أذن يقظة لأصداء الانفجار الأعظم / روس د. أندرسن

يستعد العلماء لالتقاط أولى موجات الجاذبية، لذلك يتم توجيه الاهتمام إلى الأدوات التي ستسمح لعلماء الفلك بالنظر في الأجزاء الداخلية غير المرئية للثقوب السوداء ومشاهدة تاريخ الزمن القديم والمخفي * تم نشر المقال في مجلة ساينتفيك أمريكان حتى قبل ذلك اكتشاف أدلة على وجود موجات الجاذبية.

لنفترض أنك تريد إلقاء نظرة على بداية الزمن، في اللحظات الأولى من الخلق الكوني. قد تكون خطوتك الأولى هي بناء تلسكوب مثالي، وهو جهاز قوي للغاية بحيث يمكنه النظر إلى أبعد مسافة من الكون المرئي. ستحدد موقع قمة جبل قاحل، بعيدًا عن وهج أنوار الحضارة التي تحجب ضوء النجوم. قم بتسوية الأرض بالقرب من قمتها لتتخذ موقعًا مريحًا هناك وتضع فوقها أفضل مرصد يمكن بناؤه. ضع في المرصد تلسكوبًا بمرآة ضخمة، أكبر بكثير من أن يتم إطلاقه إلى الفضاء، وقم بتزويده بمجموعة من أجهزة الكشف المتطورة. سوف تستثمر في هذه العملية عدة سنوات، وأيضًا عدة مليارات من الدولارات، حتى لا يفلت أي فوتون من بصرك. ولكن ماذا يمكنك أن ترى معها؟ لنفترض أن تلك الليلة قد جاءت، تلك الليلة الوحيدة من بين ألف ليلة فلكية، حيث يختبئ القمر تحت الأفق وترتفع قبة السماء فوقها، مظلمة وواضحة. ما هي الأحجار الكريمة التي سوف تتألق من علبة العرض المخملية السوداء للرؤى السماوية؟

اتضح الكثير جدا. في المقدمة، سترى مجموعة من الكواكب المتناثرة، وتتقاطع مداراتها مع دوائر الأبراج الثابتة التي تدور حول نفسها. ومن خلفهم، سوف تتألق النجوم المحلية بشكل مشرق على خلفية من البريق الأبيض الخافت. وفي الزوايا المظلمة من السماء، سوف تتوهج المجرات، التي يقع بعضها على بعد مئات الملايين من السنين الضوئية. إذا قمت بتوجيه التلسكوب المثالي الخاص بك إلى المكان الصحيح، فيمكن أن يكشف عن تجاويف أعمق في الكون. سيكون قادرًا على اصطحابك إلى النجوم الأولى: الكرات الضخمة من الهيليوم والهيدروجين، التي أضاءت وجوهها النارية الكون الشاب.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• أول دليل مباشر على وجود موجات الجاذبية التي تسببت في تضخم الكون مباشرة بعد الانفجار الأعظم
• كيف يعمل التلسكوب الموجود في القطب الجنوبي والذي اكتشف موجات الجاذبية الناتجة عن الانفجار الكبير؟
• ما هي موجات الجاذبية؟

ومع ذلك، للضوء حدود، فهو لا يستطيع أن يظهر لك الكون بأكمله. حتى لو نظرت من خلال التلسكوب طوال الليل، كل ليلة، فلن تتمكن من النظر إلى مركز الثقب الأسود أو إلى جرح الزمن نفسه. مباشرة بعد الانفجار الكبير، لعدة مئات الآلاف من السنين، ظلت فوتونات الكون الوليد محاصرة في حساء كثيف من الجسيمات الخانقة للضوء، مثل اليراعات المحاصرة في الطين. كان لا بد من مرور 380,000 ألف سنة منذ بداية الانفجار الأعظم حتى يبرد الكون ويصبح شيئًا شفافًا ومقروءًا أيضًا؛ الفراغ الذي من خلاله يمكنك رؤية وميض الخلق. نحن نسمي هذا الوميض إشعاع الخلفية الكونية (CMB)، وهو النص الرئيسي لعلم الكون الحديث. كما أنه يعمل كجدار، حاجز في الزمن، يتجاوزه حاكم الظلام.

لعدة قرون، كان التجميع الدقيق للأضواء البدائية هو الطريقة الأساسية لمراقبة الكون، والمفتاح لأكثر التجارب طموحًا في علم الكونيات. لكن الضوء لا يمكن أن يسطع في بداية الزمن، مهما كانت تلسكوباتنا كبيرة ومتطورة. لرؤية ما وراء إشعاع الخلفية والنظر إلى فجر الكون، يجب على علماء الكونيات أن يلجأوا إلى الجاذبية، وهي قوة تترك أصداءها متناثرة في جميع أنحاء الفضاء، وهو أصداء نسميها موجات الجاذبية. ولكشف هذه الأصداء، سنحتاج إلى نوع جديد من الأجهزة، مختلف تمامًا عن التلسكوب.

أجهزة الكشف الأولى

بدأ السعي لبناء جهاز قادر على اكتشاف موجات الجاذبية منذ عقود مضت، ولكن حتى الآن،

لم تثمر بعد. اعتبارًا من وقت كتابة هذا المقال، يمثل مرصد موجات الجاذبية لقياس التداخل بالليزر (LIGO) أخطر محاولة تم إجراؤها في هذا المجال. يتكون هذا المرصد من ثلاث أدوات، اثنتان في ولاية واشنطن وواحدة في لويزيانا. كل منها عبارة عن أعجوبة هندسية، مسطرة تعتمد على الليزر قادرة على اكتشاف مدى تذبذب الذرة. يطلق مرصد ليجو أشعة ليزر على ذراعين متعامدين مع بعضهما البعض، ويقيس الفرق في أطوالهما، وهي طريقة تعرف باسم قياس التداخل الليزري [انظر الإطار في أسفل اليسار في الصفحة 39]. إذا مرت موجة جاذبية كبيرة بما يكفي عبر البيئة، فإنها ستدفع وتسحب الأذرع ذهابًا وإيابًا، وبالتالي تغير طولها بالنسبة لبعضها البعض. في الأساس، يعد LIGO بمثابة سماعة أذن سماوية، وهي عبارة عن ميكروفون عملاق يستمع إلى سيمفونية الكون الخفي المحتضرة.

كما هو الحال مع العديد من الظواهر الفيزيائية الغريبة، فإن مصدر معرفتنا عن موجات الجاذبية هو المفاهيم والمعادلات النظرية، وليس في الخبرة الحسية. كان ألبرت أينشتاين أول من لاحظ أن نظريته النسبية العامة تنبأت بوجود موجات الجاذبية. لقد أدرك أن بعض الأجسام لها كتلة كبيرة وتتحرك بسرعة عالية لدرجة أنها تلوي نسيج الزمكان نفسه، وترسل تموجات صغيرة على طوله.

كم هم صغار؟ صغيرة جدًا لدرجة أن آينشتاين اعتقد أنه لن يكون من الممكن مراقبتها أبدًا. لكن في عام 1974، توصل عالما الفلك راسل هيلز وجوزيف تايلور إلى أن موجات الجاذبية موجودة من خلال تجربة بارعة: دراسة متأنية لجسم فلكي يعرف باسم النجم النابض الثنائي. النجوم النابضة هي النوى الدوارة الوامضة للنجوم التي انفجرت منذ زمن طويل. إن معدل دورانها ووميضها منتظم بشكل ملحوظ، وهي الميزة التي جعلتها تحظى بشعبية كبيرة لدى علماء الفلك لأنها تعمل كساعات كونية بالنسبة لهم. في نظام النجم النابض الثنائي، يدور نجم نابض وجسم آخر (في هذه الحالة، نجم نيوتروني فائق الضغط) حول بعضهما البعض. أدرك هالس وتايلور أنه إذا وصف أينشتاين النسبية بشكل صحيح، فإن الزوج الحلزوني سينتج موجات جاذبية من شأنها أن تستنزف الطاقة المدارية من النظام، ونتيجة لذلك سيتقلص نصف قطر المدار تدريجيًا وتزداد سرعة الزوج. قام الفلكيان برسم المدار الظاهري للنجم النابض ثم راقباه لسنوات لمعرفة ما إذا كان المدار المتقلص سيظهر في البيانات. ولم يظهر الانكماش فحسب، بل إنه طابق توقعات هالس وتايلور بشكل مثالي، وجلس على الرسم البياني دون أي انحراف، وأعطى أينشتاين تأكيدًا كاملاً لدرجة أن الاثنين فازا بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1993.

مشكلة LIGO هي أنه لا يمكنه سماع هذه النجوم النابضة الثنائية إلا في لحظاتها الأخيرة، عندما تتسارع لوالبها النجمية وتنبعث منها سلسلة إيقاعية من الموجات القوية التي تنتقل عبر الفضاء مثل خشخيشات الموت الكونية غير المرئية. قد يكون كوننا كبيرًا ومليئًا بالنجوم، لكن الانهيارات الثنائية نادرة. إذا أردنا سماعها بأي درجة من الانتظام، فسيتعين علينا الاستماع إلى شريحة كبيرة من الكون. حتى وقت قريب، كان نطاق مرصد LIGO مقتصرًا على منطقة من الفضاء حيث يمكن أن تمر مئات السنين دون حدوث أي انهيار ثنائي داخل حدوده.

ومع ذلك، كانت عملية LIGO الأولى عبارة عن "تجربة تجريبية"، وهي طريقة لاكتشاف العيوب الهندسية التي تصاحب تنسيق أداة تمتد لمسافة كيلومترات. والآن بعد أن عرف مهندسو مرصد LIGO أن بإمكانهم تشغيل الكاشف المعقد، فإنهم يقومون بترقية حساسيته حتى يتمكن قريبًا من اكتشاف انهيار ثنائي على بعد 500 مليون سنة ضوئية، وهو تحسن قد يسمح له بسماع مئات من هذه الأحداث كل منها سنة. في الواقع، يتوقع معظم علماء الفيزياء الفلكية أن يقوم مرصد LIGO بأول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية في غضون بضعة أشهر من إعادة إطلاقه في عام 2016، وهو الذكرى المئوية لتنبؤ أينشتاين.

موجات منيع

وعلى الرغم من التكلفة الباهظة لمرصد ليجو، إلا أن طموحاته محدودة. في بعض النواحي، تعتبر مهمته دليلاً على المبدأ، وخطوة أولى ضرورية قبل أن يتمكن علم موجات الجاذبية من الارتقاء إلى بيئته الأكثر طبيعية: الفضاء. يعد كوكبنا مكانًا سيئًا لمرصد موجات الجاذبية لأن قشرة الأرض مغمورة باستمرار بموجات من الضوضاء الزلزالية، وهي نتاج الاصطدامات المدوية للصفائح التكتونية تحت سطح الأرض والمحيطات المتدفقة على سطحها. كل هذه الاهتزازات والصدمات يمكن أن تطغى بسهولة على رفرفة المادة الناتجة عن موجة الجاذبية. لسماع مجموعة واسعة منها، سنحتاج إلى وضع كاشف خارج الغلاف الجوي، في أعماق الفضاء، حيث تكون الظروف البيئية أكثر هدوءًا.

في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا، يخطط فريقان من المهندسين ليكونا أول من يضع أجهزة كشف موجات الجاذبية في الفضاء. كان الفريق الأقدم من الاثنين يتقن مهمته، هوائي قياس التداخل بالليزر الفضائي (LISA)، لعقود من الزمن. تعد مهمة LISA مشروعًا هندسيًا جريئًا، يتطلب درجة عالية من الدقة بحيث يبدو LIGO بالمقارنة بلعبة مصنوعة من Lego. ويتطلب المشروع إطلاق ثلاث مركبات فضائية ستدور حول الشمس في هيكل مثلث متساوي الأضلاع يبلغ طول ضلعه خمسة ملايين كيلومتر. وبمجرد وصول المركبة الفضائية إلى مكانها، سيتم قياس المسافة بينهما، بشكل مستمر، باستخدام الليزر. إذا مرت موجة جاذبية في البيئة، فسوف تزعج المركبة الفضائية وتشوه المثلث وسوف تلتقطها أشعة الليزر.

لم يتغير التصميم الأساسي لـ LISA كثيرًا منذ أن رسمه بعض رواد علم موجات الجاذبية على منديل في مؤتمر فيزياء ناسا منذ أكثر من ثلاثين عامًا. ولكن تم تحسينه بمرور الوقت بفضل الكفاح العنيد للمهندسين في التحدي العملي: بث الحياة في هذا التصميم الطموح. في أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كان ليزا واحدًا من أوائل المرشحين ليصبح رائدًا في مهام الفيزياء الفلكية التابعة لناسا، مباشرة بعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). ومع ذلك، في السنوات التي تلت ذلك، استهلك تلسكوب جيمس ويب الفضائي معظم ميزانية الفيزياء الفلكية لوكالة ناسا، وبما أن علماء الفلك لم يكن لديهم أي اكتشافات لمرصد LIGO، فقد واجهوا صعوبة في العثور على حجج لصالح استثمار مليارات الدولارات في بناء كاشف لموجات الجاذبية. قد يستغرق الأمر أكثر من عشر سنوات قبل أن تحصل مهمة على غرار LISA على "الضوء الأخضر".

أفسحت هذه التأخيرات مساحة على مكتب ناسا لأفكار مبتكرة حول كيفية اكتشاف موجات الجاذبية في الفضاء. بدأ فريق صغير في قسم الأفكار المتقدمة بالوكالة مؤخرًا في تطوير نوع جديد من كاشفات الجاذبية، استنادًا إلى تقنية ناشئة تسمى قياس التداخل الذري. هيكل هذا الفريق ليس جامدًا، وحتى الآن، من الصعب جدًا القول إن العمل الذي قاموا به يجعل من الممكن بناء مهمة من الألف إلى الياء. إن قائدي الفريق الرئيسيين، باباك سيف، مهندس قياس التداخل في مشروع تلسكوب جيمس ويب الفضائي، ومارك كاسيفيتش، أستاذ الفيزياء التطبيقية في جامعة ستانفورد، منشغلون بقضايا ملحة أخرى. بالنسبة لهم، هذا مشروع جانبي، شيء يستمتعون به ويحلمون به على هامش كدحهم اليومي.

في فبراير/شباط 2013، قمت بزيارة سيف في أحد مختبرات الليزر في مركز جودارد، حيث بدأ ببطء في بناء مقياس التداخل الذري، وهي تقنية يتوقع أن تكون الأساس لكاشف أصغر وأسرع لموجات الجاذبية. وبما أنه أحد أرقى مختبرات أبحاث الفضاء في العالم، يمكن للمرء أن يجد هناك مجموعات كبيرة من العلماء الذين يتمتعون بنسب أكاديمية ملفتة للنظر، لكن جذور سيف أكثر تواضعا. بعد هجرته مع عائلته إلى الولايات المتحدة من إيران عندما كان عمره 17 عامًا، عاش في شمال فيرجينيا، حيث بدأ في تلقي دروس العلوم والرياضيات في كلية مجتمع محلية والمساعدة في إعالة الأسرة من خلال العمل ليلاً في محطة وقود. تبين أن سيف كان طالبًا سريع البديهة. وفي عام 1981 انتقل إلى الجامعة الكاثوليكية الأمريكية بمنحة دراسية كاملة، وفي السنوات التي تلت ذلك حصل على شهادتي دكتوراه. قبل مجيئه إلى مركز جودارد، أمضى سيف عشر سنوات في معهد علوم التلسكوب الفضائي، حيث صمم مقياس التداخل الذي سيختبر مرايا تلسكوب جيمس ويب الفضائي. سيتأكد مقياس التداخل الخاص بسيف من دقة المرايا وصولاً إلى مستوى النانومتر، حتى لا نضطر إلى التعامل مع عطل محرج مرة أخرى مثل ما حدث لتلسكوب هابل الفضائي، الذي دخل المدار مع إحدى مراياه المنحرفة.

وأوضح سيف أن فكرة مهمته وكاسفيتش مشابهة لفكرة LISA، أي أنها تتضمن قياس المسافات بين المركبات الفضائية التي تدور حولها. ومع ذلك، خلافا لـ LISA، الذي اسم برنامجه هو قياس التغيرات في المسافة عن طريق الجمع بين الضوء المنبعث من أشعة الليزر المنبعثة من مركبة فضائية إلى أخرى، فإن مهمة سيف فاكسيفيتش ستستخدم الذرات الموجودة خارج المركبة الفضائية مباشرة [انظر الإطار في أعلى اليسار في الصفحة التالية] ]. ولأن مقياس التداخل الذري يقيس المسافات بين السحب الذرية، وليس بين المركبات الفضائية، فمن الممكن أن يكون أصغر بكثير. ويتطلب تصميمه الحالي أذرعًا أقصر بمقدار 5,000 مرة من أذرع LISA.

قوة الطريقة تكمن في دقتها. قد تؤدي موجة الجاذبية إلى تغيير المسافة بين المركبة الفضائية بأقل من تريليون من المليمتر، وحتى في هذه الحالة سيكون مقياس التداخل الذري قادرًا على اكتشاف الفرق.

لكن ليس الجميع متحمسين لهذه الفكرة. تسببت الميزانية المحدودة المتاحة لعلوم الفضاء في حدوث توترات بين فريق قياس التداخل الذري التابع لـ SAIF وفريق LISA. الأفكار الكامنة وراء المهمتين متشابهة في بعض النواحي. تتطلب كلتا المهمتين تنسيق المركبة الفضائية من حيث مستوى الدقة، وكلاهما يستخدم قياس التداخل لإجراء قياسات دقيقة. لكن بحسب سيف، وبفضل الانتقال من قياس التداخل الضوئي إلى قياس التداخل الذري، سنكون قادرين على بناء أجهزة كشف أكثر حساسية وأقل تكلفة، وتقليل المسافة الهائلة بين المركبات الفضائية؛ لطالما نظر منتقدو مشروع LISA إلى مسألة المسافة باعتبارها مشكلة يمكن أن تعرقل المهمة.

لكن فريق LISA رد عليهم: إذ يعزون التوفير في تكلفة قياس التداخل الذري إلى ابتكاره. ويقولون إن المدافعين المتحمسين للتكنولوجيات الجديدة يميلون إلى التقليل من التكاليف الباهظة للتنمية. ووفقا لهم، لا يمكنك معرفة السعر الحقيقي لأي تصميم إلا بعد أن تكون المهمة جاهزة بالفعل، لأنه عندها فقط يمكنك البدء في رؤية التحديات الهندسية الأكثر تعقيدًا التي تصاحب تكامل الأنظمة.

مشكلة الضوء

في مركز جودارد، سألت سيف ما الذي يحفزه لقضاء وقت فراغه في مهمة من غير المرجح أن يتم إطلاقها على الإطلاق. أخبرني أن احتمال ظهور فيزياء جديدة هو ما أبهره، وأنه يتوقع أن تحدث العقود القادمة تغييرًا أساسيًا في مجال علم الفلك - الانتقال من استخدام الفوتونات إلى استخدام الجرافيتونات.

في الواقع، يمكن لموجات الجاذبية أن تساعد في التعويض عن العديد من الإخفاقات العلمية التي يقدمها لنا الضوء، بصرف النظر عن عدم قدرته على إخبارنا عن بداية الزمن. هناك قيود إضافية فيما يتعلق بحمل المعلومات. أولاً، الضوء هو نتاج التفاعلات بين الجسيمات. عندما يظهر الضوء في الكون، فإنه يعلن عن وقوع أحداث صغيرة، مثل نشوء الهيليوم عن طريق اندماج ذرات الهيدروجين داخل النجوم. ويسجل أصغر الأحداث. إذا كنا مهتمين بمعرفة كيفية تحرك الأجسام الكبيرة عبر الزمكان، فيجب علينا جمع الضوء من العديد من هذه الأحداث الصغيرة واستخدامه لاستخلاص النتائج. يجب علينا تجميع فسيفساء السطح.

وإذا لم يكن هذا كافيًا، فإن الضوء يخلق انحيازًا في الطريقة التي نرى بها الكون لأنه يميل إلى أن يأتي من بيئات نشطة للغاية من الناحية الديناميكية الحرارية. في علم الفلك، الانفجارات الضوئية الكبيرة التي تستحق اسم "الإشارة" هي نتاج أحداث نارية، مثل النجوم التي تتحول إلى مستعرات أعظم في ومضاتها المحتضرة. عندما نفكر في الكون، فإن البنية التي تتبادر إلى ذهننا عادة ما تتضمن أماكن ساخنة وفوضوية.

كما أن الإشارات الضوئية هشة. غالبًا ما تتضاءل أو تختفي تمامًا أثناء شق طريقها عبر الكون. البعض منهم محاط بسحب غازية ضخمة تقف في طريقهم. ويتناثر آخرون أو يسقطون في آبار الجاذبية العميقة ولن يعودوا أبدًا. أعمق الحفر من هذا النوع هي الثقوب السوداء الهائلة، وهي أعمدة الهياكل الكونية التي تتحرك حولها المجرات بأكملها. ويريد العلماء معرفة المزيد عن هذه الثقوب السوداء، خاصة ما يحدث عندما يندمج اثنان منها مع بعضهما البعض. لكن لا تصل قطرة واحدة من الضوء إلى أعيننا أو عيون تلسكوباتنا من ثقب أسود، لأن الفوتونات، على الرغم من سرعتها الهائلة، لا تستطيع الهروب من قوة امتصاص نواة الثقب الأسود.

يضطر علماء الكونيات إلى الاكتفاء بالضوء الذي لا يلتهمه الثقب الأسود، الضوء الذي ينبثق من منطقة كتابه، من المادة المحاصرة في تشوهات الزمكان المضطربة حوله. ولحسن الحظ، فإن إشارات موجات الجاذبية أقل عرضة للتأثير من الضوء. إنها لا تتبدد أو تتضاءل، بل تخلق تموجات تنتشر دون انقطاع في جميع أنحاء الكون، غير مبالية بعمالقة الفيزياء الفلكية التي تقف في طريقها.

أصداء سفر التكوين

بعد أسابيع قليلة من رحلتي إلى مركز جودارد، قمت بزيارة ديفيد سبيرجيل، رئيس قسم الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون وأحد كبار علماء الكونيات في العالم. يشغل سبيرجل منصب رئيس لجنة المسح العشرية لعلم الكونيات والفيزياء الأساسية، التابعة لمجلس البحوث القومي الأمريكي، والتي تلعب تقاريرها دورًا مهمًا في تحديد أولويات البحث طويلة المدى في علم الكونيات. ومن المعروف أن ناسا تأخذ توصيات اللجنة على محمل الجد، وهذا يعني أن كلام سبيرجل يحمل وزناً كبيراً في مسألة المهام العلمية التي تقرر الوكالة إطلاقها.

عندما جلسنا في مكتب سبيرجيل، بدأ في شرح فوائد موجات الجاذبية. وأوضح أنه على عكس ما يحدث للضوء، كان الكون دائمًا شفافًا أمام موجات الجاذبية. ولم يكن هناك عصر بدائي كانت فيه هذه الموجات محجوبة بظروف كونية غريبة. في الواقع، لا ينبغي أن تكون هناك مشكلة في أن ترفرف موجات الجاذبية نحونا منذ اللحظات الأولى بعد الانفجار الأعظم. ولكن كيف يمكننا معرفة ما إذا كانت مثل هذه الموجات موجودة في تلك الأوقات؟

قال لي سبيرجيل: "لإنشاء موجات الجاذبية، عليك تحريك الكثير من المادة ذهابًا وإيابًا بسرعة عالية جدًا، وإحدى الطرق للقيام بذلك هي من خلال مرحلة انتقالية". يحدث انتقال الطور عندما ينتقل النظام المادي من حالة إلى أخرى. المثال الكلاسيكي هو الماء الذي يتجمد ويتحول إلى جليد، ولكن هناك أيضًا تحولات طورية على المقاييس الكونية، بعضها حدث بعد وقت قصير من الانفجار الكبير، على سبيل المثال: الكواركات. معظم الكواركات اليوم مقيدة داخل النوى الذرية، ولكن في الميكروثانية الأولى من عمر الكون، كانت ترتد بحرية في أي اتجاه في حالة يسميها علماء الكون بلازما كوارك-جلون. وفي مرحلة ما، انتقل الكون من حالة بلازما كوارك-غلوون إلى حالة جديدة تسكنها البروتونات والنيوترونات.

وقال سبيرجيل: "في حالة مرحلة انتقالية من الدرجة الأولى من هذا النوع، ستتشكل الفقاعات داخل البلازما، مما سيؤدي إلى تحرك الكثير من المادة بعنف في جميع الاتجاهات". تحدث التحولات الطورية من الدرجة الأولى بشكل مفاجئ، حيث تتشكل أسابيع من مرحلة جديدة في قلب المرحلة القديمة. تتوسع هذه الفقاعات وتتصادم حتى تختفي المرحلة القديمة تمامًا وتنتهي المرحلة الانتقالية. ينبغي أن تؤدي الفوضى التي تصاحب العملية إلى خلق مجموعات من موجات الجاذبية القوية، والتي ربما تمر بنا الآن. إذا تمكنا من اكتشافها، فقد نحصل على أول لمحة عن طفولة الكون.

وحتى موجات الجاذبية الأقدم قد تكون موجودة. في بعض النماذج التضخمية للكون، حدث الانفجار الأول للتوسع الكوني الأسي بالتزامن مع التقلبات الكمومية للزمكان، وهي تموجات تسببت في توسع بعض مناطق الكون بشكل أسرع من غيرها. يمكن أن تنتج هذه التقلبات نوعًا خاصًا من موجات الجاذبية، تسمى موجات الجاذبية العشوائية، والتي كان من الممكن أن تنشأ عندما كان عمر الكون أقل من تريليون من تريليون من تريليون من الثانية.

قال لي سبيرجل: "معظم النماذج التضخمية للكون تتنبأ بأن إشعاع الخلفية هذا، لموجات الجاذبية العشوائية، يأتي من أجزاء مبكرة جدًا من الكون". "إذا تمكنا من مراقبتها، فإنها يمكن أن تظهر لنا الفيزياء الأساسية. سيُظهرون لنا كيف يبدو الكون عند استخدام طاقات بمقاييس أكبر بـ 1013 مرة مما نحصل عليه في مصادم الهادرونات الكبير".

البحث عن موجات الجاذبية العشوائية هو مقامرة علمية. تحديد هويتهم سيكون صعبا للغاية. وسوف يتطلب الأمر أدوات حساسة للغاية وتحليلًا مضنيًا للبيانات لغربلة الموجات البدائية الثمينة من موجات إشارات الجاذبية التي ستقصف كل كاشف متمركز في الفضاء. إذا تمكنا من جمع هذه الإشارة من كل ركن من أركان السماء وتنظيفها من كل بقايا الإشارات الضالة، فسنحصل على إشعاع خلفي لموجات الجاذبية العشوائية، وهي خريطة تمتد عبر السماء لموجات الجاذبية. سنتلقى نصًا أساسيًا في علم الكونيات يمكننا التعمق فيه.

تم تصميم تصميم المهمة لتحقيق أفكار LISA، بالإضافة إلى تصميم مقياس التداخل الذري Saif، لاكتشاف موجات الجاذبية من أهداف أكثر تحفظًا، مثل اندماج الثقوب السوداء. في الأيام الأكثر ميلًا إلى المغامرة، حلم مخططو LISA ببناء مرصد Big Bang، وهي مهمة ستأتي بعد LISA والتي ستستهدف على وجه التحديد اكتشاف موجات الجاذبية العشوائية. لكن مثل هذا التوقع كان دائما رهانا جامحا، وسوف يستغرق الأمر عقودا من الزمن قبل أن يتحقق فعليا. أخبرني سيف أنه يود عكس ترتيب المهمة والبدء في البحث عن موجات الجاذبية العشوائية، لكن خططه تستهدف نفس الإشارات التي تخطط ليزا للبحث عنها. النهج المحافظ هو خطوة دبلوماسية تهدف إلى إرضاء المجتمع الأوسع من علماء الفيزياء الفلكية، الذين هم بالفعل مفتونون بعلم موجات الجاذبية، ولكنهم يفضلون البدء بأشياء صغيرة واستهدافها معروفة بالفعل بوجودها.

يقول سبيرجيل: "إن التصادمات بين الثقوب السوداء الهائلة هي أساس العمل في تجارب موجات الجاذبية". ووفقا له، "إذا أطلقنا إحدى هذه المركبات الفضائية ولم نسمع اصطدام الثقوب السوداء العملاقة، فهذا يعني أن هناك شيئا خاطئا للغاية في صورة الكون التي لدينا، ولكن الجائزة الكبرى هي علم الكونيات".

من المحتمل أنه في مرحلة ما، ستجد لجنة سبيرجيل للمسح العشري نفسها مضطرة للاختيار بين الثقوب السوداء وعلم الكونيات، وربما أيضًا بين قياس التداخل الذري وقياس التداخل الضوئي. ومن المفترض أن تجتمع اللجنة مرة أخرى في منتصف العقد الحالي لتقييم المسار الذي حددته عام 2010 وإجراء التعديلات. سيتم إجراء المسح التالي من هذا النوع بعد إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي بالفعل، ومن المحتمل أن يؤدي ذلك إلى توفير الأموال لغرض مهمة علوم الفضاء الطموحة.

أثناء خروجي من مكتب سبيرجيل، وهو يخرجني، سألته إذا كان لديه منافس مفضل، إذا كان يعتقد أن مهمة سيف ستهزم ليزا على المدى الطويل. وقال لي إنه غير مقتنع بأن فكرة قياس التداخل الذري ستنتصر في النهاية، لكنه مقتنع بأنها فكرة مثيرة للاهتمام وتستحق الكثير من التفكير. ثم أخبرني بقصة: "منذ سنوات عديدة، وقبل وقت طويل من فوز ستيفن تشو بجائزة نوبل، تحدثت معه عن مسألة ما هو الطريق لتحقيق إنجازات علمية عظيمة، وأخبرني تشو بشيء محفور في ذاكرتي". وقال إن المطلوب هو اتخاذ موقف يسمح بإجراء تجارب قد تكون مهمة. وأعتقد أن هاتين التجربتين تستوفيان هذا الشرط."

____________________________________________________________________________

باختصار

علماء الفلك على حافة حقبة جديدة. وسيتمكنون قريبًا من مراقبة الكون ليس فقط من خلال موجات الضوء، بل أيضًا من خلال موجات الجاذبية.

تسمح موجات الجاذبية بإلقاء نظرة على الكون الذي كان مخفيًا عن أعيننا حتى الآن. يمكنهم الكشف عما هو مخفي داخل أفق الحدث للثقب الأسود وإلقاء نظرة خاطفة على اللحظات الأولى للكون.

من المفترض أن تقوم مراصد موجات الجاذبية على الأرض باكتشافاتها الأولى في السنوات القادمة. علاوة على ذلك، تجري معركة ديوك بين تقنيتين مختلفتين يمكن دمجهما في مرصد موجات الجاذبية في الفضاء.

عن المؤلف

روس د. أندرسن هو أحد كبار المحررين في مجلة Aeon الإلكترونية. كتب على نطاق واسع عن العلوم والفلسفة في العديد من المجلات، بما في ذلك مجلة أتلانتيك والإيكونوميست.

من المفترض أن تقوم مراصد موجات الجاذبية على الأرض باكتشافاتها الأولى في السنوات القادمة. علاوة على ذلك، تجري معركة ديوك بين تقنيتين مختلفتين يمكن دمجهما في مرصد موجات الجاذبية في الفضاء.

كيف تعمل

الكون وفقا لموجات الجاذبية

علمنا ألبرت أينشتاين أن المادة والطاقة يمكنهما ثني نسيج الزمكان نفسه. إذا قمت بتحريك كتلة كافية، فإن الحركة ستخلق تموجات في الزمكان تموج في جميع أنحاء الكون. موجات الجاذبية هذه هي الطريقة الوحيدة التي يمكننا من خلالها مراقبة الأحداث التي لا يمكن رؤيتها بالضوء: على سبيل المثال، اصطدام ثقبين أسودين، أو فوضى التقلبات الكمية التي حدثت في أجزاء من الثانية بعد الانفجار الكبير.

ومع ذلك، فإن تحديد أصداء الانفجار الكبير سيكون أمرًا صعبًا للغاية؛ فقط المرصد الفضائي يمكنه التعامل مع مثل هذه المهمة. كلتا الفكرتين المعروضتين في هذه الصفحة سيكون لهما القدرة على الاستماع إلى أصداء الكون الأولى.

مقياس التداخل الذري

هناك طريقة جديدة لقياس موجات الجاذبية ستستفيد من سحب الذرات شديدة البرودة التي تقع خارج مركبتين فضائيتين تفصل بينهما مسافة 1,000 كيلومتر. في المرحلة الأولى، تقوم أشعة الليزر بإدخال كل سحابة في تراكب من جزأين، بسرعتين مختلفتين. وبعد 10 ثوانٍ، يعكس شعاع ليزر آخر العملية، فيبدأ الجزءان في إعادة الاتصال. وعندما تتداخل سحب الذرات مرة أخرى، يتم قياسها مرة أخرى بواسطة المزيد من أشعة الليزر. إذا مرت موجة جاذبية، خلال العشرين ثانية المطلوبة لهذه العملية، عبر الفضاء بين المركبة الفضائية، فإنها ستغير المسافة بين أزواج السحب بمقدار ضئيل، وتسبب تغييرًا يمكن قياسه في الحالة النهائية للذرات.

مقياس التداخل بالليزر

تعمل مراصد موجات الجاذبية التقليدية، مثل مرصد LIGO الأرضي الذي يتم تحديثه حاليًا في محاولة للعثور على أولى موجات الجاذبية، وLISA، وهي فكرة لمنصة مستقبلية سيتم وضعها في الفضاء، من خلال الجمع بين أشعة الليزر. يقسم مرصد LIGO الحزمة إلى جزأين (A وB)، ويعكس مرحلة الجزء الأول، ثم يرسل الحزم للخارج والعودة عبر أذرع عمودية. (تعمل تقنية LISA على نفس المبدأ تقريبًا، ولكنها تستخدم مثلثًا متساوي الأضلاع بدلاً من الأذرع المتعامدة.) عندما تتحد الحزم (باللون الأصفر)، يجب أن تلغي الموجات بعضها البعض، وبالتالي فإن الشعاع الناتج سيكون داكنًا. لكن إذا غيرت موجة الجاذبية الطول النسبي للأذرع (باللون الأزرق)، فلن تتطابق الموجات مع بعضها البعض، وستعرض الأشعة المدمجة نبضات ستكشف سر الموجات. لكن تأثير موجات الجاذبية ضئيل: على سبيل المثال، سيؤدي اصطدام نجم نيوتروني قريب إلى تغيير طول أذرع مرصد ليجو التي يبلغ طولها أربعة كيلومترات بأقل من قطر البروتون. وبمساعدة أذرع LISA، التي يبلغ طولها خمسة ملايين كيلومتر، سيكون من الأسهل الاستماع إلى إشارات أصغر.

الآفاق الكونية

ماذا نأمل أن نجد؟

موجات الجاذبية قادرة على عبور الحدود التي لا يستطيع الضوء تجاوزها. على سبيل المثال، يمكنها نقل معلومات حول ما يحدث خارج أفق الحدث للثقب الأسود. يمكن أن تظهر موجات الجاذبية أيضًا خارج "جدار" إشعاع الخلفية الكونية (CMB)، وهو حاجز الضوء الذي سيمنعنا إلى الأبد من رؤية الكون قبل أن يبلغ عمره 380,000 ألف عام. سيعطوننا آذانًا قادرة على الاستماع إلى كل ركن من أركان الكون.

المزيد عن هذا الموضوع

سمفونية أينشتاين غير المكتملة: الاستماع إلى أصوات الزمكان. مارسيا بارتوسياك. كتب بيركلي، البطريق بوتنام، 2000.

الكشف عن موجات الجاذبية باستخدام قياس التداخل الذري. سافاس ديموبولوس وآخرون. في رسائل الفيزياء ب، المجلد. 678، لا. 1، الصفحات 37-40؛ 6 يوليو 2009.

مكتب مشروع ليزا: http://lisa.nasa.gov

شاهد مقطع فيديو يوضح كيفية اكتشاف مقياس التداخل الذري لموجات الجاذبية:

 

تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل