امواج گرانشی برای سومین بار شناسایی و تایید شدند

رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری لایگو (LIGO) به تازگی موفق شده که برای سومین‌بار، امواج گرانشی را شناسایی کند. این امواج گرانشی، توسط دو سیاه‌چاله که در حال ترکیب با یکدیگر بوده و با سرعت بسیار زیادی به دور یکدیگر گردش می‌کنند، تولید شده‌اند. دو موج گرانشی دیگری که پیش‌تر شناسایی شده بودند نیز توسط جفت سیاه‌چاله‌ای به وجود آمده بودند؛ اما این بار، سیاه‌چاله‌ها ۳ میلیارد سال نوری آن‌ طرف‌تر قرار گرفته‌اند.

این برای سومین‌بار است که رصدخانه LIGO موفق به شناسایی این پدیده شده است و شاید فکر کنید که چنین پدیده‌ای پیش‌تر نیز مشاهده شده و احتمالاً همانند دو موج گرانشی پیشین است؛ اما در این کشف صورت گرفته یک تفاوت مهم وجود دارد. به نظر می‌رسد که یکی از این جفت سیاه‌چاله‌ای، در مسیری غیر معمول گردش می‌کند و همین موضوع باعث شده که دانشمندان شگفت‌زده شوند. اگر به یاد داشته باشید، سال ۲۰۱۶ بود که دانشمندان اعلام کردند که موفق شده‌اند برای نخستین‌بار امواج گرانشی را که وجود آن‌ها در نظریه نسبیت عامپیش‌بینی شده، شناسایی کنند. مدتی پس از نخستین کشف، دومین موج گرانشی نیز شناسایی شد و اثبات این پدیده کاملاً قطعی شد. حالا دانشمندان اعلام کرده‌اند که در ماه ژانویه‌ی سال ۲۰۱۷ موفق شده‌اند سومین موج گرانشی را نیز شناسایی کنند که با نام GW170104شناخته می‌شود.

نخستین موج گرانشی را دو سیاه‌چاله ایجاد کردند که اکنون به یک سیاه‌چاله واحد با جرمی برابر با ۶۲ جرم خورشید تبدیل شده‌اند. دومین موج نیز همچون موج اول، حاصل ترکیب یک جفت سیاه‌چاله‌ای بود که ترکیب آن‌ها به تشکیل یک سیاه‌چاله با جرمی برابر با ۲۱ جرم خورشیدی منجر شد. اکنون دانشمندان اعلام کرده‌اند که سومین موج گرانشی نیز همچون سایرین است و سیاه‌چاله‌هایی که آن را ایجاد کردند، اکنون با یکدیگر ترکیب شده‌اند و سیاه‌چاله‌ای را به جرم ۴۹ جرم خورشیدی به وجود آورده‌اند. دیوید شومِیکر، سخنگوی ارشد رصدخانه LIGO از دانشگاه ام‌آی‌تی (MIT) می‌گوید:

ما پیش‌تر وجود سیاه‌چاله‌هایی را با جرمی بیش از ۲۰ برابر جرم خورشیدی پیش‌بینی می‌کردیم و حالا می‌توانیم آن‌ها را اثبات کنیم؛ اما پیش از آن‌که LIGO آن‌ها را شناسایی کند، نمی‌دانستیم که آن‌ها وجود دارند.

همان‌طوری که گفتیم، سومین موج گرانشی که GW170104 نام دارد، با سایرین تفاوت داشته و کمی عجیب و غیر معمول است. اگرچه ما نمی‌توانیم به صورت مستقیم تصویربرداری کنیم؛ اما به خوبی می‌دانیم که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند گردش کنند. در این‌جا منظور ما این نیست که یک دیسک چرخان از مواد در اطراف سیاه‌چاله گردش کند؛ بلکه منظور ما این است که این جرم، حرکت زاویه‌ای دارد و بر روی مدار خود گردش می‌کند.

وقتی دو سیاه‌چاله مادامی که به دور یکدیگر گردش می‌کنند در مسیر خاصی نیز می‌چرخند، ستاره‌شناسان می‌گویند که آن‌ها تراز شده‌اند و در یک ردیف قرار گرفته‌اند. روبرت وارد از دانشگاه ملی استرالیا در این خصوص می‌گوید:

هم‌تراز شدن دو جرم در حال گردش، اثراتی را در ظاهر موجی‌شکل امواج گرانشی که از جفت‌های سیاه‌چاله‌ای منتشر می‌شوند به وجود می‌آورد؛ بنابراین ما با توجه به این موضوع می‌توانیم تشخیص دهیم که آیا این دو جرم در حال گردش هم تراز هستند یا خیر.

با در نظر داشتن این موضوع، مشخص شد یکی از سیاه‌چاله‌هایی که در به وجود آمدن موج گرانشی GW170104 نقش داشته، با دیگری هم‌تراز نبوده است. این پدیده توانست یک سرنخ بسیار مهم را در اختیار ستاره‌شناسان قرار دهد؛ زیرا آن‌ها دقیقاً نمی‌دانند چگونه دو سیاه‌چاله می‌توانند با یکدیگر یک سامانه‌ی سیاه‌چاله‌ای دوتایی را تشکیل دهند.

ستاره‌شناسان برای چگونگی تشکیل سامانه‌های دوتایی سیاه‌چاله‌ای دو نظر متفاوت دارند. نخستین نظر بیان می‌کند که این دو سیاه‌چاله، ابتدا ستاره‌هایی بوده‌اند که به دور یکدیگر گردش می‌کرده‌اند و سپس به سیاه‌چاله تبدیل شده‌اند. دومین نظر می‌گوید که یکی از این سیاه‌چاله‌ها کوچک‌تر از دیگری بوده و در فاصله‌ی دور قرار گرفته است؛ اما سیاه‌چاله بزرگ‌تر موفق شده سیاه‌چاله کوچک‌تر را به سمت خود بیاورد و آن را در مدار خود گرفتار کند. سومین موج گرانشی توسط سیاه‌چاله‌هایی به وجود آمده که بر خلاف یکدیگر گردش می‌کنند و همین موضوع ستاره‌شناسان را به این نتیجه رسانده که سامانه‌های سیاه‌چاله‌ای دوتایی، پس از به ثبات رسیدن جهت چرخش هر کدام از سیاه‌چاله‌ها به وجود می‌آیند.

همان‌طوری که می‌دانید برخورد دو سیاه‌چاله با یکدیگر، از پر انرژی‌ترین رویدادهای موجود در جهان به شمار می‌رود. وقتی که آخرین ثانیه‌‌ی ترکیب دو سیاه‌چاله بر ای نخستین‌بار توسط LIGO مشاهده شد، دانشمندان میزان انرژی این رویداد را ۱۰ برابر بیشتر از مجموع انرژی نورهایی که از تمام ستاره‌های عالم منتشر می‌شوند، تخمین زدند. فاصله این دو سیاه‌چاله از زمین، چیزی در حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری بود و اعوجاجی که به وجود آوردند نیز در مقیاس یک پروتون بود و چیزی در حدود ۰.۲ ثانیه به طول انجامید.

سومین سیاه‌چاله‌ای که شناسایی شده، کوچک‌تر از سیاه‌چاله‌ای است که نخستین موج گرانشی را به وجود آورد؛ اما فاصله این سیاه‌چاله تقریباً دو برابر است. دانشمندان وقتی که LIGO توانست این پدیده را با توجه به فاصله زیادی که از زمین داشت شناسایی کند، شگفت‌زده شدند. روبرت وارد در این خصوص می‌گوید:

آشکارسازهای LIGO هنوز به سطحی که ما آن را «حساسیت طراحی» می‌نامیم نرسیده‌اند؛ اما با این وجود از تمام قدرت خود به صورت مدیریت شده بهره می‌برند.

دستیابی به سطح حساسیت طراحی، می‌تواند به ما این امکان را بدهد که پدیده‌های آسمانی با انرژی کم‌تر را نیز شناسایی کنیم و روی آن‌ها مطالعات گسترده‌ای انجام دهیم. سوزان اسکات از دانشگاه ملی استرالیا در این خصوص می‌گوید:

وقتی که LIGO بتواند به سطح حساسیت طراحی برسد، آن‌گاه می‌تواند ستاره‌های نوترونی دوتایی که در فاصله ۶۵۰ میلیون سال نوری قرار گرفته‌اند و می‌خواهند با یکدیگر ترکیب شوند را شناسایی کند. اگر ستاره نوترونی یک تغییر شکل کوچک در پوسته خود داشته باشد، با هر بار چرخش تغییراتی در جرم به وجود می‌آید و این نامتقارنی، یک جریان پیوسته از امواج گرانشی را به وجود می‌آورد.

وقتی که یک برآمدگی ۱۰ سانتیمتری روی پوسته یک ستاره پرجرم با شعاع ۱۰ کیلومتر که صدها بار گردش در هر ثانیه انجام می‌دهد وجود داشته باشد، برای شناسایی امواج گرانشی حاصل از حرکات آن ستاره کفایت می‌کند.

با شناسایی پدیده‌های جدید، علم فیزیک این فرصت را پیدا می‌کند که بتواند نسبیت عام را آزمایش کند. نظریه نسبیت عام همچنان با قدرت پابرجا است؛ اما کشف یک نقص کوچک در این نظریه می‌تواند مسیر جدیدی را به روی علم فیزیک باز کند. شکی نیست که رصدخانه‌های امواج گرانشی توانسته‌اند توانایی خود را اثبات کنند و دانشمندان نیز قصد دارند که در آینده از آن‌ها استفاده‌های بیشتری داشته باشند تا بتوانند پدیده‌های جهان دوردست را مشاهده کنند.

نتایج این کشف مهم، در نشریه Physical Review Letters منتشر شده‌اند.