موجات الجاذبية – تم اكتشافها! لقد وجدنا موجات الجاذبية. ماذا بعد؟ تأثير موجات الجاذبية

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 البحث العلمي المتقدم بالقرب من باريس: «إن الفقاعة الأكبر حجمًا مشوهة». سيكون الثقب الأسود الأخير كرويًا تمامًا، لكن يجب عليه أولاً أن يصدر أنواعًا يمكن التنبؤ بها من موجات الجاذبية.

إحدى أهم النتائج العلمية لاكتشاف اندماج الثقب الأسود 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 ملاحظات للنجوم والغازات شديدة الحرارة في مدار الثقوب السوداء، وليس الثقوب السوداء نفسها.

"المجتمع العلمي، بما فيهم أنا، لا يحب الثقوب السوداء. يقول فرانس بريتوريوس، المتخصص في محاكاة النسبية العامة في جامعة برينستون في نيوجيرسي، إننا نأخذها كأمر مسلم به. "ولكن عندما نفكر 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 تلك الصادرة عن 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 الغرافيتون، وهي نظير الجاذبية للفوتونات. إذا كانت هذه الجسيمات، مثل الفوتونات، ليس لها كتلة، فإن موجات الجاذبية ستنتقل بسرعة الضوء، مما يتوافق مع التنبؤ بسرعة موجات الجاذبية في النسبية الكلاسيكية. (قد تتأثر سرعتها بالتوسع المتسارع للكون، لكن هذا يجب أن يكون واضحًا على مسافات أكبر 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 ووجدا أن الموجات وصلت إلى الأرض بعد أشعة جاما المرتبطة بالحدث الكوني، فقد يكون لذلك عواقب تغير الحياة في 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 الموجات المتفجرة، ومدى ارتفاعها، وعدد مرات حدوثها، وكيفية ارتباطها بالمستعرات الأعظم التي تتتبعها 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.

بعد مرور مائة عام على التنبؤ النظري الذي قدمه ألبرت أينشتاين في إطار النظرية النسبية العامة، تمكن العلماء من تأكيد وجود موجات الجاذبية. يبدأ عصر طريقة جديدة تمامًا لدراسة الفضاء السحيق - علم فلك موجات الجاذبية.

هناك اكتشافات مختلفة. هناك أشياء عشوائية، وهي شائعة في علم الفلك. لا توجد اكتشافات عرضية تمامًا، تم إجراؤها نتيجة "تمشيط المنطقة" بشكل شامل، مثل اكتشاف أورانوس بواسطة ويليام هيرشل. هناك صدفة - عندما كانوا يبحثون عن شيء واحد ووجدوا آخر: على سبيل المثال، اكتشفوا أمريكا. لكن الاكتشافات المخطط لها تحتل مكانة خاصة في العلوم. وهي تستند إلى تنبؤ نظري واضح. ما هو متوقع يتم البحث عنه في المقام الأول من أجل تأكيد النظرية. وتشمل هذه الاكتشافات اكتشاف بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير والكشف عن موجات الجاذبية باستخدام مقياس التداخل الليزري لمرصد موجات الجاذبية LIGO. ولكن من أجل تسجيل بعض الظواهر التي تنبأت بها النظرية، يجب أن يكون لديك فهم جيد لما يجب أن تبحث عنه بالضبط وأين تبحث عنه، بالإضافة إلى الأدوات اللازمة لذلك.

يُطلق على موجات الجاذبية تقليديًا اسم التنبؤ بالنظرية النسبية العامة (GTR) ، وهذا صحيح بالفعل (على الرغم من وجود مثل هذه الموجات الآن في جميع النماذج البديلة لـ GTR أو المكملة لها). يحدث ظهور الموجات بسبب محدودية سرعة انتشار تفاعل الجاذبية (في النسبية العامة، هذه السرعة تساوي تمامًا سرعة الضوء). مثل هذه الموجات هي اضطرابات في الزمكان تنتشر من مصدر ما. لكي تحدث موجات الجاذبية، يجب أن ينبض المصدر أو يتحرك بمعدل متسارع، ولكن بطريقة معينة. لنفترض أن الحركات ذات التماثل الكروي أو الأسطواني المثالي ليست مناسبة. هناك الكثير من هذه المصادر، ولكن في كثير من الأحيان لديهم كتلة صغيرة، غير كافية لتوليد إشارة قوية. ففي نهاية المطاف، الجاذبية هي الأضعف بين التفاعلات الأساسية الأربعة، لذلك من الصعب جدًا تسجيل إشارة الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري للتسجيل أن تتغير الإشارة بسرعة بمرور الوقت، أي أن يكون لها تردد عالٍ بما فيه الكفاية. وإلا فلن نتمكن من تسجيله، لأن التغييرات ستكون بطيئة للغاية. وهذا يعني أن الكائنات يجب أيضًا أن تكون مضغوطة.

في البداية، تولد حماس كبير بسبب انفجارات المستعرات الأعظم التي تحدث في مجرات مثل مجرتنا كل بضعة عقود. وهذا يعني أنه إذا تمكنا من تحقيق حساسية تسمح لنا برؤية إشارة من مسافة عدة ملايين من السنين الضوئية، فيمكننا الاعتماد على عدة إشارات في السنة. لكن اتضح لاحقًا أن التقديرات الأولية لقوة إطلاق الطاقة على شكل موجات جاذبية أثناء انفجار سوبر نوفا كانت متفائلة للغاية، ولا يمكن اكتشاف مثل هذه الإشارة الضعيفة إلا في حالة اندلاع سوبر نوفا في مجرتنا.

هناك خيار آخر للأجسام المدمجة الضخمة التي تتحرك بسرعة وهي النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء. يمكننا أن نرى إما عملية تكوينها، أو عملية التفاعل مع بعضها البعض. المراحل الأخيرة من انهيار النوى النجمية، مما يؤدي إلى تكوين الأجسام المدمجة، وكذلك المراحل الأخيرة من اندماج النجوم النيوترونية والثقوب السوداء، لها مدة تصل إلى عدة ميلي ثانية (وهو ما يتوافق مع تردد مئات هيرتز) - فقط ما هو مطلوب. في هذه الحالة، يتم إطلاق الكثير من الطاقة، بما في ذلك (وأحيانًا بشكل أساسي) في شكل موجات جاذبية، نظرًا لأن الأجسام المدمجة الضخمة تقوم بحركات سريعة معينة. هذه هي مصادرنا المثالية.

صحيح أن المستعرات الأعظم تندلع في المجرة مرة واحدة كل بضعة عقود، وتحدث اندماجات النجوم النيوترونية مرة واحدة كل بضعة عشرات الآلاف من السنين، وتندمج الثقوب السوداء مع بعضها البعض بشكل أقل. لكن الإشارة أقوى بكثير، ويمكن حساب خصائصها بدقة تامة. لكننا الآن بحاجة إلى أن نكون قادرين على رؤية الإشارة من مسافة عدة مئات من ملايين السنين الضوئية لتغطية عدة عشرات الآلاف من المجرات واكتشاف عدة إشارات في العام.

وبعد تحديد المصادر، سنبدأ في تصميم الكاشف. للقيام بذلك، عليك أن تفهم ما تفعله موجة الجاذبية. وبدون الخوض في التفاصيل، يمكننا القول أن مرور موجة الجاذبية يسبب قوة المد والجزر (المد والجزر القمري أو الشمسي العادي ظاهرة منفصلة، ​​وموجات الجاذبية لا علاقة لها بها). لذا يمكنك أن تأخذ، على سبيل المثال، أسطوانة معدنية، وتزودها بأجهزة استشعار وتدرس اهتزازاتها. هذا ليس بالأمر الصعب، ولهذا السبب بدأ تصنيع مثل هذه التركيبات منذ نصف قرن (وهي متوفرة أيضًا في روسيا؛ والآن يتم تركيب كاشف محسن طوره فريق فالنتين رودينكو من SAI MSU في مختبر باكسان تحت الأرض). المشكلة هي أن مثل هذا الجهاز سوف يرى الإشارة دون أي موجات جاذبية. هناك الكثير من الضوضاء التي يصعب التعامل معها. من الممكن (وقد تم ذلك!) تثبيت الكاشف تحت الأرض، ومحاولة عزله، وتبريده إلى درجات حرارة منخفضة، لكنك لا تزال بحاجة إلى إشارة موجة جاذبية قوية جدًا لتجاوز مستوى الضوضاء. لكن الإشارات القوية نادراً ما تأتي.

لذلك، تم الاختيار لصالح مخطط آخر، تم طرحه في عام 1962 من قبل فلاديسلاف بوستوفويت وميخائيل هيرزينستين. في مقال نشر في JETP (مجلة الفيزياء التجريبية والنظرية)، اقترحوا استخدام مقياس تداخل ميكلسون للكشف عن موجات الجاذبية. يمر شعاع الليزر بين المرايا في ذراعي مقياس التداخل، ثم تضاف الأشعة من الأذرع المختلفة. ومن خلال تحليل نتيجة تداخل الشعاع، يمكن قياس التغير النسبي في أطوال الذراع. هذه قياسات دقيقة جدًا، لذا إذا تغلبت على الضوضاء، يمكنك تحقيق حساسية رائعة.

وفي أوائل التسعينيات، تقرر بناء العديد من أجهزة الكشف باستخدام هذا التصميم. أول من دخل حيز التشغيل كانت منشآت صغيرة نسبيًا، GEO600 في أوروبا و TAMA300 في اليابان (الأرقام تتوافق مع طول الأذرع بالأمتار) لاختبار التكنولوجيا. لكن اللاعبين الرئيسيين كان من المقرر أن يكونوا منشآت LIGO في الولايات المتحدة الأمريكية وVIRGO في أوروبا. يتم قياس حجم هذه الأجهزة بالفعل بالكيلومترات، ومن المفترض أن تسمح الحساسية النهائية المخطط لها برؤية العشرات، إن لم يكن المئات من الأحداث سنويًا.

لماذا هناك حاجة لأجهزة متعددة؟ في المقام الأول للتحقق من الصحة، نظرًا لوجود ضوضاء محلية (مثل الزلازل). سيكون الكشف المتزامن للإشارة في شمال غرب الولايات المتحدة وإيطاليا دليلاً ممتازًا على أصلها الخارجي. ولكن هناك سببًا ثانيًا: أجهزة كشف موجات الجاذبية ضعيفة جدًا في تحديد الاتجاه إلى المصدر. ولكن إذا كان هناك العديد من أجهزة الكشف متباعدة، فسيكون من الممكن الإشارة إلى الاتجاه بدقة تامة.

عمالقة الليزر

تم بناء كاشفات LIGO في شكلها الأصلي في عام 2002، وكاشفات VIRGO في عام 2003. وفقا للخطة، كانت هذه هي المرحلة الأولى فقط. عملت جميع التركيبات لعدة سنوات، وفي الفترة 2010-2011 تم إيقافها لإجراء تعديلات، من أجل الوصول بعد ذلك إلى الحساسية العالية المخطط لها. كانت كاشفات LIGO أول من تم تشغيله في سبتمبر 2015، ومن المفترض أن ينضم VIRGO في النصف الثاني من عام 2016، ومن هذه المرحلة تتيح لنا الحساسية أن نأمل في تسجيل عدة أحداث على الأقل سنويًا.

بعد أن بدأ مرصد LIGO في العمل، كان معدل الانفجار المتوقع حوالي حدث واحد شهريًا. قدر علماء الفيزياء الفلكية مسبقًا أن الأحداث الأولى المتوقعة ستكون اندماجات الثقوب السوداء. ويرجع ذلك إلى أن الثقوب السوداء عادة ما تكون أثقل بعشر مرات من النجوم النيوترونية، والإشارة أقوى، وهي "مرئية" من مسافات كبيرة، وهو ما يعوض انخفاض معدل الأحداث لكل مجرة. ولحسن الحظ، لم يكن علينا الانتظار طويلا. في 14 سبتمبر 2015، سجلت كلا التثبيتين إشارة متطابقة تقريبًا، تسمى GW150914.

ومن خلال تحليل بسيط إلى حد ما، يمكن الحصول على بيانات مثل كتل الثقب الأسود وقوة الإشارة والمسافة إلى المصدر. ترتبط كتلة وحجم الثقوب السوداء بطريقة بسيطة جدًا ومعروفة، ومن خلال تردد الإشارة يمكن تقدير حجم منطقة إطلاق الطاقة على الفور. وفي هذه الحالة، يشير الحجم إلى أنه من ثقبين كتلتهما 25-30 و35-40 كتلة شمسية، تشكل ثقب أسود كتلته أكثر من 60 كتلة شمسية. وبمعرفة هذه البيانات، يمكن الحصول على الطاقة الإجمالية للانفجار. تم تحويل ما يقرب من ثلاث كتل شمسية إلى إشعاع الجاذبية. وهذا يتوافق مع لمعان 1023 من اللمعان الشمسي - تقريبًا نفس الكمية التي تنبعث منها جميع النجوم في الجزء المرئي من الكون خلال هذا الوقت (جزء من مائة من الثانية). ومن الطاقة المعلومة وحجم الإشارة المقاسة يتم الحصول على المسافة. أتاحت الكتلة الكبيرة للأجسام المندمجة تسجيل حدث وقع في مجرة ​​بعيدة: استغرقت الإشارة حوالي 1.3 مليار سنة للوصول إلينا.

يتيح التحليل الأكثر تفصيلا توضيح نسبة الكتلة للثقوب السوداء وفهم كيفية دورانها حول محورها، وكذلك تحديد بعض المعلمات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، تتيح الإشارة الصادرة من منشأتين إمكانية تحديد اتجاه الانفجار تقريبًا. لسوء الحظ، فإن الدقة هنا ليست عالية جدًا بعد، ولكن مع تشغيل VIRGO المحدث، ستزداد. وفي غضون سنوات قليلة، سيبدأ كاشف KAGRA الياباني في استقبال الإشارات. بعد ذلك، سيتم تجميع أحد أجهزة كشف LIGO (كان هناك ثلاثة في الأصل، وكانت إحدى التركيبات مزدوجة) في الهند، ومن المتوقع أن يتم تسجيل عشرات الأحداث سنويًا.

عصر علم الفلك الجديد

في الوقت الحالي، أهم نتيجة لعمل LIGO هي تأكيد وجود موجات الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك، أتاح الانفجار الأول تحسين القيود المفروضة على كتلة الجرافيتون (في النسبية العامة كتلته صفر)، وكذلك الحد بقوة أكبر من الفرق بين سرعة انتشار الجاذبية وسرعة الجاذبية. ضوء. لكن العلماء يأملون أن يتمكنوا بالفعل في عام 2016 من الحصول على الكثير من البيانات الفيزيائية الفلكية الجديدة باستخدام LIGO وVIRGO.

أولاً، توفر البيانات الواردة من مراصد موجات الجاذبية وسيلة جديدة لدراسة الثقوب السوداء. إذا كان من الممكن في السابق فقط مراقبة تدفقات المادة في محيط هذه الأجسام، فيمكنك الآن "رؤية" مباشرة عملية دمج و"تهدئة" الثقب الأسود الناتج، وكيف يتقلب أفقه، ويأخذ شكله النهائي ( تحدد بالتناوب). ربما، حتى اكتشاف هوكينج تبخر الثقوب السوداء (في الوقت الحالي تظل هذه العملية فرضية)، فإن دراسة عمليات الاندماج ستوفر معلومات مباشرة أفضل عنها.

ثانيًا، ستوفر عمليات رصد اندماج النجوم النيوترونية الكثير من المعلومات الجديدة المطلوبة بشدة حول هذه الأجسام. ولأول مرة، سنكون قادرين على دراسة النجوم النيوترونية بنفس الطريقة التي يدرس بها الفيزيائيون الجسيمات: مشاهدتها وهي تتصادم لفهم كيفية عملها في الداخل. إن سر البنية الداخلية للنجوم النيوترونية يثير قلق علماء الفيزياء الفلكية والفيزيائيين. إن فهمنا للفيزياء النووية وسلوك المادة عند الكثافات الفائقة لن يكتمل دون حل هذه المشكلة. من المحتمل أن تلعب ملاحظات موجات الجاذبية دورًا رئيسيًا هنا.

ويعتقد أن اندماج النجوم النيوترونية هو المسؤول عن انفجارات أشعة غاما الكونية القصيرة. في حالات نادرة، سيكون من الممكن مراقبة حدث ما في وقت واحد في نطاق جاما وعلى أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية (ترجع الندرة إلى حقيقة أن إشارة جاما تتركز في شعاع ضيق جدًا، وهي ليست كذلك) موجهة إلينا دائمًا، لكن ثانيًا، لن نسجل موجات الجاذبية من أحداث بعيدة جدًا). على ما يبدو، سوف يستغرق الأمر عدة سنوات من الملاحظة حتى تتمكن من رؤية ذلك (على الرغم من أنك قد تكون محظوظًا كالعادة وسيحدث ذلك اليوم). بعد ذلك، من بين أمور أخرى، سنكون قادرين على مقارنة سرعة الجاذبية بدقة مع سرعة الضوء.

وبالتالي، ستعمل مقاييس التداخل الليزرية معًا كتلسكوب واحد لموجة الجاذبية، مما يوفر معرفة جديدة لكل من علماء الفيزياء الفلكية والفيزيائيين. حسنًا، عاجلاً أم آجلاً، سيتم منح جائزة نوبل المستحقة لاكتشاف الانفجارات الأولى وتحليلها.

دعونا نتذكر أنه منذ بضعة أيام أعلن علماء مرصد LIGO عن إنجاز كبير في مجال الفيزياء والفيزياء الفلكية ودراستنا للكون: اكتشاف موجات الجاذبية، الذي تنبأ به ألبرت أينشتاين قبل 100 عام. التقت جيزمودو بالدكتور أمبر ستافير من مرصد ليفينجستون في لويزيانا، وهو مشروع تعاوني مع مرصد ليجو، لسؤال المزيد حول ما يعنيه هذا بالنسبة للفيزياء. نحن ندرك أنه في بضع مقالات فقط سيكون من الصعب التوصل إلى فهم عالمي لطريقة جديدة لفهم عالمنا، لكننا سنحاول.

لقد تم إنجاز قدر هائل من العمل لاكتشاف موجة جاذبية واحدة حتى الآن، وكان ذلك إنجازًا كبيرًا. يبدو أن هناك الكثير من الاحتمالات الجديدة لعلم الفلك آخذة في الانفتاح - ولكن هل هذا الاكتشاف الأول دليل "بسيط" على أن الاكتشاف ممكن في حد ذاته، أم أنه يمكنك بالفعل استخلاص المزيد من التقدم العلمي منه؟ وماذا تأمل أن تخرج منه في المستقبل؟ فهل ستكون هناك طرق أبسط للكشف عن هذه الموجات في المستقبل؟

يعد هذا حقًا اكتشافًا أوليًا، وهو إنجاز كبير، لكن الهدف كان دائمًا هو استخدام موجات الجاذبية للقيام بعلم فلك جديد. بدلاً من البحث في الكون عن الضوء المرئي، يمكننا الآن أن نشعر بالتغيرات الطفيفة في الجاذبية التي تسببها أكبر وأقوى الأشياء (في رأيي) وأكثرها إثارة للاهتمام في الكون - بما في ذلك بعض الأشياء التي لم نتمكن من معرفتها أبدًا من خلال الكون. مساعدة من الضوء.

لقد تمكنا من تطبيق هذا النوع الجديد من علم الفلك على موجات الكشف الأولى. وباستخدام ما نعرفه بالفعل عن النسبية العامة، تمكنا من التنبؤ بموجات الجاذبية الصادرة عن أجسام مثل الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية. الإشارة التي وجدناها تطابقت مع زوج من الثقوب السوداء، أحدهما يبلغ حجمه 36 ضعفًا والآخر يبلغ 29 مرة كتلة الشمس، ويدوران عندما يقتربان من بعضهما البعض. وأخيرا، يندمجون في ثقب أسود واحد. لذا فإن هذا ليس أول اكتشاف لموجات الجاذبية فحسب، بل هو أيضًا أول رصد مباشر للثقوب السوداء، لأنه لا يمكن ملاحظتها باستخدام الضوء (فقط من خلال المادة التي تدور حولها).

لماذا أنت متأكد من أن التأثيرات الخارجية (مثل الاهتزاز) لا تؤثر على النتائج؟

في LIGO، نسجل المزيد من البيانات المتعلقة ببيئتنا ومعداتنا مقارنة بالبيانات التي قد تحتوي على إشارة موجة الجاذبية. والسبب في ذلك هو أننا نريد أن نكون واثقين قدر الإمكان من أننا لا ننخدع بتأثيرات خارجية أو يتم تضليلنا في اكتشاف موجة الجاذبية. إذا شعرنا بوجود تربة غير طبيعية عند اكتشاف إشارة موجة الجاذبية، فمن المرجح أن نرفض هذا المرشح.

فيديو: موجات الجاذبية باختصار

إجراء آخر نتخذه للتأكد من أننا لا نرى شيئًا عشوائيًا هو أن نجعل كاشفي LIGO يرون نفس الإشارة خلال مقدار الوقت الذي تستغرقه موجة الجاذبية للانتقال بين الجسمين. الحد الأقصى للوقت لمثل هذه الرحلة هو حوالي 10 مللي ثانية. وللتأكد من إمكانية الكشف، يجب أن نرى إشارات من نفس الشكل، وفي نفس الوقت تقريبًا، كما يجب أن تكون البيانات التي نجمعها عن بيئتنا خالية من الحالات الشاذة.

هناك العديد من الاختبارات الأخرى التي يخضع لها المرشح، ولكن هذه هي الاختبارات الرئيسية.

فهل هناك طريقة عملية لتوليد موجات الجاذبية التي يمكن اكتشافها بواسطة مثل هذه الأجهزة؟ هل سنكون قادرين على بناء راديو الجاذبية أو الليزر؟

أنت تقترح ما فعله هاينريش هيرتز في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر لاكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية على شكل موجات راديو. لكن الجاذبية هي أضعف القوى الأساسية التي تربط الكون ببعضه البعض. لهذا السبب، فإن حركة الكتلة في المختبر أو أي منشأة أخرى لإنشاء موجات الجاذبية ستكون ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها حتى بواسطة كاشف مثل LIGO. لإنشاء موجات قوية بما فيه الكفاية، علينا أن ندير الدمبل بسرعة كبيرة بحيث يمكن أن يمزق أي مادة معروفة. ولكن هناك العديد من الأحجام الكبيرة من الكتلة في الكون والتي تتحرك بسرعة كبيرة، لذلك قمنا ببناء أجهزة كشف للبحث عنها.

هل سيغير هذا التأكيد مستقبلنا؟ فهل سنتمكن من استخدام قوة هذه الموجات لاستكشاف الفضاء الخارجي؟ فهل سيكون من الممكن التواصل باستخدام هذه الموجات؟

نظرًا لكمية الكتلة التي يجب أن تتحرك بسرعات قصوى لإنتاج موجات الجاذبية التي تستطيع أجهزة الكشف مثل LIGO اكتشافها، فإن الآلية الوحيدة المعروفة لذلك هي دوران أزواج من النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء قبل الاندماج (قد تكون هناك مصادر أخرى). إن احتمالات أن تكون بعض الحضارات المتقدمة تتلاعب بالمادة منخفضة للغاية. شخصياً، لا أعتقد أنه سيكون أمراً رائعاً اكتشاف حضارة قادرة على استخدام موجات الجاذبية كوسيلة للاتصال، لأنها يمكن أن تقتلنا بسهولة.

هل موجات الجاذبية متماسكة؟ هل من الممكن جعلها متماسكة؟ هل من الممكن التركيز عليهم؟ ماذا سيحدث لجسم ضخم يتأثر بحزمة الجاذبية المركزة؟ هل يمكن استخدام هذا التأثير لتحسين مسرعات الجسيمات؟

بعض أنواع موجات الجاذبية يمكن أن تكون متماسكة. دعونا نتخيل نجمًا نيوترونيًا يكاد يكون كرويًا تمامًا. فإذا دارت بسرعة، فإن التشوهات الصغيرة التي تقل عن بوصة واحدة ستنتج موجات جاذبية ذات تردد معين، مما يجعلها متماسكة. لكن تركيز موجات الجاذبية أمر صعب للغاية لأن الكون شفاف بالنسبة لها؛ تنتقل موجات الجاذبية عبر المادة وتخرج دون تغيير. تحتاج إلى تغيير مسار بعض موجات الجاذبية على الأقل لتركيزها. ربما يمكن لشكل غريب من عدسة الجاذبية أن يركز جزئيًا على الأقل على موجات الجاذبية، ولكن سيكون من الصعب، إن لم يكن من المستحيل، تسخيرها. إذا أمكن التركيز عليها، فستظل ضعيفة جدًا لدرجة أنني لا أستطيع تخيل أي فائدة عملية لها. لكنهم تحدثوا أيضًا عن أشعة الليزر، والتي هي في الأساس مجرد ضوء متماسك مركّز، فمن يدري.

ما هي سرعة موجة الجاذبية؟ هل لها كتلة؟ وإذا لم يكن الأمر كذلك، فهل يمكن أن يسافر بسرعة أكبر من سرعة الضوء؟

ويعتقد أن موجات الجاذبية تنتقل بسرعة الضوء. هذه هي السرعة التي تحددها النسبية العامة. لكن تجارب مثل LIGO يجب أن تختبر هذا. ربما يتحركون بشكل أبطأ قليلاً من سرعة الضوء. إذا كان الأمر كذلك، فإن الجسيم النظري المرتبط بالجاذبية، الغرافيتون، سيكون له كتلة. وبما أن الجاذبية نفسها تعمل بين الكتل، فإن هذا سيزيد من تعقيد النظرية. ولكن ليس الاستحالة. نحن نستخدم شفرة أوكام: التفسير الأبسط عادة ما يكون هو الأصح.

إلى أي مدى يجب أن تكون بعيدًا عن اندماج الثقب الأسود حتى تتمكن من التحدث عنه؟

في حالة الثقوب السوداء الثنائية، التي اكتشفناها من موجات الجاذبية، فقد أحدثت تغيرًا أقصى في طول أذرعنا التي يبلغ طولها 4 كيلومترات، وهو 1 × 10 -18 مترًا (أي 1/1000 من قطر البروتون). ونعتقد أيضًا أن هذه الثقوب السوداء تبعد 1.3 مليار سنة ضوئية عن الأرض.

لنفترض الآن أن طولنا مترين وأننا نطفو على مسافة الأرض من الشمس من الثقب الأسود. أعتقد أنك ستختبر التسطيح والتمدد بالتناوب لحوالي 165 نانومتر (يتغير طولك أكثر على مدار اليوم). يمكن النجاة من هذا.

بطريقة جديدة لسماع الكون، ما هو أكثر ما يهتم به العلماء؟

الإمكانيات ليست معروفة بالكامل، بمعنى أنه قد يكون هناك أماكن أكثر بكثير مما كنا نعتقد. كلما تعلمنا أكثر عن الكون، كلما تمكنا من الإجابة على أسئلته بشكل أفضل باستخدام موجات الجاذبية. على سبيل المثال، هذه:

• ما الذي يسبب انفجارات أشعة جاما؟
• كيف تتصرف المادة في ظل الظروف القاسية للنجم المنهار؟
• ما هي اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير؟
• كيف تتصرف المادة في النجوم النيوترونية؟

لكنني مهتم أكثر بالأشياء غير المتوقعة التي يمكن اكتشافها باستخدام موجات الجاذبية. في كل مرة لاحظ فيها الناس الكون بطريقة جديدة، اكتشفنا العديد من الأشياء غير المتوقعة التي قلبت فهمنا للكون رأسًا على عقب. أريد العثور على موجات الجاذبية هذه واكتشاف شيء لم تكن لدينا أي فكرة عنه من قبل.

هل سيساعدنا هذا في صنع محرك انفتال حقيقي؟

وبما أن موجات الجاذبية تتفاعل بشكل ضعيف مع المادة، فمن الصعب استخدامها لتحريك هذه المادة. ولكن حتى لو استطعت، فإن موجة الجاذبية تنتقل فقط بسرعة الضوء. أنها ليست مناسبة لمحرك الاعوجاج. سيكون رائعًا بالرغم من ذلك.

ماذا عن الأجهزة المضادة للجاذبية؟

لإنشاء جهاز مضاد للجاذبية، نحتاج إلى تحويل قوة الجذب إلى قوة تنافر. وعلى الرغم من أن موجة الجاذبية تنشر التغيرات في الجاذبية، فإن التغيير لن يكون أبدًا مثيرًا للاشمئزاز (أو سلبيًا).

تتجاذب الجاذبية دائمًا لأنه لا يبدو أن الكتلة السالبة موجودة. بعد كل شيء، هناك شحنة موجبة وسالبة، وقطب مغناطيسي شمالي وجنوبي، ولكن كتلة موجبة فقط. لماذا؟ إذا كانت هناك كتلة سالبة، فإن كرة المادة ستسقط للأعلى بدلًا من الأسفل. سيتم صده بواسطة الكتلة الإيجابية للأرض.

ماذا يعني هذا بالنسبة للقدرة على السفر عبر الزمن والنقل الآني؟ هل يمكننا إيجاد تطبيق عملي لهذه الظاهرة غير دراسة الكون؟

حاليًا، أفضل طريقة للسفر عبر الزمن (وإلى المستقبل فقط) هي السفر بسرعة قريبة من سرعة الضوء (تذكر مفارقة التوأم في النسبية العامة) أو الذهاب إلى منطقة ذات جاذبية متزايدة (تم إثبات هذا النوع من السفر عبر الزمن). في بين النجوم). نظرًا لأن موجة الجاذبية تنشر تغيرات في الجاذبية، فإنها ستنتج تقلبات صغيرة جدًا في سرعة الزمن، ولكن بما أن موجات الجاذبية ضعيفة بطبيعتها، فإن تقلبات الوقت كذلك. وعلى الرغم من أنني لا أعتقد أن هذا يمكن تطبيقه على السفر عبر الزمن (أو النقل الآني)، فلا تقل أبدًا أبدًا (أراهن أنه حبس أنفاسك).

هل سيأتي يوم نتوقف فيه عن التحقق من صحة أينشتاين ونبدأ في البحث عن أشياء غريبة مرة أخرى؟

بالتأكيد! وبما أن الجاذبية هي أضعف القوى، فمن الصعب أيضًا تجربتها. حتى الآن، في كل مرة اختبر فيها العلماء النسبية العامة، كانوا يتلقون نتائج متوقعة تمامًا. وحتى اكتشاف موجات الجاذبية أكد مرة أخرى نظرية أينشتاين. لكنني أعتقد أنه عندما نبدأ باختبار أصغر تفاصيل النظرية (ربما باستخدام موجات الجاذبية، أو ربما بشيء آخر)، سنجد أشياء "مضحكة"، مثل عدم تطابق النتيجة التجريبية تمامًا مع التوقعات. وهذا لا يعني أن GTR خاطئة، فقط الحاجة إلى توضيح تفاصيلها.

بالفيديو: كيف فجرت موجات الجاذبية الإنترنت؟

في كل مرة نجيب على سؤال واحد حول الطبيعة، تظهر أسئلة جديدة. في نهاية المطاف سيكون لدينا أسئلة أكثر روعة من الإجابات التي يمكن أن تقدمها النسبية العامة.

هل يمكنك شرح كيف يمكن أن يرتبط هذا الاكتشاف بنظرية المجال الموحد أو يؤثر عليها؟ فهل نحن أقرب إلى تأكيد ذلك أم إلى دحضه؟

الآن نتائج اكتشافنا مخصصة بشكل أساسي لاختبار وتأكيد النسبية العامة. تسعى نظرية المجال الموحد إلى إنشاء نظرية تشرح فيزياء الأشياء الصغيرة جدًا (ميكانيكا الكم) والكبيرة جدًا (النسبية العامة). والآن يمكن تعميم هاتين النظريتين لتفسير حجم العالم الذي نعيش فيه، ولكن ليس أكثر. ولأن اكتشافنا يركز على فيزياء الأشياء الكبيرة جدًا، فإنه في حد ذاته لن يفعل الكثير لدفعنا نحو نظرية موحدة. ولكن هذا ليس السؤال. لقد ولد للتو مجال فيزياء موجات الجاذبية. وبينما نتعلم المزيد، فإننا بالتأكيد سنوسع نتائجنا إلى عالم النظرية الموحدة. ولكن قبل أن تجري، عليك أن تمشي.

الآن بعد أن استمعنا إلى موجات الجاذبية، ما الذي يجب على العلماء سماعه حتى ينفخوا حجرًا حرفيًا؟ 1) أنماط/هياكل غير طبيعية؟ 2) مصادر موجات الجاذبية من المناطق التي اعتقدنا أنها فارغة؟ 3) ريك آستلي - لن أتخلى عنك أبدًا؟

عندما قرأت سؤالك، فكرت على الفور في المشهد من فيلم "الاتصال" الذي يلتقط فيه التلسكوب الراديوي أنماطًا من الأعداد الأولية. من غير المرجح أن يتم العثور على هذا في الطبيعة (على حد علمنا). لذلك سيكون خيارك بنمط أو هيكل غير طبيعي هو الأرجح.

لا أعتقد أننا سنتأكد أبدًا من وجود فراغ في منطقة معينة من الفضاء. وفي النهاية، كان نظام الثقب الأسود الذي اكتشفناه معزولًا ولم يكن هناك أي ضوء قادم من المنطقة، لكننا مازلنا نرصد موجات الجاذبية هناك.

فيما يتعلق بالموسيقى... فأنا متخصص في فصل إشارات موجات الجاذبية عن الضوضاء الساكنة التي نقيسها باستمرار في بيئة الخلفية. إذا وجدت موسيقى في موجة الجاذبية، وخاصة الموسيقى التي سمعتها من قبل، فستكون خدعة. لكن الموسيقى التي لم تُسمع من قبل على وجه الأرض... سيكون الأمر كما هو الحال مع الحالات البسيطة من "الاتصال".

بما أن التجربة تكتشف الموجات عن طريق تغيير المسافة بين جسمين، فهل سعة اتجاه واحد أكبر من الآخر؟ وإلا، ألا تعني البيانات التي تتم قراءتها أن حجم الكون يتغير؟ وإذا كان الأمر كذلك فهل هذا يؤكد التوسع أم أنه أمر غير متوقع؟

نحن بحاجة لرؤية العديد من موجات الجاذبية القادمة من اتجاهات مختلفة في الكون قبل أن نتمكن من الإجابة على هذا السؤال. في علم الفلك، يؤدي هذا إلى إنشاء نموذج سكاني. كم عدد أنواع الأشياء المختلفة الموجودة؟ هذا هو السؤال الرئيسي. بمجرد أن يكون لدينا الكثير من الملاحظات ونبدأ في رؤية أنماط غير متوقعة، على سبيل المثال أن موجات الجاذبية من نوع معين تأتي من جزء معين من الكون وليس من أي مكان آخر، ستكون هذه نتيجة مثيرة للاهتمام للغاية. يمكن أن تؤكد بعض الأنماط التوسع (وهو ما نحن واثقون منه تمامًا) أو ظواهر أخرى لم ندركها بعد. لكن علينا أولًا أن نرى المزيد من موجات الجاذبية.

من غير المفهوم تمامًا بالنسبة لي كيف قرر العلماء أن الموجات التي قاسوها تنتمي إلى ثقبين أسودين هائلين. كيف يمكن تحديد مصدر الموجات بهذه الدقة؟

تستخدم طرق تحليل البيانات كتالوجًا لإشارات موجات الجاذبية المتوقعة لمقارنتها ببياناتنا. إذا كان هناك ارتباط قوي مع أحد هذه التنبؤات أو الأنماط، فإننا لا نعرف أنها موجة جاذبية فحسب، بل نعرف أيضًا النظام الذي أنتجها.

في كل طريقة يتم بها إنشاء موجة الجاذبية، سواء كان ذلك اندماج الثقوب السوداء، أو دوران النجوم، أو موت النجوم، فإن الموجات جميعها لها أشكال مختلفة. عندما نكتشف موجة الجاذبية، نستخدم هذه الأشكال، كما تنبأت النسبية العامة، لتحديد سببها.

كيف نعرف أن هذه الموجات جاءت نتيجة اصطدام ثقبين أسودين وليس حدثًا آخر؟ هل من الممكن التنبؤ بمكان وزمان حدوث مثل هذا الحدث بأي درجة من الدقة؟

بمجرد أن نعرف النظام الذي أنتج موجة الجاذبية، يمكننا التنبؤ بمدى قوة موجة الجاذبية بالقرب من مكان نشأتها. ومن خلال قياس قوتها عند وصولها إلى الأرض ومقارنة قياساتنا بالقوة المتوقعة للمصدر، يمكننا حساب مدى بعد المصدر. وبما أن موجات الجاذبية تنتقل بسرعة الضوء، فيمكننا أيضًا حساب المدة التي استغرقتها موجات الجاذبية للانتقال نحو الأرض.

وفي حالة نظام الثقب الأسود الذي اكتشفناه، قمنا بقياس أقصى تغير في طول أذرع مرصد LIGO لكل 1/1000 من قطر البروتون. يقع هذا النظام على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية. وموجة الجاذبية، التي اكتشفت في سبتمبر/أيلول الماضي وأعلن عنها مؤخرا، تتجه نحونا منذ 1.3 مليار سنة. حدث هذا قبل أن تتشكل الحياة الحيوانية على الأرض، ولكن بعد ظهور الكائنات متعددة الخلايا.

وفي وقت الإعلان، ذُكر أن أجهزة الكشف الأخرى ستبحث عن موجات ذات فترات أطول - بل إن بعضها كوني. ماذا يمكنك أن تخبرنا عن هذه الكاشفات الكبيرة؟

يوجد بالفعل كاشف للفضاء قيد التطوير. يطلق عليه LISA (هوائي تداخل الليزر الفضائي). نظرًا لأنه سيكون في الفضاء، فسيكون حساسًا جدًا لموجات الجاذبية منخفضة التردد، على عكس أجهزة الكشف الأرضية، وذلك بسبب الاهتزازات الطبيعية للأرض. سيكون الأمر صعبًا لأنه سيتعين وضع الأقمار الصناعية بعيدًا عن الأرض أكثر من أي وقت مضى للبشر. إذا حدث خطأ ما، فلن نتمكن من إرسال رواد فضاء للإصلاحات كما فعلنا مع هابل في التسعينيات. ولاختبار التقنيات اللازمة، تم إطلاق مهمة LISA Pathfinder في ديسمبر. لقد أكملت حتى الآن جميع مهامها، لكن المهمة لم تنته بعد.

هل من الممكن تحويل موجات الجاذبية إلى موجات صوتية؟ وإذا كان الأمر كذلك، كيف سوف تبدو؟

يستطيع. وبطبيعة الحال، لن تسمع فقط موجة الجاذبية. لكن إذا أخذت الإشارة ومررتها عبر مكبرات الصوت، يمكنك سماعها.

ماذا يجب أن نفعل بهذه المعلومات؟ هل تبعث الأجسام الفلكية الأخرى ذات الكتلة الكبيرة هذه الموجات؟ هل يمكن استخدام الموجات للعثور على الكواكب أو الثقوب السوداء البسيطة؟

عند البحث عن قيم الجاذبية، ليست الكتلة فقط هي التي تهم. وكذلك التسارع المتأصل في الجسم. كانت الثقوب السوداء التي اكتشفناها تدور حول بعضها البعض بسرعة 60% من سرعة الضوء عند اندماجها. ولهذا السبب تمكنا من اكتشافهم أثناء عملية الدمج. ولكن الآن لم يعد هناك المزيد من موجات الجاذبية القادمة منها، لأنها اندمجت في كتلة واحدة غير نشطة.

لذا فإن أي شيء له كتلة كبيرة ويتحرك بسرعة كبيرة يخلق موجات جاذبية يمكن اكتشافها.

من غير المرجح أن تمتلك الكواكب الخارجية كتلة أو تسارعًا كافيين لإنتاج موجات جاذبية يمكن اكتشافها. (أنا لا أقول أنهم لم يخلقوها على الإطلاق، ولكنهم لن يكونوا أقوياء بما فيه الكفاية أو على تردد مختلف). وحتى لو كان الكوكب الخارجي ضخمًا بما يكفي لإنتاج الموجات اللازمة، فإن التسارع سوف يمزقه. لا تنس أن الكواكب الأكثر ضخامة تميل إلى أن تكون عمالقة غازية.

ما مدى صحة تشبيه الموجات في الماء؟ هل يمكننا ركوب هذه الأمواج؟ هل توجد "قمم" الجاذبية، مثل "الآبار" المعروفة بالفعل؟

وبما أن موجات الجاذبية يمكن أن تتحرك عبر المادة، فلا توجد طريقة لركوبها أو تسخيرها للدفع. لذلك لا يوجد تصفح لموجات الجاذبية.

"القمم" و"الآبار" رائعة. الجاذبية تنجذب دائمًا لأنه لا توجد كتلة سلبية. لا نعرف السبب، لكن لم تتم ملاحظته مطلقًا في المختبر أو في الكون. ولذلك، عادة ما يتم تمثيل الجاذبية على أنها "بئر". الكتلة التي تتحرك على طول هذا "البئر" سوف تنخفض بشكل أعمق؛ هذه هي الطريقة التي يعمل بها الجذب. إذا كان لديك كتلة سلبية، فسوف تحصل على التنافر، ومعها "الذروة". الكتلة التي تتحرك عند "الذروة" سوف تنحني بعيدًا عنها. لذا فإن "الآبار" موجودة، لكن "القمم" غير موجودة.

التشبيه بالماء جيد، طالما أننا نتحدث عن حقيقة أن قوة الموجة تتناقص مع المسافة المقطوعة من المصدر. ستصبح موجة الماء أصغر فأصغر، وستصبح موجة الجاذبية أضعف فأضعف.

كيف سيؤثر هذا الاكتشاف على وصفنا للفترة التضخمية للانفجار الكبير؟

في الوقت الحالي، ليس لهذا الاكتشاف أي تأثير تقريبًا على التضخم. للإدلاء بتصريحات كهذه، يجب على المرء أن يلاحظ بقايا موجات الجاذبية للانفجار الكبير. اعتقد مشروع BICEP2 أنه رصد موجات الجاذبية هذه بشكل غير مباشر، لكن تبين أن الغبار الكوني هو السبب. وإذا حصل على البيانات الصحيحة، فإنها ستؤكد أيضًا وجود فترة قصيرة من التضخم بعد وقت قصير من الانفجار الكبير.

سيكون مرصد LIGO قادرًا على رؤية موجات الجاذبية هذه مباشرةً (سيكون هذا أيضًا أضعف أنواع موجات الجاذبية التي نأمل اكتشافها). إذا رأيناهم، فسنكون قادرين على النظر بعمق في ماضي الكون، كما لم ننظر من قبل، والحكم على التضخم من البيانات التي تم الحصول عليها.

يكون السطح الحر للسائل المتوازن في مجال الجاذبية مسطحًا. إذا، تحت تأثير بعض التأثيرات الخارجية، تتم إزالة سطح السائل في مكان ما من موضع توازنه، فإن الحركة تحدث في السائل. ستنتشر هذه الحركة على طول سطح السائل بأكمله في شكل موجات، تسمى موجات الجاذبية، لأنها ناتجة عن عمل مجال الجاذبية. تحدث موجات الجاذبية بشكل رئيسي على سطح السائل، وتلتقط طبقاته الداخلية بشكل أقل، وكلما زاد عمق هذه الطبقات.

وسنتناول هنا موجات الجاذبية التي تكون فيها سرعة حركة جزيئات الموائع صغيرة جدًا بحيث يمكن إهمال المصطلح الموجود في معادلة أويلر مقارنة بها، ومن السهل معرفة ما تعنيه هذه الحالة فيزيائيًا. خلال فترة زمنية على رتبة فترة الاهتزازات التي تقوم بها جزيئات السائل في الموجة، تتحرك هذه الجزيئات مسافة على رتبة سعة الموجة، وبالتالي فإن سرعة حركتها تكون على رتبة السرعة ​​v يتغير بشكل ملحوظ على فترات زمنية حسب الحجم وعلى مسافات حسب الحجم على طول اتجاه انتشار الموجة ( - موجات الطول). ولذلك فإن مشتقة السرعة بالنسبة إلى الزمن تكون من مرتبة المقدار وبالنسبة للإحداثيات تكون من مرتبة وبالتالي فإن الشرط معادل للشرط

أي أن سعة التذبذبات في الموجة يجب أن تكون صغيرة مقارنة بطول الموجة. رأينا في الفقرة 9 أنه إذا أمكن إهمال الحد الموجود في معادلة الحركة، فإن حركة المائع تكون محتملة. بافتراض أن السائل غير قابل للضغط، يمكننا بالتالي استخدام المعادلتين (10.6) و(10.7). في المعادلة (10.7) يمكننا الآن إهمال الحد الذي يحتوي على مربع السرعة؛ عند وضع وإدخال مصطلح في مجال الجاذبية نحصل على:

(12,2)

نختار المحور، كالعادة، عموديًا إلى الأعلى، وكمستوى x، y نختار السطح المسطح المتوازن للسائل.

سوف نشير إلى - إحداثيات النقاط على سطح السائل بواسطة ؛ هي دالة للإحداثيات x وy والوقت t. في حالة التوازن، يحدث إزاحة رأسية لسطح السائل أثناء اهتزازه.

دع الضغط المستمر يؤثر على سطح السائل، ثم حسب (12.2) لدينا على السطح

ويمكن حذف الثابت عن طريق إعادة تعريف الجهد (بإضافة كمية مستقلة عنه عن الإحداثيات). ثم تأخذ الحالة على سطح السائل الشكل

السعة الصغيرة للتذبذبات في الموجة تعني أن الإزاحة صغيرة. ولذلك يمكننا أن نفترض، وبنفس التقريب، أن المركبة الرأسية لسرعة حركة النقاط السطحية تتطابق مع المشتقة الزمنية للإزاحة، ولكن لدينا:

ونظراً لصغر الذبذبات فمن الممكن في هذه الحالة أن نأخذ قيم المشتقات بدلاً منها، وبذلك نحصل في النهاية على نظام المعادلات التالي الذي يحدد الحركة في موجة الجاذبية:

سنتناول الموجات الموجودة على سطح السائل، مع اعتبار هذا السطح غير محدود. وسنفترض أيضًا أن الطول الموجي صغير مقارنة بعمق السائل؛ يمكن بعد ذلك اعتبار السائل عميقًا بلا حدود. ولذلك، فإننا لا نكتب الشروط الحدودية عند الحدود الجانبية وفي قاع السائل.

دعونا نفكر في موجة جاذبية تنتشر على طول المحور وموحدة على طول المحور؛ في مثل هذه الموجة، لا تعتمد جميع الكميات على الإحداثي y. سنبحث عن حل يمثل دالة دورية بسيطة للزمن والإحداثيات x:

حيث ( هو التردد الدوري (سنتحدث عنه ببساطة كتردد)، k هو المتجه الموجي للموجة، هو الطول الموجي. باستبدال هذا التعبير في المعادلة، نحصل على معادلة الدالة

حلها، المتحللة في عمق السائل (أي في ):

يجب علينا أيضًا تحقيق الشرط الحدي (12.5)، وبالتعويض (12.5) فيه، نجد العلاقة بين التردد b ومتجه الموجة (أو، كما يقولون، قانون تشتت الموجة):

يتم الحصول على توزيع السرعات في السائل عن طريق التمييز بين الإمكانات على طول الإحداثيات:

نرى أن السرعة تتناقص بشكل كبير باتجاه عمق السائل. عند كل نقطة معينة في الفضاء (أي بالنسبة لـ x، z)، يدور متجه السرعة بشكل موحد في المستوى x، ويظل ثابتًا في الحجم.

دعونا أيضًا نحدد مسار الجزيئات السائلة في الموجة. دعونا نشير مؤقتًا بواسطة x، z إلى إحداثيات الجسيم المتحرك للسائل (وليس إحداثيات نقطة ثابتة في الفضاء)، وبواسطة - قيم x لموضع توازن الجسيم. ثم وعلى الجانب الأيمن من (12.8) يمكن كتابتها بشكل تقريبي بدلاً من الاستفادة من صغر الذبذبات. التكامل مع مرور الوقت يعطي:

وهكذا، تصف جزيئات السائل دوائر حول نقاط نصف قطرها يتناقص بشكل كبير نحو عمق السائل.

سرعة انتشار الموجة U متساوية، كما سيوضح في الفقرة 67. وبالتعويض هنا نجد أن سرعة انتشار موجات الجاذبية على سطح غير محدود لسائل عميق لا نهائي تساوي

ويزداد مع زيادة الطول الموجي.

موجات الجاذبية الطويلة

وبعد أن نظرنا إلى موجات الجاذبية، التي يكون طولها صغيرًا مقارنة بعمق السائل، نتناول الآن الحالة الحدية المعاكسة للموجات، التي يكون طولها كبيرًا مقارنة بعمق السائل.

تسمى هذه الموجات طويلة.

دعونا نفكر أولاً في انتشار الموجات الطويلة في القناة. سنعتبر أن طول القناة (الموجهة على طول المحور x) غير محدود، ويمكن أن يكون للمقطع العرضي للقناة شكل عشوائي ويمكن أن يختلف على طوله. يتم الإشارة إلى مساحة المقطع العرضي للسائل في القناة من خلال افتراض أن عمق وعرض القناة صغير مقارنة بطول الموجة.

وسنتناول هنا الموجات الطويلة الطولية التي يتحرك فيها السائل على طول القناة. في مثل هذه الموجات، يكون مكون السرعة على طول القناة كبيرًا مقارنة بالمكونات

بالإشارة ببساطة إلى v وحذف المصطلحات الصغيرة، يمكننا كتابة المكون - لمعادلة أويلر على النحو التالي

أ-مكون - في النموذج

(نحن نحذف المصطلحات التربيعية في السرعة، حيث أن سعة الموجة لا تزال تعتبر صغيرة). من المعادلة الثانية لدينا، مع ملاحظة أنه على السطح الحر ) يجب أن يكون

وبالتعويض بهذا التعبير في المعادلة الأولى نحصل على:

يمكن اشتقاق المعادلة الثانية لتحديد المجهولين باستخدام طريقة مشابهة لاشتقاق معادلة الاستمرارية. هذه المعادلة هي في الأساس معادلة استمرارية مطبقة على الحالة قيد النظر. دعونا نفكر في حجم السائل الموجود بين طائرتين مستعرضتين للقناة تقع على مسافة من بعضها البعض. في وحدة زمنية، سيدخل حجم من السائل من خلال مستوى واحد وسيخرج من خلال المستوى الآخر، وبالتالي فإن حجم السائل بين المستويين سيتغير بمقدار

تم الكشف عن أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية للعالم في 11 فبراير 2016، وتصدر عناوين الأخبار في جميع أنحاء العالم. ولهذا الاكتشاف، حصل الفيزيائيون على جائزة نوبل عام 2017 وأطلقوا رسميًا حقبة جديدة من علم فلك الجاذبية. لكن فريقًا من الفيزيائيين في معهد نيلز بور في كوبنهاجن بالدنمارك شكك في هذه النتيجة، استنادًا إلى تحليلهم المستقل للبيانات على مدار العامين ونصف العام الماضيين.

الثقوب السوداء هي واحدة من أكثر الأشياء غموضًا في التاريخ، وهي تجتذب الانتباه بانتظام. نحن نعلم أنها تتصادم وتندمج وتغير سطوعها وحتى تتبخر. وأيضًا، من الناحية النظرية، يمكن للثقوب السوداء ربط الأكوان ببعضها البعض باستخدام . ومع ذلك، فإن كل معرفتنا وافتراضاتنا حول هذه الأجسام الضخمة قد يتبين أنها غير دقيقة. في الآونة الأخيرة، ظهرت شائعات في الأوساط العلمية مفادها أن العلماء تلقوا إشارة تنبعث من ثقب أسود، حجمه وكتلته هائلان لدرجة أن وجوده مستحيل فيزيائيا.

تم الكشف عن أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية للعالم في 11 فبراير 2016، وتصدر عناوين الأخبار في جميع أنحاء العالم. ولهذا الاكتشاف، حصل الفيزيائيون على جائزة نوبل عام 2017 وأطلقوا رسميًا حقبة جديدة من علم فلك الجاذبية. لكن فريقًا من الفيزيائيين في معهد نيلز بور في كوبنهاجن شكك في هذه النتيجة، بناءً على تحليلهم المستقل للبيانات على مدار العامين ونصف العام الماضيين.