العشرين، وتشكل أساس البحث الأكثر فكرية في الواقع. في علم الفلك، تطبيقات النسبية العامة واضحة: من عدسة الجاذبية إلى قياس تمدد الكون. لكن التطبيق العملي لنظريات أينشتاين ليس واضحا على الإطلاق، بل هو الأكثر وضوحا التقنيات الحديثةالاستعانة بدروس النظرية النسبية في بعض الأمور التي تعتبر بسيطة. على سبيل المثال، لنأخذ أقمار الملاحة العالمية، فإنها لن تكون دقيقة بما فيه الكفاية ما لم يتم تطبيق تصحيح بسيط لتمدد الزمن (المتنبأ به بواسطة النسبية).

من الواضح أن النسبية العامة لها تطبيقات في العالم الحقيقي، لكن عندما قدم أينشتاين نظريته عام 1916، كان تطبيقها محل شك كبير، الأمر الذي بدا واضحًا. لقد قام ببساطة بربط الكون كما رآه، وولدت النظرية النسبية العامة. والآن تم إثبات عنصر آخر من عناصر النظرية النسبية، ولكن كيف يمكن استخدام موجات الجاذبية؟ علماء الفيزياء الفلكية وعلماء الكونيات مفتونون بالتأكيد.

وقال عالم الفيزياء النظرية، نيل توروك، مدير معهد الفيزياء النظرية، الخميس، خلال عرض بالفيديو: "بمجرد أن نجمع البيانات من أزواج من الثقوب السوداء التي ستكون بمثابة منارات منتشرة في جميع أنحاء الكون، سنكون قادرين على قياس السرعة." توسع الكون، أو كمية الطاقة المظلمة بدقة متناهية، بدقة أكبر بكثير مما نستطيع اليوم."

"لقد طور أينشتاين نظريته باستخدام بعض الأدلة من الطبيعة، ولكن بناءً على الاتساق المنطقي. وبعد 100 عام، ترى تأكيدًا دقيقًا للغاية لتوقعاته".

علاوة على ذلك، فإن حدث 14 سبتمبر يحتوي على بعض الميزات الفيزيائية التي لا تزال بحاجة إلى الاستكشاف. على سبيل المثال، أشار لينر إلى أنه من خلال تحليل إشارة موجة الجاذبية، من الممكن قياس "الدوران" أو الزخم الزاوي للثقب الأسود المندمج. وقال: "إذا كنت تعمل على النظرية لفترة طويلة، ستعرف أن الثقب الأسود له دوران خاص جدًا جدًا".

تشكل موجات الجاذبية أثناء اندماج ثقبين أسودين:

لسبب ما، يكون الدوران النهائي للثقب الأسود أبطأ من المتوقع، مما يشير إلى أن الثقبين الأسودين اصطدما بسرعة منخفضة، أو أنهما كانا في مثل هذا التصادم الذي تسبب في زخم زاوي مشترك متعاكس لبعضهما البعض. وقال لينر: "إنه أمر مثير للاهتمام، لماذا فعلت الطبيعة هذا؟".

قد يعيد هذا اللغز الأخير بعض الفيزياء الأساسية التي تم استبعادها، ولكن الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه قد يكشف عن فيزياء "جديدة" غير عادية لا تتناسب مع النسبية العامة. وهذا يسلط الضوء على الاستخدامات الأخرى لموجات الجاذبية: نظرًا لأنها تنشأ عن ظواهر جاذبية قوية، فلدينا القدرة على استكشاف هذه البيئة من بعيد، مع وجود مفاجآت محتملة على طول الطريق. بالإضافة إلى ذلك، يمكننا الجمع بين ملاحظات الظواهر الفيزيائية الفلكية والقوى الكهرومغناطيسية لفهم بنية الكون بشكل أفضل.

طلب؟

وبطبيعة الحال، بعد الإعلانات الضخمة التي صدرت عن مجموعة من الاكتشافات العلمية، يتساءل الكثير من الناس خارج المجتمع العلمي عن مدى تأثرهم. وقد يضيع عمق الاكتشاف، وهو ما ينطبق بالتأكيد على موجات الجاذبية. لكن خذ بعين الاعتبار حالة أخرى، عندما اكتشف فيلهلم رونتجن في عام 1895 الأشعة السينيةخلال التجارب على أنابيب أشعة الكاثود، قليل من الناس يعرفون أنه بعد سنوات قليلة فقط، ستصبح هذه الموجات الكهرومغناطيسية عنصرًا أساسيًا في الطب اليومي، بدءًا من التشخيص وحتى العلاج. وبالمثل، مع أول إنشاء تجريبي لموجات الراديو في عام 1887، أكد هاينريش هيرتز المعادلات الكهرومغناطيسية الشهيرة لجيمس كليرك ماكسويل. فقط بعد فترة من الوقت، في التسعينيات من القرن العشرين، أثبت جولييلمو ماركوني، الذي ابتكر جهاز إرسال واستقبال راديو، تطبيقهما العملي. كما أن معادلات شرودنغر، التي تصف عالم ديناميكيات الكم المعقد، تُستخدم الآن في تطوير الحوسبة الكمومية فائقة السرعة.

جميع الاكتشافات العلمية مفيدة، والعديد منها في نهاية المطاف له تطبيقات يومية نعتبرها أمرا مفروغا منه. في الوقت الحالي، تقتصر التطبيقات العملية لموجات الجاذبية على الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات، فلدينا الآن نافذة على "الكون المظلم"، غير مرئي للإشعاع الكهرومغناطيسي. ومما لا شك فيه أن العلماء والمهندسين سيجدون استخدامات أخرى لهذه النبضات الكونية إلى جانب استكشاف الكون. ومع ذلك، للكشف عن هذه الموجات، لا بد من وجودها تطور جيدفي الهندسة البصرية في LIGO، حيث ستظهر تقنيات جديدة مع مرور الوقت.