بیگ بنگ: دانیل کاسینز می گوید: اولین امواج گرانشی که دریافت شدند، نظریه گرانش اینشتین را تایید  کردند، اما امواجی که دریافت می شوند، ممکن است آن را از اعتبار بیندازند.

به گزارش بیگ بنگ، در زمان های بسیار دور، در یک کهکشان دوردست، دو سیاهچاله با هم برخورد کردند. ما این را از آنجا می دانیم که بیش از یک میلیارد سال بعد، در صبح روز 14 سپتامبر سال 2015 آن را دریافت کردیم: در جهانی که حساس‌ترین دستگاه اندازه‌گیری، یعنی پرتوهای لیزری که در مقابل امواج بسیار ریز در فضا-زمان در بالای کره زمین حساسیت نشان می دهد.

اولین شناسایی امواج گرانشی به خاطر درخواست خیل عظیمی از دانشمندان برجسته و همچنین برای تایید نظریه گرانش اینشتین(نظریه نسبیت عام) بوده است. بعد از آن، مراکز شناسایی، این امواج را بیش از پنج بار مشاهده کرده‌اند. اما این فقط اول ماجرا بود. اگرچه هر آنچه که از اولین امواج دریافتی یاد گرفتیم مطابق با نظریه اصلی اینشتین بود. اما امواجی که در حال دریافت آنها هستیم ممکن است آن نظریه را زیر سوال ببرند.

امواج گرانشی ما را به جاهای کور و نامشخصی می برد، جاهایی که ساختار کیهان بسیار پیچیده و گرانش بی‌نهایت است. به طوری که بهترین نظریه‌های ما به محدودیت‌هایشان  می رسند. “سالواتور ویتاله” از موسسه تکنولوژی ماساچوست می گوید: «اگر در نظریه نسبیت عام نقصی وجود داشته باشد، ما آن را در این نقاط باید پیدا کنیم.»

در حالی که مهندسان، لیزرها را دوباره کالیبره می کنند تا آشکارسازها را حساس‌تر و دقیق تر کنند، فیزیکدانان پیش‌بینی‌های خود را درباره اینکه چه اتفاقی ممکن است بیفتد آرام زمزمه می کنند. در حال حاضر نظریه‌پردازان، سعی در پروراندن عجایب کیهانی هستند تا بتوانند فهم ما از سیاهچاله‌ها، گرانش و خود فضا-زمان را تغییر دهند. یافتن سیگنال‌های عجیبی که آنها درباره‌شان می گویند، آسان نیست؛ حتی در پاره‌ای از موارد، ما به سختی متوجه می شویم که به دنبال چه چیزی هستیم. اما یک گروه از فیزیکدانان ادعا می کنند که ما به سختی آنها را پیدا کرده‌ایم.

فهم تازه ما از گرانش در سال 1915 ترسیم شد، زمانی که اینشتین آخرین تغییرات را بر روی نظریه نسبیت عام خود انجام داد. نظریۀ قبل از آن که توسط آیزاک نیوتن طراحی شده بود، تقریب نسبتاً خوبی در مقیاس‌های کوچک داشت، اما به محض اینکه شما اجرام بزرگی مانند ستاره و سیارات را در نظر می گیرید، نظریه نیوتن کارایی خود را از دست می دهد. در تصویر جدید اینشتین از کیهان، گرانش نتیجۀ اجرام سنگینی است که تار و پود جهان هستی را خم کرده تا نقاط تاریکی را بسازند که هر چیزی که نزدیک آنهاست را به سمت خود بکشد. با اینکه نظریه او بارها و بارها در قرن اخیر مورد آزمایش قرار گرفته است، اما پیش‌بینی‌های او هیچ موقع مطابق با آن چیزی که می خواست به دست آورد، نبود.

تنها ایده‌ای که نمی توانستیم نادیده بگیریم این بود که اجرام سنگینی که به هم نزدیک می شوند ممکن است فضا-زمان را به طور چشمگیری فشرده یا منبسط کنند، به طوری که ریز موج‌ها را در هر جهتی بگسترانند، مانند سنگ ریزه‌ای که در استخری پرتاب می شود. مسئله این بود که گمان می رفت رویدادهایی که این امواج گرانشی را تولید می کنند بسیار قوی هستند، در حال که خود امواج بسیار آرام هستند. فضا-زمان سفت است و به آسانی نوسان نمی کند. برای داشتن شانس دیدن امواج گرانشی که میلیاردها سال نوری در کهکشان سفر کرده‌اند، لازم است آنها را مانند نسبت‌مان  به کهکشان راه شیری در نظر بگیریم.

همین موضوع، برای دانشمندانی که در دهه 1960 مرکز لایگو(LIGO) را ایجاد کردند، یک چالش به شمار می رفت. در حال حاضر، این مرکز دو آشکارساز “L-Shaped” (به شکل حرف انگلیسی L) دارد، یکی در لوینگستون واقع در لویزیانا، و دیگری در هنفورد واقع در واشینگتن. هر کدام از آینه‌هایی استفاده می کنند که پرتوهای لیزری هماهنگ شده را در بازوهای 4 کیلومتری آشکارسازها پرتاب می کنند. زمانی که امواج گرانشی از میان آنها می گذرد، طول بازوها تغییر نا محسوسی خواهند داشت و هنوز پرتوها به میزان قابل توجهی غیر هماهنگ خواهند بود.

اما رسیدن به این حساسیت نیمی از قضیه است. فهمیدن اینکه سیگنال‌های یافته شده در مرکز لایگو به چه چیزی شبیه است، و اینکه چگونه می توانیم آنها را از بقیۀ ارتعاشاتی که از آشکارسازها می گذرد جدا کنیم، به انرژی فوق‌العاده‌ای نیاز دارد. به طرز شگفت‌آوری، 900 همکاری قوی علمی در مرکز لایگو موفق به پیدا کردن سیگنال‌های مورد نظر شد. آنها نه تنها توانستند یک موج گرانشی را در کیهان پیدا کنند، بلکه توانستند اطلاعاتی را هم که آن موج با خود حمل می کرد، رمزگشایی کنند. برای مثال به همین طریق است که در مورد جرم سیاهچاله‌هایی که این امواج را تولید می کنند، یا برخورد ستاره‌های نوترونی ابر چگال که می توانند با عناصر سنگین در کیهان بذر افشانی کنند شناخت داریم.

دوران ستاره‌شناسی امواج گرانشی دیر شروع شده است. از زمانی که دومین سری از مشاهدات مرکز لایگو در ماه آگوست 2017 به پایان رسید، آشکارسازها به منظور افزایش حساسیت دستگاه‌ها، به روز رسانی شده‌اند. حتی سومین آشکارساز هم به نام ویرگو در پیزا واقع در ایتالیا به آنها وصل شده است. هنگامی که امسال سومین سری مشاهدات امسال به راه بیفتد، ما هر هفته امواج گرانشی را خواهیم یافت، و سیگنال‌های دریافتی دقیق‌تر از همیشه خواهد بود. اینها ممکن است باعث شود چیزی دیده شود که با نظریه نسبیت عام سازگار نباشد.

ریچارد اوشاگنسی  از موسسه تکنولوژی روچستر می گوید: «این برای بد نام کردن اینشتین نیست، اما دلایل خوبی وجود دارد که می توانند نظریه او را در بعضی مقیاس‌ها زیر سوال ببرند.» طبق مشاهدات، دو عامل آزاردهندۀ کیهانی، شناخته شده‌ترین موانعی هستند که در سر راه پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام اینشتین وجود دارند: اولی ماده تاریک، ماده غیر قابل مشاهده‌ای که توضیح می دهد چرا کهکشان‌ها سریع تر از سرعتی که جرمشان به آنها اجازه می دهد گردش می کنند؛ و انرژی تاریک، اثر رمزآلودی که باعث که می شود کیهان با نرخی رو به افزایش منبسط شود.

حقیقتی وجود دارد که در آن نظریه نسبیت عام با مکانیک کوانتومی، یعنی نظریه‌ای که اساس ذرات و نیروها غیر از گرانش را توضیح می دهد، ناسازگار است. در بخش‌های زیادی مکانیک کوانتومی برای جهان بسیار کوچک پیش‌بینی‌های خود را انجام می دهد. اما هنگاهی که به سیاهچاله‌ها می رسد، چیز مهمی برای ارائه دارد. با توجه به نظریۀ اینشتین، افق رویداد یک سیاهچاله، سطحی را نشان می دهد که هیچ چیز ورای آن نمی تواند از کشش سیاهچاله فرار کند. همه اهمیتش به خاطر این است که یک مرز فیزیکی است. در نسبیت، افق رویداد، غیر واقعی است. در واقع چیزی در آنجا نیست. اما مکانیک کوانتومی بیان می کند افق رویداد باید دیواری آتشین باشد. حلقه‌ای از ذرات پر انرژی که هر چیز که از آن می گذرد را خاکستر می کند.

هیچگاه راهی برای آزمودن این ایده وجود نداشت. اما طولی نکشید که پس از اولین آشکارسازی مرکز لایگو در سال 2015، دو تیم مستقل بیان کردند که دیوار آتشین، یا در واقع هر چیزی که ماده افق رویداد را می سازد، امواج گرانشی حاصل از برخورد سیاهچاله‌ها را منعکس می کند. “نیایش افشردی” از موسسه پریمتر در واترلو واقع در کانادا که یکی از آن دو گروه را هدایت می کند، می گوید:« تا زمانی که چیزی در آن جا هست، شما باید پژواک ها را به دست آورید. پرسش این است که چقدر بعد از ادغام دو سیاهچاله منتظر پژواک آنها باشیم؟»

ادغام سیاهچاله‌ها امواجی را در فضا-زمان ساطع می کند، البته اگر وجود داشته باشند!

در سال 2016 تیم افشردی مدل ساده‌ای مطرح کرد برای این منظور که افق رویداد چه چیزی می تواند باشد و اینکه نتیجۀ از هم گسیختگی پژواک‌ها چگونه خواهد بود. سپس آنها به داده‌های در دسترس و عمومی مرکز لایگو نگاهی انداختند. آنچه که با آن مواجه شدند تعجب برانگیز بود: برای سیگنال‌های هر سه موج گرانشی که بررسی کردند، پس از ادغام سیاهچاله‌ها در هم، پژواک‌هایی درست با فاصله‌های زمانی پیش‌بینی شده وجود داشت. [مترجم: پژواک‌های ادغام دو سیاهچاله که در نمودار زیر با دایره آبی رنگ مشخص شده، در هر سه سیگنال، در بازه‌های زمانی مشابه پدیدار شد. چیزی که بدون دیوارآتشین، امکان پدیدار شدنش بسیار کم بود].

آنها چه بودند؟ محاسبات افشردی  می گوید که بدون دیوارآتشین، شانس یافتن سیگنالی مشابه از صدایی تصادفی برابر با یک صدم است. برای متقاعد شدن همکارانش، این اثر خودش را در یک تصویر از سه میلیون تصویر نشان می دهد. اگر ادعای افشردی بررسی شود، اولین تناقض برای نظریه نسبیت اینشتین خواهد بود. این تناقض می تواند دو انتخاب به ما بدهد: «یکی اینکه نظریه اینشتین نیازمند بازنویسی است تا با دیوارآتشین سازگار باشد، یا ما باید مفهوم سیاهچاله‌ها را به طور کامل کنار بگذاریم. در این مورد، نظریه اینشتین می تواند کمابیش سالم بماند، تا زمانی که بعضی از مدعیان مقلد رفتار این جانوران کیهانی پدیدار شوند. پائولو پانی از دانشگاه ساپینزای رم می گوید که “گزینه دوم انقلاب بزرگی را به وجود خواهد آورد.»

طبیعتا همه از این مشاهدات قانع نمی شوند. هنگامی که امسال اعضای مرکز همکاری لایگو آنالیزهای خود را تکمیل کردند، شانس اینکه صدایی تصادفی که  بتواند سیگنال مشابهی را به وجود بیاورد دو برابر خواهد شد. این تیم همچنین شواهد محکمه پسندی را برای اهمیت اندک آماری پژواک‌هایی که از ادغام سیاه‌چاله می آید را یادآور شد. به بیان دیگر، بلندترین پژواک‌ها از ضعیف ترین سیگنال ها می آیند. این اتفاقی مشکوک است. “نیکولاس یونس” از دانشگاه ایالتی مونتانا می گوید: «تصور کنید کسی بر سر شما فریاد می کشد و شما پژواکی نمی شنوید، اما کمی بعد شما نجوایی می شنوید و بعد پژواک‌هایی دریافت می کنید. به نظر نمی رسد که کمی مرموز است؟»

در حال حاضر، بسیاری از کیهان‌شناسان باور دارند که ادعای افشردی نارس است. اما با افزایش اطلاعات و داده‌ها می تواند به سمتی تغییر کند که مدل بهتری از سیگنال‌های تولیدی توسط دیوار آتشین را ارائه دهد. چیزی که قطعی است این است که جستجو برای یافتن پژواک‌های سیاهچاله به خوبی ادامه دارد. مرکز همکاری لایگو این را یکی از اهداف مهم خود انتخاب کرده است. افشردی می گوید:«ما فعلا رقابتی داریم که در یک سو نیروی عظیمی وجود دارد، اما از سوی دیگر بسیار ترسناک است. اما بدیهی است که این مهم به عنوان یک تمرین ارزنده شناخته می شود.»

امواج گرانشی که در سال‌های آتی به دست خواهند آمد، قطعا این موضوع را حل خواهند کرد. لوییز لنر، کسی که درگیر این مطالعات نشد، از مرکز پریمتر می گوید:« اوه بسیار زیباست. زمانی که مرکز لایگو دوباره راه اندازی شود ما رویداد های خیلی بیشتری خواهیم داشت و بنابراین اگر این چیزها واقعی باشد سیگنال‌های قوی تری به دست خواهد آمد و اگر چنین نشد، ما باز هم به راه‌مان ادامه می دهیم. این چیز خوبی دربارۀ این سناریو است. این چیزی است که در چند سال آینده می تواند تایید شود یا کنار گذاشته شود.»

چه وقت یک سیاهچاله، سیاهچاله نیست؟

یکی از علائم مشخصه سیاه‌چاله‌ها این است که شما نمی توانید آنها را ببینید. چگالی آنها به قدری زیاد است که هیچ چیز حتی نور از کشش آنها نمی تواند بگریزد. اما اگر شما گاز، غبار یا ستاره‌هایی که به سمت اجرام سنگین گرانشی غیر قابل مشاهده، کشیده می شوند را ببینید،‏ می توانید شانس کشف یک سیاه‌چاله‌ها را داشته باشید. برخی از کیهان‌شناسان گمان می کنند که سیاهچاله‌ها ممکن است به طور کلی چیز دیگری باشند: موجوداتی فرضی و عجیب و غریب که با عنوان ستاره‌های بوزونی شناخته می شوند.

برخلاف بیشتر ماده‏‌‏‏ که از ذراتی به اسم فرمیون‌ها ساخته شده‌اند، این اجرام از بوزون‌ها ساخته شده اند، و این قابلیت را دارند که بسیار چگال‌تر باشند و با هماهنگی کاملی عمل کنند. در حالت نظری‏، اگر چه بعضی از بوزون‌هایی که تا کنون شناخته نشده‌اند، ویژگی هایی دارند که به واسطه ی آنها‏‏ این حباب‌ها می توانند به قدری سنگین شوند که فضا-زمان را بیشتر از آن چیزی که ما از یک سیاهچاله انتظار داریم، پیچ و تاب دهند. ‏‌فقط بدون اینکه در اثر فرو ریختن، با هم یکی شوند.

پائولو پانی از دانشگاه ساپینزای رم می گوید: «متاسفانه آنها هم ممکن است غیرقابل مشاهده باشند و ذرات تشکیل دهنده آنها حتی ممکن است در دستگاه‌های برخورد دهندۀ ذرات هم مشاهده نشوند. تنها راهی که می توان آنها را دید، برهمکنشی است که با گرانش می توانند داشته باشند‏ و امواج گرانشی‌ای که ایجاد می کنند. و از این طریق، انتظار داریم نوع این اجرام را به طور تقریبی مشخص کنیم.»

پانی در بین کسانی قرار دارد که تلاش می کنند بفهمند چه مشاهداتی می تواند تمایز میان ستاره‌های بوزونی و سیاه‌چاله‌ها را مشخص کند. حتی اگر ما این تفاوت‌ها را پیدا کنیم،‏‌ ستاره‌های بوزونی به سختی می توانند جای سیاه‌چاله‌ها را بگیرند. پانی می گوید: ستاره‌های بوزونی کمتر متراکم هستند‏ بنابراین بسیار دور از انتظار است که آن ها بتوانند دلیل تمام مشاهدات ما را پاسخ دهند.

بعضی ها ترجیح می دهند تا اهدافی کمتر نظری را انتخاب کنند. به جای اینکه پدیده ای عجیب و غریب به همراه نتایج هیجان‌انگیزی را برای نظریه اینشتین جستجو کنند، سعی می کنند تا معادلات پایه‌ای را پیچانده تا ببینند مشاهدات مرکز لایگو بر چه چیزی دلالت دارد. در برخی از موارد، این اصلاحات می تواند بعضی از معماهای کیهان شناختی را حل کند. در موارد دیگر، این تلاش ها ممکن است راه را برای یک نظریه گرانشی کوانتومی ماندگار، هموارتر کند.

از طرفی یونس می گوید: «گاهی اوقات با این اصلاحات در نظریه های گرانش، شما در حال ساختن بنایی بر روی پایه‌های محکمی هستید. شما نباید با استفاده از سیگنال‌هایی که اساس آنها ایده های مبهم است چیزی که دنبال می کنید را شکل دهید. به جای آن، شما عناصری تازه را به معادلات اینشتین اضافه کنید و آنها را حل کنید تا پیش‌بینی دقیقی از چیزی که انتظار دارید در این شرایط نهایی ببینید شکل دهید. سپس آن را با داده‌های موجود مقابل هم قرار داده و آن را محک بزنید.»

قلق کار، فهمیدن نقاط ضعف در نظریه‌های بنیادی است. نسبیت عام چند هسته اصلی دارد که با آنها می توان پیش‌بینی‌های معینی انجام داد: مثلا امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می کنند، آنها ترجیحاً به صورت مارپیچ پادساعتگرد در جهت حرکت خود به پیش می روند. یونس می گوید:«شما یکی از این قوانین را نقض می کنید و بعد می گویید نتایج آن چه خواهد شد.» مرکز آشکارسازی لایگو تاکنون چند نظریه گرانشی اصلاح شده برای توضیح ماده تاریک و انرژی تاریک، شامل چند نظریه که پیش‌بینی می کردند امواج فضا-زمان با سرعتی کمتر از سرعت نور حرکت می کنند را از اعتبار انداخته است. اما نظریه‌های زیادی وجود دارد.

یونس به نوبه ی خود، در نظریه‌ای سهیم است که میدانی اضافی را در کیهان سرهم می کند. نظریه‌ای که به گرانش ملحق شده و از این طریق توضیح می دهد که چرا ماده در اولین لحظات شکل‌گیری جهان، توسط پاد ماده نابود نشد و در نتیجه چرا جهان به تنهایی با تابش پر نشد. چنین اصلاحاتی بیان می کند که امواج گرانشی خیلی بیشتر شبیه به مارپیچ ساعتگرد حرکت خواهند کرد، تا اینکه حرکتی به صورت مارپیچ پادساعتگرد داشته باشد. این ممکن است به این معنا باشد که سیاهچاله‌ها با سرعتی بسیار بیشتر از پیش‌بینی‌های نسبیتی به صورت مارپیچی به درون هم می روند.

امائوئل برتی از دانشگاه می سی سی پی در میان کسانی قرار دارد که به دنبال نظریه‌ای جایگزین برای گرانش است. او می گوید: «همآ ما علائق خودمان را داریم، اما نکته اینجاست که این نظریه‌ها به صورت ریاضیاتی مهار شدنی و سازگار هستند.» به بیان دیگر اگر این نظریه‌های درست باشند، ما خواهیم دانست سیاهچاله‌ها چگونه رفتار خواهند کرد، بنابراین می توانیم به درستی پیش بینی کنیم که امواج گرانشی تولید شده توسط سیاهچاله‌ها باید چگونه به نظر برسند.

با این ملاحظات، پژواک‌های دیوار آتشین به ما خواهند رسید. اما با داده‌های کیفیت بالایی که مرکز لایگو قول آن را در آینده‌ای نزدیک داده است، حتی کسانی که متقاعد نشده‌اند از اینکه آنها را مستقیم بررسی می کنیم، خوشحال خواهند شد. لنر می گوید:« مرکز لایگو با دلایل خوبی بسیار ملاحظه کار و دقیق است. اما اکنون ما می دانیم که لایگو می تواند امواج گرانشی را آشکارسازی کند، و احتمالات گوناگون، جسارت راهبردهای خطرپذیرتری را به پژوهشگران می دهد. این تازه شروع این داستانی است که بسیار حیرت‌آور خواهد شد.»

ترجمه: سیدامین مهناپور – حسن پیمانی/ سایت علمی بیگ بنگ

نوشته: دانیل کاسینز/ مجله: نیوساینتیست – 23 ژوئن 2018