آشکارسازی امواج گرانشی با رصد ستارگان

گذر امواج گرانشی از ستاره باعث ایجاد تغییراتی در مکان ظاهری آن می‌شود و این حرکت ها با تلسکوپ فضایی گایا(Gaia) قابل‌آشکارسازی است.

به گزارش بیگ بنگ به نقل از انجمن فیزیک ایران، رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌ لیزری(LIGO) به خاطر آشکارسازی امواج گرانشی با استفاده از تداخل‌سنج‌های بزرگ، برنده جایزه نوبل فیزیک امسال شد؛ اما روش‌های دیگری نیز برای این کار وجود دارد. یکی از این روش‌ها، اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های کوچک ستارگان نزدیک زمین است که امواج گرانشی از آنها می‌گذرد. محاسبات جدید نشان داده که آشکارسازی باید بااستفاده از داده‌های با وضوح بالا درباره مکان ستارگان انجام شود که این اطلاعات توسط تلسکوپ فضایی گایا فراهم می‌شود. این روش نسبت به امواج با فرکانس بسیار پایین که از ادغام دو ابرسیاه‌چاله یا حتی بیگ بنگ تولید شده است، حساس خواهد بود.

امواج گرانشی(GW) براثر رخدادهای سهمگینی مثل برخورد سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی، اجرامی که چگالی‌های بسیار بالای آنها در فضازمان اطراف آشفتگی ایجاد می‌کند، تولید می‌شود. لایگو یک موج گرانشی که باعث کشش و فشردگی فضا زمان شده، آشکارسازی کرده است، اما یک موج گرانشی گذرنده می‌تواند باعث نوسان زمین در مکان خود نسبت به ستارگان شود. بنابراین ستاره‌های دوردست، که از زمین یا تلسکوپ‌های فضایی دیده می‌شوند، باید با رفتاری قابل پیش‌بینی در مکان خود جابه‌جا شوند.

در دهه ۱۹۹۰، آشکارسازی امواج گرانشی با رصد اجرام فراکهکشانی، به‌ جای ستارگان، پیشنهاد شد. شبکه وسیعی از ستاره‌شناسان آماده آشکارسازی امواج گرانشی با استفاده از آثار آن بر تابش‌های رادیویی تپ‌اخترها شدند، ‌زیرا فرکانس جریان بسیار منظم پالس‌های سریع بر اثر عبور امواج گرانشی تغییرات بسیار کوچکی پیدا می‌کند. حال کریستوفر مور ستاره‌شناسی از دانشگاه کمبریج بریتانیا و همکارانش، آثار ناشی از امواج گرانشی میدان بزرگ ستاره‌های رصدشده توسط تلسکوپ فضایی گایا آژانس فضایی اروپا(ESA) را پیش‌بینی کرده‌اند. این رصدخانه در اواخر سال ۲۰۱۳ به‌ منظور انجام رصدهای بسیار دقیق مکان ستارگان در کهکشان خودی، به فضا پرتاب شد.

داده‌های گایا در اویل سال ۲۰۲۰ منتشر خواهد شد. مور می‌گوید: «برای اولین بار،  گایا اثر یک پیش‌بینی واقع‌گرایانه را اندازه‌گیری خواهد کرد.» هنگام طراحی گایا محققان متوجه شدند که آشکارسازی امواج گرانشی یکی از کاربردهای بالقوه این وسیله است. عوامل زیادی در کاربردی‌ شدن این رویکرد مشارکت دارند که شامل دقت و زمان طولانی اندازه‌گیری‌های نجومی است. گایا طی ۵ تا ۱۰ سال حدود یک میلیارد ستاره را رصد خواهد کرد که هر کدام از آنها طی این دوره حداقل ۸۰ بار رصد خواهد شد. طبق گفته مور، رصد این همه ستاره برتری مهم گایا محسوب می‌شود.

مور و همکارانش نشان دادند که امواج گرانشی الگوی تغییر مشخصی در مکان همه ستارگان ایجاد می‌کند. محققان موج گرانشی ناشی از دو ابرسیاه‌چاله چرخان به دور یکدیگر را شبیه‌سازی کردند و نشان دادند که این موج باید در اندازه‌گیری و بررسی ۱۰۰۰۰۰ ستاره توسط گایا قابل آشکارسازی باشد. (تجزیه‌ و تحلیل یک میلیارد ستاره نیازمند محاسبات زیادی است.) این روش برای امواج گرانشی با فرکانس بسیار پایین، فرکانس چند میکروهرتز تا نانوهرتز، موثر است، به این مفهوم که یک نوسان تکی می‌تواند سال‌ها طول بکشد.

با این‌ حال، موفقیت این روش تضمین‌شده نیست. طبق گفته مور «آشکارسازی امواج با این فرکانس‌های بسیار ضعیف حتی برای گایا نیز مشکل است.» مور می‌گوید احتمالا منبع امواج گرانشی قابل‌دیدن برای گایا، دو ابرسیاه‌چاله است که با دوره تناوب تقریبا یک ‌سال به دور یکدیگر می‌چرخند و در مرکز یکی از کهکشان‌های بزرگ و نسبتا نزدیک به ما قرار دارد. چنین اجرامی، بین ۱۰ میلیون تا ۱۰۰ میلیون برابر خورشد ما جرم دارند. “کارل گویین” اخترفیزیک‌دان دانشگاه کالیفرنیا در سنتا باربارا، می‌گوید: «این یک ایده عالی است و ارزش کارکردن دارد.» وی می‌گوید ازبین‌بردن سیگنال‌های مخالف اثرات ناشی از دستگاه‌ها و ابزارها، مانند نوسان در جهت‌گیری فضاپیماها، چالش‌برانگیز خواهد بود.

جوزه د بروجین، معاون پروژه علمی ماموریت گایا، تایید کرده است که طرح‌های پیشنهادی و نتایج شبیه‌سازی با قابلیت‌های ابزار سازگار است. طبق گفته گویین از آنجا که شکست موج در جو زمین مانع رصد آنها توسط تلسکوپ‌های زمینی می‌شود، یک ابزار فضایی باید چنین آثاری را رصد کند. بروجین می‌گوید احتمالا این روش می‌تواند منابع امواج گرانشی راکه به‌راحتی با آشکارسازهای تداخل‌سنجی مثل لایگو دیده نمی‌شوند، نشان دهد که شامل امواج گرانشی اولیه ناشی از دوره تورمی بیگ بنگ است. گویین می‌افزاید گایا می‌تواند امواج گرانشی ناشی از ادغام ستاره با ابرسیاه‌چاله مرکزی کهکشان خود را نیز ببیند که باید یک رخداد نسبتا شایع باشد.

تانی کال

برگرفته از physics.aps

بیگ بنگ