بیگ بنگ: دانشمندان مرکز علوم اخترفیزیک هاروارد-اسمیت‌سونیان موفق شده‌ند با استفاده از رادیوتلسکوپی در قطب جنوب، نشانه‌های مستقیم امواج گرانشی بیگ بنگ را کشف کنند، این کشف تاییدکننده وجود امواج گرانشی، درستی کیهان‌شناسی تورمی و نخستین ویژگی کوانتومی نیروی گرانش و نظریه بیگ بنگ می باشد.

نمایی از تلسکوپ بایسپ2 در قطب جنوب و کاشفان امواج گرانشی بیگ بنگ در کنفرانس مطبوعاتی

مشاهده امواج گرانشی بیگ بنگ

به گزارش بیگ بنگ، گروه تحقیقاتی مرکز علوم اخترفیزیک اسمیت‌سونیان جزئیات تحقیق خود را در کنفرانسی به رهبری جان کواچ ارائه دادند. آنها توانسته‌اند با استفاده از تلسکوپ بایسپ2تصویری از این امواج گرانشی را درحالی‌که تنها کسری از ثانیه بیگ بنگ اتفاق افتاده بود و در حال کش‌وقوس دادن به چارچوب فضا-زمان بود، ثبت کنند. در آن زمان، هنوز ستاره‌ای متولد نشده بود و ماده به شکل توده‌های پلاسما در جهان پراکنده بود. این تصویر در تابش ریزموج زمینه کیهانی (CMB) دیده شده است، نخستین پرتویی که پس از پایان دوره تاریکی جهان در عالم منتشر شد و طی میلیاردها سال بعد بر اثر انبساط عالم به‌قدری سرد شد که امروزه فقط در تابش مایکروویو زمینه کیهانی قابل مشاهده است.

سال گذشته، تلسکوپ ساوت‌پول (SPT) که تنها چند متر با تلسکوپ بایسپ2 فاصله دارد، توانست برای نخستین بار قطبیدگی حالت B را در تابش ریزموج زمینه کیهانی تشخیص دهد. حالتB اثر بسیار ظریفی است و آشکارسازی آن نیازمند اندازه‌گیری تابش ریزموج زمینه کیهانی با دقت یک ده‌میلیونیوم کلوین و تفکیک اثر امواج گرانشی نخستین از دیگر منابع ممکن مانند غبار کهکشانی است. برای این کار، دانشمندان تلسکوپ بایسپ2 را که از 512 آشکارساز ابررسانای ریزموج تشکیل شده، به دقت در آسمان نشانه رفتند. محدوده رصد جایی از آسمان بود که مقادیر اندکی از تابش ریزموج از آنجا دریافت می‌شود و درنتیجه کمترین پرتوهای مزاحم برای مطالعه تابش مایکروویو زمینه کیهانی وجود دارد. استقرار بایسپ2 در ارتفاع 2800 متری قطب جنوب بهترین شرایط رصد پرتوهای ریزموج را فراهم کرد، چرا که هم جو زمین در آن ارتفاع رقیق‌تر است و هم رطوبت هوا که پرتوهای ریزموج را سد می‌کند، به خاطر ارتفاع و آب‌وهوای جنوبگان بسیار بسیار اندک است. اعضای گروه هم‌چنین با مقایسه داده‌های خود با آزمایش قبلی یعنی بایسپ1 نشان دادند که سیگنال‌های مشابه احتمالی ناشی از غبار کهکشانی دارای رنگ و طیف متفاوتی هستند.

این تابش پرتوی کم فروغیست که از بیگ بنگ به جای مانده و در واقع کهن ترین نور کیهان است. نوسان های ریز در این پس‌تاب سرنخ هایی از شرایط کیهان آغازین به ما ارایه می دهد. برای نمونه، تفاوت های کوچک در دمای سراسر آسمان نشانگر جاهاییست که در آن ها کیهان چگال تر بوده و با فشرده شدن بیشتر، کهکشان ها و خوشه های کهکشانی را پدید آورده. همچنین نشانگر نخستین تصاویر از امواج گرانشی بود، چین و شکن هایی در فضا-زمان. این امواج به عنوان “نخستین لرزش های بیگ بنگ” توصیف شده اند.

تصویری که می بینید، الگوی حالت B واقعی است که توسط بایسپ2 دیده شده، و با الگویی که برای امواج گرانشی آغازین پیش بینی شده همخوانی دارد.

پیوند کوانتوم و نسبیت

ردیابی امواج گرانشی در واقع دو نظریه مهم فیزیک و کیهان شناسی یعنی نظریه کوانتوم و نسبیت را به گونه‌ای بی سابقه در کنار هم قرار داد و این حقیقت که پدیده کوانتومی تورم عالم توانسته امواج گرانشی تولید کند را ثابت کرد. نظریه ای که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ آن را پیش بینی کرد و از آن‌جایی‌که خود او می‌دانست تا چه حد این امواج ضعیف‌اند از یافتن آن‌ها به‌کل ناامید بود و گمان می‌کرد که هرگز کشف نخواهند شد و تا سال‌ها پس از ارائه‌ی مقاله، دانشمندان دیگر هم چندان روی خوشی به امواج گرانشی نشان ندادند. اما بالاخره ثابت شد که حق با اینشتین بود و او راست می گوید. این کشف یکی از مهمترین کشفیات اختر شناسی و فیزیک ارزیابی می‌شود که به دانشمندان امکان می‌دهد برای اولین بار شواهد مستقیم از انبساط کیهان در نخستین لحظات تولد جهان در هنگام بیگ بنگ در 13.82 میلیارد سال قبل را مشاهده کنند. ،این امواج نشان‌دهنده آن است که گرانش هم مانند دیگر نیروهای بنیادی شناخته‌شده عالم، ماهیتی کوانتومی دارد. این کشف پنجره جدیدی به سوی برهمکنش‌های بسیار پرانرژی‌تری باز می‌کند که دست‌یابی به آنها در هیچ آزمایشگاهی روی زمین امکان‌پذیر نیست. علاوه بر این، دستاورد دانشمندان مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیت‌سونیان به نوبه خود دستاورد بزرگی است، چرا که یافته آنها بهترین مدرک برای وجود امواج گرانشی است که آخرین پیش‌بینی اثبات‌نشده نظریه نسبت عام (تاکنون) به شمار می‌رود.

از آنجا که تورم ریشه در فیزیک کوانتومی دارد، مشاهده امواج گرانشی حاصل از آن می‌تواند نخستین شاهد تجربی برای گرانش کوانتومی باشد. به عبارت دیگر، این مشاهده می‌تواند نشانه‌ای از این باشد که در دل گرانش پدیده‌ای کوانتومی نهفته است و این نیرو نیز ماهیتی مشابه سه نیروی بنیادی دیگر طبیعت دارد. اما دشواری کار اینجاست که گرانش توسط نسبیت عام توصیف می‌شود که علی‌رغم تمام موفقیت‌ها و پیش‌بینی‌های شگفت‌انگیزش، بر اساس فیزیک کلاسیک است و نظریه کوانتومی از اساس با فیزیک کلاسیک متفاوت است.

تاریخچه کیهان در گذر زمان

اموج گرانشی چیست؟

در فیزیک مدرن بعد چهارم بصورت فضا- زمان تعریف می‌شود. امواج گرانشی (Gravitational waves) اولین بار توسط اینشتین در نسبیت عام مطرح شد و به عنوان یکی از نتایج خمیدگی فضا-زمان شناخته شده است.این امواج نباید با امواج گرانش (Gravity waves) در فیزیک کلاسیک اشتباه گرفته شود. اینشتین پیش بینی می کرد که در نقاطی از فضا که اجرام بسیار بزرگی تشکیل شده باید نشانه ها گرانش را به شکل انرژی نیز مشاهده کنیم. اینشتین دریافت که نمی‌توان این دو مفهوم را از هم جدا کرد و در تئوری نسبیت، فضا – زمان بعد چهارم را تشکیل می‌دهد. گرانش یا جاذبه در این تئوری انحنایی در فضا-زمان است. این انحنا را جرم ایجاد می‌کند. هر چه جرم جسمی بیشتر باشد انحنای بزرگتری در فضا-زمان ایجاد می‌کند. این انحنا در واقع موقیت جسم را مشخص می‌کند. وقتی جسمی حرکت می‌کند، انحنایی که در فضا-زمان ایجاد می‌کند هم حرکت می‌کند. برای اینکه این موضوع روشن شود، یک صفحه پلاستیکی منعطف را در نظر بگیرید. اگر یک توپ تنیس را روی این صفحه بغلتانید روی خط مستقیم حرکت خواهد کرد چون جرم زیادی ندارد. اما اگر یک توپ بسکتبال را روی آن بغلتانید روی خط صاف حرکت نخواهد کرد چون جرم زیاد آن باعث فرو رفتگی در صفحه لاستیکی خواهد شد.پرویداد‌های عظیم کیهانی مثل انفجار ابرنواخترها که انرژی‌های عظیم با سرعت نور حرکت می‌کنند موج گرانشی تولید می‌کنند. وقتی که آب را در حوض به هم بزنید موج‌های کوچکی ایجاد می‌شود. این موج‌ها را می‌توان به مثابه موج گرانشی در نظر گرفت.

انحنای فضا-زمان

این امواج کاملا همگون نیستند و مثل نور در همکنشی با الکترون‌ها و اتم‌ها پلاریزه (قطبی) می‌شوند. دانشمندان با مدلسازی کامپیوتری یک الگوی موجدار را پیش‌بینی کرده بودند و آنچه اکنون یافت شده این مدل را تایید می‌کند. علاوه بر این اخترشناسان متوجه شدند این امواج قویتر از آن چیزی هستند که قبلا تصور می‌شد. به گفته کلم پرایک، یکی از محققان ارشد این پژوهش، “جستجو برای این امواج مثل جستجوی یک سوزن در کاهدان بود، اما به جای آن یک دیلم پیدا کردیم.” دانشمندان فکر می‌کنند که این کشف قفل راز تولد جهان را باز خواهد کرد و توضیح خواهد داد که انفجاری با این عظمت چگونه چنین انبساطی ایجاد کرده و جهانی یکپارچه را در ده به توان منفی ۳۴ ثانیه پس از بیگ‌بنگ شکل داده است و در نهایت چهره کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات بنیادی را دگرگون کند و در نهایت جایزه نوبل را برای کاشفان امواج گرانشی بیگ بنگ به ارمغان بیاورد.

مطالعه بیشتر در : nature , cfa.harvard , dailygalaxy