نظریه انیشتین بار دیگر اثبات شد؛ دانشمندان موفق به اندازه گیری امواج گرانشی برای بار دوم شدند

نظریه انیشتین بار دیگر اثبات شد؛ دانشمندان موفق به اندازه گیری امواج گرانشی برای بار دوم شدند

دانشمندان با استفاده از آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری (LISA) پتفایندر که یک فضاپیمای آزمایشی طراحی شده برای مطالعه‌ی گرانش است، اعلام کرده‌اند که موفق به اندازه‌گیری دقیق مقادیر بسیار ناچیزی از جنبش‌هایی با مقدار کوچکتر از عرض یک اتم شده‌اند.

در حالی که این اخبار در سطح فنی نیز قابل توجه هستند، اما بخش واقعا هیجان‌انگیز داستان این است که انجام این اندازه‌گیری موفق به احتمال زیاد به یک راه بهتر منجر خواهد شد تا ما بتوانیم با استفاده از آن روش‌ها، امواج گرانشی را ردیابی کنیم. امواج گرانشی به ریز موج‌هایی در انحنای فضازمان گفته می‌شود که اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام خود آنها را پیش بینی کرده بود و دانشمندان نیز برای اولین بار در اوایل سال جاری توانستند آنها را آشکارسازی کنند.

برای درک بهتر موضوع می‌خواهیم کمی بیشتر در این مورد بدانیم. تیمی پژوهشی از آژانس فضایی اروپا (ESA)  فضاپیمایی را در ۱.۵ میلیون کیلومتر (۹۳۲۰۵۶ مایل) دورتر از زمین در منطقه‌ای از فضا که در آن کشش‌های گرانشی زمین و خورشید هر دو توسط همدیگر خنثی می‌شود، قرار دادند. این منطقه به عنوان یک نقطه‌ی لاگرانژ شناخته شده است. اینها در واقع توضیحاتی هستند که طارق بازلی (Tarek Bazley) به الجزیره ارایه داده است.

روش کار بدین گونه است که دو مکعب جامد به جرم‌های ۱.۹ کیلوگرم از جنس آلیاژ طلا و پلاتین در واقع در یک سقوط آزاد در میان  فضا قرار داشته و دقیقا به مقدار ۳۷.۵ سانتی متر از هم فاصله دارند.

از آنجا که مکعب‌ها در موقعیت سقوط آزاد هستند، آنها از لحاظ تکنیکی نباید به کل حرکتی داشته باشند. البته این امر با صرف نظر از سرعت آنها در حین حرکتشان در داخل سفینه و در مداری به دور خورشید لحاظ می‌شود. حال اگر آنها بر خلاف نتیجه‌گیری ما حرکتی داشته باشند، این احتمال وجود دارد که آنها تحت تاثیر امواج گرانشی به حرکت در آمده باشند، چرا که این امواج در سراسر پهنه‌ی کیهان در حال انتشار هستند و باعث تکان‌های هرچند بسیار جزیی در اشیا می‌شوند.

بر پایه‌ی توضیحات جسی امسپاک  (Jesse Emspak) برای مجله‌ی اسمیتسونیان، محققان در طی بررسی‌های خود به این نتیجه رسیده‌اند که ابزار اندازه‌گیری آنها قادر به اندازه‌گیری حرکات در مقیاس فمتومتر است که این مقدار معادل با یک میلیونیوم یک میلیاردم متر است.

گفتنی است که خود پتفایندر به اندازه‌ی کافی برای شناسایی امواج گرانشی بزرگ نیست. برای اینکه اشیای اندازه‌گیری باید به مقدار بسیار زیادی دور از هم باشند، به طوری که موج بتواند هر دوی آنها  را در زمان‌هایی متفاوت مورد اصابت قرار دهد. اما پیشنهاد می‌شود که محققان می‌توانند به طور موفق از محیط‌هایی در فضا استفاده کنند که تحت تاثیر نیروهای بیرونی قرار ندارند. دانشمند ارشد این ماموریت مارتین هوییستون (Martin Hewitson) در گفتگو با مجله‌ی اسمیتسونیان گفت:

ما می‌خواستیم تا حرکات را در مقیاس پیکومتری ببینیم. این مقدار به اندازه‌ی ۱۰۰ برابر بهتر از مشاهدات روی زمین است.

هنگامی که محققان رصدخانه تداخل گرانشی موج لیزر (LIGO) در اوایل سال جاری امواج گرانشی را شناسایی کردند، مجبور به استفاده از لیزرهایی بودند که تنها ۴ کیلومتر از هم جدا بودند. این مقدار کوچک برای شناسایی دقیق امواج گرانشی، بسیار بیش از حد کوچک است. برای مقابله با این مشکل، آنها لیزر را به سمت جلو و عقب جابجا کردند و در ادامه یک فاصله‌ی ۱۱۱۸ کیلومتری ایجاد کردند. بر پایه‌ی گزارش امسپاک، امواج گرانشی را می‌توان در این فاصله شناسایی کرد؛ اما تنها امواجی را که در محدوده‌ی ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ هرتز اندازه قرار دارند.

از آنجا که لیسا پتفایندر توانسته میزان جنبش‌ها را با دقت اندازه‌گیری کند، این تیم قصد دارند تا به زودی مرحله‌ی بعدی ماموریت را با یک دستگاه به نام آنتن فضایی تداخلسنج لیزری تکاملی (eLISA) شروع کنند.

در مرحله بعد از این پروسه، سه فضاپیما به صورت جداگانه در همان نقطه‌ای که لیسا نیز قرار داشت در مدار خورشید حرکت خواهند کرد. این فضاپیماها به صورت حرف L با هم دیگر لینک خواهند شد و هر یک از آنها ۹۹۹۴۰۲ کیلومتر از هم فاصله خواهند داشت.

در چنین فاصله‌ی بزرگی، تیم پژوهشی باید قادر باشند تا امواج گرانشی را به طور دقیق شناسایی کنند؛ امواجی که تنها ۰.۰۰۰۱ تا ۱ هرتز فرکانس دارند. این سیستم بسیار حساس تر از آن سیستمی است که LIGO با آن کار می‌کرد.

این تیم باور دارند که با استفاده از تکنیک اندازه گیری لیزری که در این ماموریت اعتبار سنجی شد،  آنها قادر به اندازه گیری حرکات حتی با میزان تنها چند تریلیونیم متر خواهد بود. درک امواج گرانشی به ما چشم‌انداز جدیدی از سازوکار جهان هستی فراهم خواهد کرد. واقعیت این است که توانایی تشخیص موفقیت‌آمیز این حرکت‌ها بسیار شگفت آور است، و از سویی اندازه‌گیری موفقیت آمیز آن نیز توسط آژانس فضایی اروپا نشان می‌دهد که ما در حال پیشرفت‌های خوبی در این زمینه هستیم. پل مک نامارا  (Paul McNamara)پل مک نامارا یکی از اعضای تیم گفت چنین می‌گوید:

هنگامی که ما از دریچه‌ی امواج گرانشی به جهان نگاه کنیم، آنگاه شاهدخواهیم بود که اشیا به طور کاملا جدیدی کرد پیدا می‌کنند. چیزهایی را می‌توانیم ببینیم که پیشتر هرگز قادر به دیدنشان نبودیم و با استفاده از از طیف الکترومغناطیسی نیز هیچ گاه آنها را نمی‌توانیم مشاهده کنیم. ما واقعا در آستانه‌ی مشاهده جهان با یک روش کاملا جدید هستیم.

فابیو فاواتا (Fabio Favata)، رییس هیئت مدیره‌ی آژانس فضای اروپا این موضوع را چنین وصف می‌کند:

ما اکنون می‌دانیم که امواج گرانشی وجود دارند و قابل آشکارسازی هم هستند. اکنون، به لطف این ماموریت، ما می‌دانیم که از دقت و حساسیت کافی برای مشاهده‌ی آنها در فضا برخوردار هستیم و در نتیجه، یک پنجره‌ی جدید به روی جهان باز شده است.

در حالی که پژوهشگران هنوز باید کارهای زیادی را برای خارج ساختن لیسا از زمین انجام دهند، اما در حال حاضر نیز فکر کردن به اینکه این ماموریت چه داده‌های جالبی را می‌تواند جمع آوری کند، بسیار هیجان‌انگیز است. گفتنی است که این یافته ها در ژورنال فیزیکال ریویو لترز  (Physical Review Letters)منتشر شده است.