تلقى كاشف موجات الجاذبية الأول على الأرض للتو ترقية كبيرة من شأنها أن تحسن بشكل كبير قدرته على اكتشاف التموجات في نسيج المكان والزمان، وهي التموجات الناتجة عن الاصطدامات بين الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية، وأحيانًا بين كليهما.
ما يعنيه هذا هو أنه خلال الجولة التالية من مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل بالليزر (LIGO)، سيكون الجهاز قادرًا على اكتشاف المزيد من أحداث الاندماج بين هذه البقايا النجمية الضخمة التي تتشكل عندما تكون هائلة النجوم الانهيار في نهاية حياتهم. وسيكون مرصد LIGO أيضًا قادرًا على اكتشاف مثل هذه التأثيرات عبر مسافات أكبر بفضل التحديث الجديد والتتبع موجات الجاذبية التي امتدت عبر الزمكان لمليارات السنين.
وقال وينكسوان جيا Wenxuan Jia، الباحث في مختبر LIGO، لموقع Space.com: “يمكننا الآن الوصول إلى كون أعمق، ومن المتوقع أن نكتشف عمليات اندماج أكثر بنسبة 60% من ذي قبل”. “سيقوم مرصد LIGO بالتأكيد باكتشاف أحداث الاندماج الثنائي البعيدة. ومع انخفاض مستوى الضجيج وارتفاع نسبة الإشارة إلى الضوضاء، يمكننا تقييد معلمات الأجسام المدمجة التي اندمجت معًا منذ مليارات السنين.
“تزيد الترقية أيضًا من فرصنا في اكتشاف الكتلة شبه النجمية الثقوب السوداء في الكون. إن أحدث ترقية تجريبية ستفيدنا في اكتشاف الإشارات الفيزيائية الفلكية بكل الطرق تقريبًا.”
متعلق ب: تم رصد ثقبين أسودين مندمجين هائلين عند “الظهيرة الكونية” في بداية الكون
أصبح مرصد LIGO مشهورًا عالميًا لأول مرة في سبتمبر 2015، عندما اكتشف موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء لأول مرة. سافرت هذه التموجات لمدة 1.4 مليار سنة تقريبًا، وسحقت وضغطت الزمكان أثناء شق طريقها عبرها. الكون.
ولكن منذ ذلك الحين، اكتشف مرصد ليغو وشريكه كاشف موجات الجاذبية فيرجو، إشارات من أزواج الثقوب السوداء المندمجة، والنجوم النيوترونية المتصادمة، والاندماجات المختلطة بين الاثنين.
ومع ذلك، فإن باحثي مرصد LIGO متحمسون بشكل خاص للترقية الجديدة، لأن هذا يدفع الأداة إلى ما هو أبعد مما يسمى “الحد الكمي” – وهو الأول من نوعه لكاشف موجات الجاذبية.
ما هو “الحد الكمي”؟
تم تصميم مرصد LIGO لقياس التغير الصغير للغاية الذي يمكن أن يحدث بين أشعة الليزر ضمن ذراعي الكاشف. وأوضح جيا أن التغيير يحدث عندما تموج موجات الجاذبية فوق تلك الأذرع.
في الأساس، تنتج الأداة ليزرًا واحدًا وتقسمه إلى شعاعين ينتقلان بشكل منفصل عبر زوج من الأذرع التي يبلغ طولها 4 كيلومترات. ثم يدخل الشعاعان في الطور أثناء انتقالهما عبر الذراعين، مما يعني أنهما يصطفان بشكل مثالي على الرغم من وجودهما في أماكن مختلفة. بعد ذلك، عندما تنعكس الحزم مرة أخرى عبر المرايا المدمجة في الجهاز، فإنها تتحد مرة أخرى وتلتقي قمم وقيعان الأطوال الموجية. ولكن هنا يأتي تغيير الطول.
وأوضح جيا: “موجة الجاذبية هي اضطراب في الزمكان”. “عندما ينتشر عبر كاشف LIGO، فإنه سيغير فرق الطول بين ذراعي LIGO البالغ طولهما 4 كيلومترات كما لو أنه يمد ذراعًا بينما يقصر الذراع الأخرى.”
للتوضيح، لا يتغير طول الأذرع الفعلية لمرصد LIGO. أشعة الليزر الموجودة بداخلها – وهذا التغيير في الطول يجبر أيضًا الحزم على زيادة اتساعها أثناء الجزء عندما يتحد. بمعنى آخر، فرق الطول الناتج عن مرور موجات الجاذبية يؤدي إلى تغير في السعة. وهذا يتسبب في تغير قوة الليزر أيضًا.
ومع ذلك، لأن موجات الجاذبية “تسحق وتمتد” فضاء، إذا تم غسلها فوق هذه الليزر، فإن طول الأذرع يتغير بمقدار صغير جدًا، لذلك من الصعب جدًا قياسها باستخدام الآليات القياسية. لكن التأثير لا يزال ملحوظًا بفضل حقيقة أن تغيرات الطول الموجي للضوء تنعكس في طور الضوء. هل تتذكر الجزء المتعلق باصطفاف كلا الليزرين في نفس المرحلة؟ حسنًا، إن تغييرًا طفيفًا في طول الذراع يعني أنه عندما يعود الضوء إلى الكاشف، فإنه لم يعد في الطور – حيث تلغي قمم وقيعان الطول الموجي بعضها البعض في عملية تسمى التداخل المدمر.
ولكن هناك مشكلة أخرى. يمكن أن تصبح الاختلافات في طول هذه الأذرع في بعض الأحيان صغيرة للغاية – أصغر بتريليونات المرات من شعرة الإنسان، وتقع في أحجام نراها في العوالم دون الذرية والكمية.
كلما كانت موجة الجاذبية أضعف، قل تغير طول الذراع وقل تأثيرها على الليزر. وعندما يحصل هذا التأثير حقًا صغير، فإنه يتعارض مع مبدأ في فيزياء الكم يسمى مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، والذي ينص على أن هناك حدًا لمدى دقة قياس زوج مترابط من الكميات الفيزيائية يسمى “الأشياء القابلة للرصد”.
ومن الناحية العملية، هذا يعني أن بعض موجات الجاذبية ظلت خارج قدرات مرصد ليغو. ولكن الآن، يبدو أن هناك حلاً بديلاً.
“يوجد حد أدنى من عدم اليقين، أو الضوضاء، عندما تريد قياس مرحلة شعاع الليزر وقتقال جيا: “يحتوي ضوء الليزر على عنصرين يمكن ملاحظتهما، وهما السعة والتردد. نحن نقوم بقياس الطور أو التردد باستخدام مرصد LIGO، ولذلك لا نهتم كثيرًا بالسعة.”
أضاف جيا أن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ يسمح في الواقع بمقايضة. حيث يقوم الفريق بتقليل عدم اليقين في شيء يمكن ملاحظته يريدونه – التردد – على حساب زيادة عدم اليقين في الشيء الآخر الذي لا يريدونه – وهو السعة.
وأضاف جيا: “يمكننا تقليل عدم اليقين في التردد عن طريق “الضغط” على الضوء. وتسمح لنا هذه الفكرة الذكية بتجاوز الحد الأدنى من عدم اليقين، أو الحد الكمي، لكاشف LIGO”.
“منذ أن كنت طالب دراسات عليا صغيرًا، سمعت عن هذا النوع من الأفكار، لكن لمدة 20 عامًا، لم أفكر فيها كثيرًا. بدا الأمر بمثابة “خيال علمي” للغاية، لأنه في المدرسة، تتعلم أن هناك قالت رانا أديكاري، أستاذة الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) لموقع Space.com: “إن حد عدم اليقين في هايزنبرغ لا يمكنك قياس الأشياء جيدًا إلا قبل أن تصل إلى هذا الحد”. “إذا حاولت قياس الأشياء بشكل أكثر دقة، فإنك تزعج الأشياء. مع هذه الترقية الجديدة، نحن قادرون على القياس بشكل أساسي بالقوة التي نريدها. يمكننا وضع طاقة الليزر الكاملة في النظام.”
وأضاف أديكاري أن حلمه هو ترقية مرصد LIGO إلى النقطة التي يمكنه عندها اكتشاف موجات الجاذبية بحساسيات منخفضة بشكل لا يصدق، ومن خلال ذلك، الوصول إلى الثقوب السوداء الأكبر التي ربما كانت موجودة في بداية الكون. ويعتقد باحث معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أيضًا أنه يمكن دفع مرصد LIGO إلى أبعد من ذلك من حيث الحساسية.
قصص ذات الصلة:
– مشروع LIGO يبدأ عملية مطاردة جديدة لموجات الجاذبية
– رؤية الانفجار الكبير “الحقيقي” من خلال موجات الجاذبية
— أول تلسكوب من نوعه سيبحث عن مصادر موجات الجاذبية
“كل شيء يعتمد حقًا على جودة المواد التي تستخدمها. يمكنك صنع مواد مرآة نقية حقًا، ومن ثم ليس هناك حدود تقريبًا لمدى دقة قياس الأشياء والضغط على نفس التقنية، فقط قم بذلك بشكل أفضل وأفضل على مر السنين وأوضح أديكاري. “في تلك المرحلة، حيث تم رفع الحساسية بعامل 10، بالطريقة التي يعمل بها LIGO، ستكون قادرًا على رؤية اندماج الثقوب السوداء في وقت مبكر جدًا جدًا من الكون عندما كانت المجرات الأولى تتشكل.”
لا يعد هذا الإنجاز مجرد صفقة كبيرة بالنسبة لمرصد LIGO واكتشاف موجات الجاذبية؛ كما أنه يخبر الفيزيائيين أنه إذا كنت على استعداد لعقد صفقة، فمن الممكن تجاوز الحد الكمي دون انتهاك مبدأ عدم اليقين.
وأضاف جيا: “إنه حدث مثير للغاية بالنسبة لي ولفريق LIGO بأكمله. لقد تم بذل جهد هائل لتحقيق هذا الإنجاز على مدار سنوات عديدة”. “لقد كان أمرًا سرياليًا أن نرى النظام بأكمله يعمل في البداية بعد أن قمنا بتجميع جميع الأنظمة الفرعية التي نفذتها العديد من الفرق الأخرى. إن نجاح الضغط المعتمد على التردد غير ممكن بدون مثل هذا الفريق الرائع والتعاون.”
تم نشر بحث الفريق في سبتمبر في المجلة المراجعة البدنية X.