في عام 2015، قام مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) الشهير بأول اكتشاف ملموس على الإطلاق لموجات الجاذبية. وكانت الموجات نتيجة اصطدام ثقبين أسودين في مكان بعيد في الكون؛ ومنذ ذلك الحين، تم رصد ثروة من هذه الإشارات الصادرة عن اندماج الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية وحتى بضع عمليات اندماج مختلطة بين الاثنين.
ومع ذلك، على الرغم من نجاح مرصد LIGO – الموجود في موقعين أمريكيين والمدعوم بكاشف Virgo الموجود في إيطاليا، وكاشف موجات الجاذبية كاميوكا الياباني (KAGRA) – لم يتمكن علماء الفلك إلا من تأكيد أحد هذه الأحداث المنتجة لموجات الجاذبية. باستخدام علم الفلك “التقليدي” القائم على الضوء. كان هذا الحدث عبارة عن اندماج نجمين نيوترونيين، مما أدى إلى إنتاج إشارة موجة الجاذبية GW170817.
الآن، قام فريق من العلماء من جامعة مينيسوتا بتطوير ترقيات برمجية يمكن أن تساعد في تنبيه علماء الفلك لأحداث الاندماج بعد 30 ثانية فقط من التقاط موجات الجاذبية على الأرض. من المفترض أن يسمح نظام الإنذار المبكر هذا بمتابعة المزيد من أحداث الاندماج باستخدام علم الفلك المعتمد على الضوء.
متعلق ب: موجات الجاذبية تكشف عن اندماج هو الأول من نوعه بين نجم نيوتروني وجسم غامض
“باستخدام هذا البرنامج، يمكننا اكتشاف موجة الجاذبية الناتجة عن اصطدامات النجوم النيوترونية والتي عادة ما تكون باهتة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها ما لم نعرف بالضبط أين ننظر إليها،” أندرو تويفونين، عضو الفريق وحاصل على درجة الدكتوراه. وقال طالب في كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة مينيسوتا توين سيتيز في بيان. “إن اكتشاف موجات الجاذبية أولاً سيساعد في تحديد موقع الاصطدام ومساعدة علماء الفلك وعلماء الفيزياء الفلكية على استكمال المزيد من الأبحاث.”
ما هي موجات الجاذبية؟
موجات الجاذبية هي تموجات صغيرة في نسيج المكان والزمان، وكلاهما متحدان ككيان واحد رباعي الأبعاد يسمى “الزمكان”. تم التنبؤ بمثل هذه التموجات لأول مرة من قبل ألبرت أينشتاين في نظريته عن الجاذبية، النسبية العامة، عام 1915.
تتنبأ النسبية العامة بأن الجاذبية تنشأ من أجسام ذات كتلة تشوه نسيج الزمكان ذاته. كلما زادت الكتلة، كان المنحنى أكثر تطرفًا، مما يفسر سبب كون النجوم لها تأثير جاذبية أكبر من تأثير الكواكب.
كما افترض أينشتاين أنه عندما تتسارع الأجسام، فإنها تتسبب في تموج الزمكان. لا يمكن إدراك هذه التموجات إلا عندما تتسارع الأجسام الضخمة حقًا، مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء التي تدور حول بعضها البعض في أنظمة ثنائية وتنبعث منها موجات الجاذبية أثناء قيامها بذلك. قال أينشتاين إن هذا الانبعاث المستمر لموجات الجاذبية من شأنه أن يزيل الزخم الزاوي ويتسبب في تجمع الأجسام فائقة الكثافة معًا ثم اندماجها في النهاية، وهو تصادم يرسل “صرخة” عالية النبرة من موجات الجاذبية.
ومع ذلك، اعتقد أينشتاين أنه حتى موجات الجاذبية الصادرة عن الأجسام الكبيرة بدرجة كافية لتوليدها ستكون باهتة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها هنا على الأرض.
ولحسن الحظ، كان مخطئا.
ومع ذلك، فإن اكتشاف موجات الجاذبية ليس بالأمر السهل. ففي النهاية، يقع النجم النيوتروني والثقب الأسود الثنائي على بعد ملايين (وأحيانًا مليارات) من السنوات الضوئية، وتفقد موجات الجاذبية طاقتها أثناء انتقالها عبر الكون.
لكي يتمكن مرصد LIGO من اكتشاف موجات الجاذبية الناتجة عن هذه الأحداث، يتكون مقياس التداخل الليزري الضخم هذا من ذراعين على شكل حرف L، يبلغ طول كل منهما 2.5 ميل (4 كيلومترات). عندما يكون في الطور، يضيء ضوء الليزر أسفل كل من هذه الأذرع. وهذا يعني أنه عندما تلتقي الحزم، تصطف قمم وقيعان موجاتها، ويتضخم ضوء الليزر، وهو ما يسمى “التداخل البناء”.
ومع ذلك، إذا مرت موجة جاذبية فوق أحد هذه الليزرات وتم ضغط الفضاء وتمدده، فإن الليزر الذي يمر فوق هذا الجزء من الفضاء سوف يخرج من الطور، مما يعني أن القاع يلتقي بالقمم، والعكس صحيح، مما يؤدي إلى “تداخل مدمر”. وبالتالي لا يوجد تضخيم.
التغييرات التي يلتقطها مرصد LIGO “لسماع” موجات الجاذبية تبلغ 0.0001 مرة عرض البروتون، وهي الجسيمات الموجودة في قلوب النوى الذرية. ولتوضيح ذلك بمصطلحات علم الفلك “المعياري”، فإن ذلك يعادل قياس المسافة إلى أقرب نجم، بروكسيما سنتوري، على بعد حوالي 4.2 سنة ضوئية، بدقة كمية تساوي عرض شعرة الإنسان.
يجري مرصد LIGO وVirgo وKAGRA حاليًا مرحلة التشغيل الرابعة، والتي بدأت في 24 مايو 2023، ومن المقرر أن تستمر حتى فبراير 2025. وبين كل من عمليات التشغيل السابقة، قام العلماء في تعاون LIGO/Virgo/KAGRA بالترقية البرنامج المستخدم لاكتشاف شكل إشارات موجات الجاذبية، وتتبع كيفية تطور الإشارة، ومن ثم تقدير كتل النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء التي تحطمت معًا لتكوين الإشارة. يرسل هذا البرنامج أيضًا تنبيهًا إلى العلماء الآخرين.
بفضل عمليات المحاكاة التي تم إنشاؤها باستخدام البيانات التي تم جمعها من فترات المراقبة من الأولى إلى الثالثة، بالإضافة إلى إشارات موجات الجاذبية المولدة بشكل مصطنع، يعرف الفريق الآن أنه يمكن إجراء ترقيات على برنامج المراقبة الذي يسمح بخروج التنبيهات في غضون 30 ثانية من اكتشاف موجات الجاذبية أثناء المراقبة. . ستؤثر هذه الترقيات على فترة المراقبة الرابعة.
من المفترض أن يساعد ذلك علماء الفلك على تتبع مواقع هذه الأحداث في السماء باستخدام علم الفلك المعتمد على الضوء، وهو أمر لا يستطيع أي كاشف لموجات الجاذبية القيام به حاليًا، وتحديد كيفية تطور الاصطدامات بين الأجسام الأكثر غرابة وغموضًا في الكون بمرور الوقت.
قصص ذات الصلة:
– تصادم الثقوب السوداء “حلقة” عبر الزمكان مع تموجات موجات الجاذبية
– يمكن للثقوب السوداء المتصادمة أن تختبئ في ضوء النجوم الزائفة فائقة السطوع
– تم رصد ثقبين أسودين مندمجين هائلين عند “الظهيرة الكونية” في بداية الكون
ومن غير المرجح أن تكون هذه نهاية التحسينات على تنبيهات الكشف عن موجات الجاذبية. في نهاية عملية التشغيل الحالية، سيستخدم علماء التعاون بين LIGO وVirgo وKAGRA البيانات التي تم جمعها خلال عامين تقريبًا من “الاستماع” إلى سيمفونية عالمية من تصادم الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية لتحسين سرعة التنبيه بشكل أكبر.
نُشر بحث الفريق في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).