امواج گرانشی وجود دارند؛ رصدخانه‌ی لیزری امواج گرانشی (قسمت دوم)

امواج گرانشی وجود دارند؛ رصدخانه‌ی لیزری امواج گرانشی (قسمت دوم)

لایگو (رصدخانه‌ی امواج گرانشی تداخل‌سنجی لیزری (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) بخشی از تلاش‌های گسترده‌ای است که برای کشف یکی از پیامدهای دست نیافتنی‌تر نظریه‌ی نسبیت عمومی اینشتین انجام شده است؛ نظریه به سادگی بیان می‌کند که فضا و زمان در حضور جرم خمیده می‌شوند؛ این انحنا پدیده‌ای ایجاد می‌کند که به آن گرانش یا جاذبه می‌گوییم. نزدیک به پنج دهه از زمانی که تصور ساخت ابزاری برای رصد امواج گرانشی به ذهن کسی خطور کرده است می‌گذرد. وقتی جو ویر استاد مهندسی دانشگاه مریلند دستگاهی به نام آنتن رزونانس بار طراحی می‌کند. به اعتقاد او سیلندری آلومینیومی می‌تواند همانند یک زنگ، امواج ضعیف گرانشی را جمع و تقویت کند؛ وقتی موجی به سیلندر ضربه می‌زند کمی آن را مرتعش کرده و سنسورهای اطراف سیلندر آن ارتعاشات را به سیگنال‌های الکتریکی ترجمه می‌کنند. برای اطمینان از اینکه سیگنال‌ها از زلزله‌های خفیف محلی و یا محرک‌های مصنوعی به وجود نیامده باشد، وبر تدابیری را در نظر می‌گیرد؛ سیلندرها باید در خلاء معلق بوده و دو آشکارساز در جایی دور از هم قرار بگیرند. یکی از این سیلندرها در پردیس دانشگاه مریلند و دیگری در آزمایشگاه ملی آرگون در نزدیکی واشینگتن قرار گرفتند. اگر هر دو میله به دنبال یکدیگر و در کسری از ثانیه ارتعاشاتی را نشان بدهند، ممکن است موجی گرانشی را ثبت کرده باشند. در ژوئن سال ۱۹۶۹ وبر اعلام کرد چیزی را برای چندین بار ثبت کرده است؛ فیزیکدانان و رسانه‌ها به هیجان آمدند. تایمز گزارش می‌دهد فصل جدیدی در مشاهدات انسان از جهان آغاز شده است. به زودی وبر سیگنال‌ها را به صورت روزانه گزارش می‌کند؛ اما تردیدها آغاز می‌شوند. آزمایشگاه‌های دیگر نیز میله‌ی وبر را توسعه داده‌اند؛ اما موفق به ثبت سیگنالی نمی‌شوند. در ۱۹۷۴ بسیاری بر این عقیده هستند که وبر اشتباه می‌کند، اما او همچنان بر یافته‌هایش پافشاری می‌کند تا مرگش در سال ۲۰۰۰ فرا می‌رسد.

جوزه وبر در کنار آنتن رزونانس بار

اما میراثی که وبر پایه نهاده بود ادامه می‌یابد. شکارچیان امواج گرانشی در فضایی مسموم از شک و تردید در صحت نتایج به کار خود ادامه می‌دهند؛ از دید باقی دانشمندان آن‌ها همگی دروغگو هستند و خدا می‌داند چرا دروغ می‌گویند. این پیش‌داوری سال ۲۰۱۴ هنگامی که دانشمندان در BICEP2 ، تلسکوپی نزدیک قطب جنوب، شواهدی را مشاهده کردند تقویت می‌شود؛ سیگنال‌ها واقعی بوده و به نظر می‌رسد حاصل تابش گرانشی از انفجار بزرگ باشد. اما بعداً مشخص می‌شود فقط سیگنال‌هایی از گرد و غبار کیهانی است. وبر، جمعی از محققان نا امید از رسیدن به نتیجه را پس از خود بر جای گذاشته است.

BICEP2

هنگامی که رینر وِیز از آموزش دانشجویان دانشگاه MIT خسته می‌شود تصمیم به طراحی چیزی می‌گیرد که امروزه لایگو نامیده می‌شود. در جستجوی امواج گرانشی بسیاری از هماهنگی‌ها از طریق خطوط تلفن انجام می‌شود؛ محققان از کشورهایی مانند استرالیا، هندوستان، آلمان و انگلستان در ساعات مختلفی از شبانه‌روز جلسات هفتگی یا دو هفتگی برای هماهنگی میان دو آشکار ساز برپا می‌کنند. ویز تصور نمی‌کند روش وبر به نتیجه برسد؛ بنابراین شیوه‌ای جدید را در طراحی لایگو توسعه می‌دهد. رصد خانه‌ای L شکل. تصور کنید دو نفر بر روی زمین دراز کشیده‌اند، سرهایشان به هم برخورد دارند و بدنشان زاویه‌ای قائمه را تشکیل داده است. هنگامی که موج گرانشی از بدن آن‌ها عبور می‌کند قد یکی بلندتر می‌شود و قد دیگری کوتاه می‌شود؛ لحظه‌ای بعد معکوس این اتفاق رخ خواهد داد. وقتی فضا زمان در یک جهت کش می‌آید، لزوماً باید در جایی دیگر فشرده شود.

ابزار ویز این تفاوت را در دو نوسان‌سنج و در مقیاسی غول پیکر به دست می‌آورد. کیلومترها لوله‌ی فولادی کوچکترین تغییرات را به کامپیوترهای LiGO گزارش می‌دهند. برای رسیدن به دقت لازم از نور به عنوان خط کش اندازه‌گیری استفاده می‌شود؛ پرتو لیزر در ابتدای هر کدام از لوله‌ها منتشر شده و در انتها با آینه‌ای بازتاب می‌یابد. سرعت نور در خلاء ثابت است؛ بنابراین مادامی که لوله از هوا و ذرات دیگر پاک باشد، رفت و برگشت نور زمان کاملاً مشخصی طول خواهد کشید. اگر عبور امواج گرانشی باعث تغییر در اندازه‌ی لوله‌ها شود در زمان‌بندی رفت و برگشت نور تغییر ایجاد خواهد شد؛ هرچه میزان این خطا بیشتر باشد موج دریافت شده قوی‌تر بوده است. برای تشخیص عدم تطابق در رفت و برگشت نور احتیاج به دستگاهی هزاران بار قوی‌تر از آنچه تا آن زمان ساخته شده است داشتند. ویز طراحی این سازه را در بهار سال ۱۹۷۲ انجام داد؛ طرحی که در هیچ نشریه‌ی علمی به چاپ نرسید. زیرا فقط در حد یک ایده بود نه آزمایش. اما کیپ ثورن استاد ارشد دانشگاه Caltech که بخاطر شرکت در پروژه‌هایی مانند فیلم اینتراستلار مشهور شده است در مورد طراحی ویز نظر دیگری دارد:

یکی از بزرگترین مقالاتی که تاکنون نوشته شده است، اگر قرار بود من آن را بخوانم چیزی از آن نمی‌فهمیدم.

پس از سال‌ها مطالعات، گزارش‌ها، سخنرانی‌ها و جلسات علمی، وایس، ثورن و رونالد درور، فیزیکدان اسکاتلندی که در بهبود طراحی آشکارساز همکاری کرده است، در سال ۱۹۹۰ موفق شدند اعضای صندوق بنیاد ملی علوم را متقاعد به اختصاص بودجه‌ی ۲۷۲ میلیون دلاری برای ساخت پروژه‌ی لایگو بکنند؛ این بزرگترین سرمایه‌گذاری بنیاد ملی علوم ایالات متحده تا آن زمان بود. همین هزینه‌ی بالا مخالفت‌های زیادی را در بین دانشمندان به وجود می‌آورد. ستاره‌شناسان عقیده دارند لایگو بزرگترین اتلاف پولی است که می‌توانست اتفاق بیفتد و دانشمندان دیگر نگرانند خرج زیاد لایگو باعث تضعیف دیگر پروژه‌های علمی شود.

بسیاری تصور می‌کنند لایگو جمعی از دانشمندان دیوانه‌اند که برای کشف سیگنالی که هیچ نشانه‌ای از آن وجود ندارد تلاش می‌کنند؛ فناوری‌های وکیوم و تکنولوژی لیزر و مواد و سنجش تغییرات جزئی در بازخورد نور چیزی بالاتر از توان تکنولوژی کنونی انسان است. اما پروفسور ایزاکسون از اعضای بنیاد ملی علوم و کسی که تز دکترای خود را درباره‌ی تابش گرانشی نوشته است اعتقادی راسخ به بنیادهای نظری لایگو دارد. ایزاکسون در پیشنهاد خود به تیم لایگو به آنها هشدار می‌دهد که طراحی اولیه‌ی آن‌ها بعید است بتواند چیزی را تشخیص بدهد؛ با این حال دانشمندان لایگو اینگونه استدلال می‌کنند که شروع به ساخت یک رصدخانه‌ی نه چندان کامل به منظور درک چکونگی ساخت و بهبودهای بعدی لازم است. با وجود اینکه امکان روبرو شدن با شکست بسیار قوی است تیم لایگو توانستند بنیاد ملی علوم را اینگونه متقاعد سازند که حتی به عنوان هدفی ثانویه پیشرفت در قدرت اندازه‌گیری ارزش سرمایه‌گذاری در این پروژه را دارد.

سال‌ها طول کشید تا حساس‌ترین ابزار در تاریخ بشر ساخته شود؛ تخلیه‌ی هوای لوله‌ها به تنهایی چهل روز طول می‌کشد تا یکی از خالص‌ترین خلاء ها بر روی زمین ساخته شود؛ فضایی با فشار یک تریلیونیم چگالی جو در سطح دریا. دخالت منابع طبیعی مانند وزش باد در هنفورد و یا طوفانی شدن اقیانوس در لیوینگستون کار را با مشکل روبرو می‌سازد. همچنین رعد و برقی در دوردست، خرده زمین لرزه‌ها و یا حتی امواج موبایل و شبکه‌های ارتباطی سیگنال‌هایی ایجاد می‌کنند که باید حذف شوند. هزاران عامل کوچک و بزرگ سیگنال‌هایی اشتباهی را به آشکارساز انتقال می‌دهد که هر کدام باید جداگانه کشف، بررسی و حذف شوند. پیش از آنکه مسئولین به بازرسی سیستم‌های پروژه بروند باید در اتاقی ایزوله وارد شده وسایلشان را استرلیزه و سپس پوشش محافظتی مخصوص را به تن کنند تا حتی یک سلول از بدنشان برروی سیستم‌های درخشان و حساس نوری لایگو ننشیند.

اولین سیگنال‌های لایگو در سال ۲۰۰۱ ثبت می‌شود و در طول ۹ سال آینده دانشمندان به اندازه‌گیری و بهبود الگوریتم‌های تجزیه‌ و تحلیل داده‌ها می‌پردازند، در همین زمان محققان دانشگاه Caltech و مرکزی علمی در آلمان مشغول کار بر روی بهبود تکنولوژی لیزر و آینه و آشکارسازی لرزش‌ها هستند. در سال ۲۰۱۰ آشکارسازها برای ارتقایی ۲۰۰ میلیون دلاری پنج ساله از مدار خارج می‌شوند؛ بهترین آینه‌های جهان با تراشی به دقت هزارم میلیمتر در اختیار پروژه قرار می‌گیرد که در نهایت با قرار گرفتن دوباره‌ی آشکارسازها در مدار قدرت تشخیصی هزار بار بیش از پیش در بررسی فضا زمان به دست می‌آید. سال‌ها کار هزاران محقق و دانشمند به همراه با میلیون‌ها دلار هزینه و تحقیق به یکی از بزرگترین کشفیات علم فیزیک منتهی می‌شود؛ ثبت امواج گرانشی.

این مقاله ادامه دارد…