بیگ بنگ: از 13.8 میلیارد سال پیش که بیگ­ بنگ رخ داد، جهان با گسترش صدها میلیارد کهکشان و ستاره، همچون کشمش‌­هایی در یک خمیر در حال پخت به سرعت در حال انبساط است.

به گزارش بیگ بنگ، اختر­شناسان با متمرکز کردن تلسکوپ­‌ها بر روی ستارگان و دیگر منابع کیهانی، اقدام به اندازه‌­گیری فاصلۀ آنها از زمین و سرعت دور شدن آنها از ما کردند. این دو پارامتر برای تخمین ثابت هابل (واحد اندازه­‌گیری نرخ انبساط کیهان) ضروری هستند. اما تا به امروز، دقیق­‌ترین تلاش­‌ها مقادیر بسیار متفاوتی از ثابت هابل را بدست داده، و هیچگونه توضیح قانع­‌کننده‌­ای که جهان با چه سرعتی در حال رشد و انبساط است را ارائه نمی­ دهند. دانشمندان معتقدند که این اطلاعات می­تواند نوری بر منشأ جهان، سرنوشت آن، و اینکه آیا کیهان به­ طور نامحدودی انبساط می­ یابد یا نهایتاً در خود رمبش می کند، بتاباند.

در حال حاضر دانشمندانی از دانشگاه MIT و هاروارد روشی بسیار دقیق و مستقل را برای اندازه­‌گیری ثابت هابل، با استفاده از امواج گرانشی ساطع شده از یک سیستم بسیار کمیاب: دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی پیشنهاد دادند. این سیستم دوتایی دارای انرژی بسیار زیادی است که ناشی از چرخش سیاه­چاله و ستاره نوترونی می­ باشد. زمانی­که این دو شیء به دور یکدیگر می­چرخند، امواجی گرانشی تولیده کرده و بافت ِ فضا را مرتعش می­ کنند که در نهایت هنگام برخورد، فلشی (درخششی) از نور را از خود منتشر می­ کنند.

در مقاله‌­ای که در 21 تیر 97 در Physical Review Letters منتشر شد، محققان گزارش دادند که این فلش نور می­ تواند به دانشمندان تخمینی از سرعت سیستم یا سرعت دور شدن سیستم از زمین را بدهد. امواج گرانشی منتشر شده، در صورتی­که بر روی زمین، شناسایی شوند، اندازه‌­گیری مستقل و دقیقی از فاصله سیستم بدست می آید. حتی با اینکه دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی بسیار کمیاب می­ باشند، دانشمندان معتقدند که با این تعداد اندک نیز می­ توانند مقدار بسیار دقیق­‌تری برای ثابت هابل و نرخ انبساط کیهان را محاسبه کنند.

سالواتوره ویتاله، استادیار فیزیک در دانشگاه MIT و نویسنده مسئول مقاله گفت: «دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی از سیستم­‌های بسیار پیچیده‌­ای هستند که اطلاعات بسیار کمی درباره آنها در اختیار داریم. اگر یکی از آن­ها را رصد کنیم، سهم قابل ­توجهی از درک ما نسبت به جهان را به خود اختصاص خواهند داد.» دیگر نویسنده این مقاله، سین-یو چن از دانشگاه هاروارد می­ باشد.

ثابت‌ها در حال مسابقه

اخیراً اندازه‌­گیری­‌های مستقلی از ثابت هابل با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل ناسا و ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا صورت گرفته است. اندازه­‌گیری تلسکوپ فضایی هابل براساس رصد نوعی ستاره که با نام متغیر قیفاووسی شناخته می­ شود، و همچنین رصد ابرنواخترها انجام گرفته است. هر دوی این اجرام «شمع­‌های استانداردی» برای الگوهای قابل­‌ پیش­‌بینی از روشنایی هستند، که دانشمندان توسط آنها می­ توانند فاصله و سرعت ستاره را تخمین بزنند.

نوع دیگر تخمین براساس رصد نوسانات در تابش پس ­زمینه کیهانی می ­باشد. این تابش از نوع تابش الکترومغناطیسی می­ باشد که از باقی­مانده­‌های پس از بیگ ­بنگ و زمانی­ است که جهان هنوز در دوران طفولیت به سر می­ برد. درحالی­که رصدهای هر دو کاوشگر بسیار دقیق است، تخمین آنها از ثابت هابل به طور قابل­ توجهی با یکدیگر متفاوت است. ویتاله گفت:«اینجا جایی است که LIGO به میدان می­ آید.»

لایگو یا رصدخانه موج گرانشی با تداخل­‌سنج لیزری(LIGO)، امواج گرانشی­‌ای (در فضا-زمان Jell-O موج­‌دار می­ شوند) که توسط پدیده­‌های عظیم اخترفیزیک تولید می­ شوند، را آشکار می­ سازد. ویتاله افزود: «امواج گرانشی روشی مستقیم و بسیار ساده برای اندازه‌­گیری فاصله منبع­شان (پدیده­‌های تولید کننده امواج) از ما را بدست می­دهند. آنچه ما با لایگو شناسایی می­ کنیم یک اثر مستقیم از فاصله تا منبع، بدون هرگونه تحلیل اضافی است.»

در سال ٢٠١٧، دانشمندان اولین شانس­ خود را در تخمین ثابت هابل از طریق منبع امواج گرانشی بدست آوردند. در آن زمان ­ لایگو به همراه همتای ایتالیایی خود ویرگو(Virgo) برای اولین بار برخورد یک جفت ستاره نوترونی را شناسایی کردند. این برخورد مقدار بسیار زیادی امواج گرانشی آزاد کرد، که محققان از آن برای اندازه­‌گیری فاصله سیستم از زمین استفاده کردند. این ادغام همچنین فلشی از نور را ایجاد کرد، که اخترشناسان با متمرکز کردن تلسکوپ­‌های زمینی و فضایی بر روی آن، سرعت سیستم را نیز مشخص کردند.

با انجام این اندازه­‌گیری­‌ها، دانشمندان مقداری جدید برای ثابت هابل را محاسبه کردند. با این حال، این تخمین با عدم قطعیتی بسیار زیاد به میزان ١٤ درصد، بسیار بیشتر از مقادیر محاسبه شده توسط تلسکوپ فضایی هابل و ماهواره پلانک بود. ویتاله می­ گوید که بیشتر این عدم قطعیت­‌هایی می­تواند چالشی برای توضیح فاصله دوتایی نوتروتی از زمین با استفاده از امواج گرانشی­‌ای باشد که این سیستم خاص از خود منتشر می­ کند.

ویتاله افزود: «ما فاصله را با نگاه کردن در مقدار بلندی موج گرانشی اندازه­‌گیری می­ کنیم، به این معنی که به چه مقدار در داده‌­های ما واضح می ­باشد. اگر بسیار واضح باشد، شما می ­توانید ببینید که به چه مقدار بلند است، و از این­ رو به شما فاصله را می­دهد. اما این موضوع فقط برای ستاره نوترونی دوتایی تا اندازه­‌ای صحیح است.» این بدین خاطر است که این سیستم‌­ها، زمانی­که دو ستاره نوترونی به دور یکدیگر می­ چرخند دیسک چرخانی از انرژی را به وجود آورده و امواج گرانشی را به شکلی ناهموار منتشر می­ کنند.

اکثر امواج گرانشی به ­طور مستقیم از مرکز دیسک ساطع می­ شوند، در حالی­که بخش کوچکی از این امواج از لبه‌­ها منتشر می­ شوند. اگر دانشمندان بتوانند سیگنالی بلند از امواج گرانشی را شناسایی کنند، می­ تواند یکی از این دو سناریو را نشان دهد: یا امواج شناسایی شده از لبۀ سیستم که به زمین بسیار نزدیکند ساطع می­ شوند، یا امواج از مرکز سیستمی بسیار دورتر منتشر می­ شوند. به گفته ویتاله: «با استفاده از ستاره­‌های دوتایی نوترونی، بسیار سخت است که بین این دو موقعیت تمایزی قائل شد.»

موجی جدید

در سال ٢٠١٤، قبل از اینکه لایگو اولین موج گرانشی را شناسایی کند، ویتاله و همکارانش یک سیستم دوتایی متشکل از یک سیاه­چاله و یک ستاره نوترونی را رصد کردند. این سیستم اندازه­گیری فاصله بسیار دقیق­تری در مقایسه با سیستم دوتایی ستاره نوترونی بدست می­داد. تیم در حال بررسی این موضوع بود که دقیقاً چگونه می­ توان چرخش یک سیاه­چاله را اندازه‌­گیری کرد، که مشخص شد اشیائی که جهت چرخش آنها حول محورشان مشخص است، مشابه زمین اما با سرعت بیشتری دوران می­ کنند.

محققان تنوعی از سیستم­‌های دارای سیاه­چاله، شامل دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی و دوتایی ستاره نوترونی را شبیه­‌سازی کردند. آنها متوجه شدند که دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی در مقایسه با دوتایی ستاره نوترونی بسیار دقیق­‌تر فاصلۀ منبع را اندازه‌­گیری می­ کند. ویتاله معتقد است این به سبب دوران سیاه­چاله حول ستاره نوترونی می­ باشد، که به دانشمندان کمک کند تا نقطه­‌ای از سیستم را که امواج گرانشی از آن ساطع می­ شود، را بهتر و دقیق­‌تر تشخیص دهند. ویتاله گفت: «به دلیل این اندازه­‌گیری بهتر و دقیق­‌تر فاصله، فکر می­ کنم که دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی می­ تواند یک کاوش­گر قابل رقابت برای اندازه­‌گیری ثابت هابل باشد.»

تیم با انجام شبیه­‌سازی­‌ها، وقوع هر دو نوع از سیستم­‌های دوتایی در جهان و دقت اندازه‌­گیری فاصله­‌شان را پیش‌­بینی نمود. با انجام محاسبات، نتیجه گرفتند که حتی اگر سیستم­‌های دوتایی نوترونی بسیار بیشتر از سیستم دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی (در حدود ٥٠ به ١) باشند، دقت اندازه‌­گیری در محاسبه ثابت هابل در هر دو سیستم یکسان است. اگر دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی اندکی بیشتر اما همچنان کمتر از دوتایی ستاره نوترونی باشد، سیستم دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی، ثابت هابلی با دقتی چهار برابر را بدست می­دهد.

ویتاله در انتها گفت: «تاکنون تمرکز دانشمندان برروی ستاره‌­های نوترونی دوتایی به عنوان راهی برای اندازه­گیری ثابت هابل با استفاده از امواج گرانشی بوده است. ما نشان دادیم که نوع دیگری از منبع موج گرانشی وجود دارد که تاکنون به اندازه کافی مورد استفاده قرار نگرفته است: سیاه­چاله­ها و ستاره‌­های نوترونی چرخان به دور یکدیگر. لایگو مجددا در ژانویه ٢٠١٩ (دی ماه ١٣٩٧) شروع به گرفتن اطلاعات می­ کند، و بسیار حساس‌­تر خواهد بود، بدین معنی که توانایی دیدن اجرام دورتر را نیز خواهیم داشت. بنابراین باید حداقل یک سیستم دوتایی سیاه­چاله-ستاره نوترونی را رصد کند، که این کمک خواهد کرد که راه­ حلی برای کشمکش موجود در اندازه­‌گیری ثابت هابل، در چند سال آینده ارائه شود.»

ترجمه: سوران زوراسنا/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: Phys.org