آیا این تداخل‌سنج آلمانی-بریتانیایی می‌تواند در هجده ماه آینده نشانه‌ای از امواج گرانشی بدست آورد؟
آشکارساز مشترک آلمانی- بریتانیایی امواج گرانشی، GEO600، دوره جدید فعالیت خود را با جستجوی هجده ماهه امواج گرانشی آغاز کرده است و پژوهشگران امیدوارند این‌بار، بزرگ‌ترین پیش‌بینی نظریه نسبیت عام را تایید کنند. آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی سال‌ها است به یکی از مشکل‌ترین مسایل فیزیک جدید تبدیل شده است و دانشمندان امیدوارند با دست‌یابی به فناوری مشاهده این امواج، توانایی مشاهده بخش اعظم جهان را بدست آورند. 96درصد جهان از موادی مرموز تشکیل شده است که تنها با گرانش برهمکنش می‌کنند.
شرح عکس: مجموعه‌ای از قطعات اپتیکی دقیق به‌کار رفته در آشکارساز ژئوششصد.
آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام، چهره جدید از گرانش را معرفی کرد؛ این‌که گرانش آن‌طور که نیوتون می‌گفت یک نیرو نیست، بلکه نتیجه هندسه فضازمان است. نسبیت عام، جهان را به‌جای هندسه مسطحه با هندسه غیراقلیدسی توضیح می‌دهد و این هندسه را تحت تاثیر توزیع ماده و انرژی در جهان تحلیل می‌کند. در نسبیت عام، این ماده است که انحنای فضازمان را تعیین می‌کند و انحنای فضازمان هم به نوبه خود، حرکت ماده را هدایت می‌کند. بنابراین مسیر حرکت یک جسم تحت تاثیر پیچ‌وتاب‌ها و ارتعاش‌های فضازمان است که ناشی از تاثیر جرم‌های دیگر است و این همان پدیده جاذبه گرانشی است که نیوتون آن را نیروی گرانشی نامید. اجرام متحرک، این ارتعاش‌های فضایی را افزایش می‌دهند و آنها را در تمام جهات پخش می‌کنند. این ارتعاش‌ها هم به‌شکل امواج گرانشی با سرعت نور در فضازمان حرکت می‌کنند و فضازمان را تغییر می‌دهند.
هرچه اجرام متحرک، جرم و سرعت بیشتری داشته باشند، شدت امواج گرانشی هم بیشتر می‌شود. بهترین منبع‌های تولید امواج گرانشی، گردش اجرام بسیار سنگین با سرعت بسیار زیاد به دور یکدیگر است، مانند یک منظومه دوتایی از ستارگان نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها. انفجارهای ابرنواختری هم امواج قدرتمندی را تولید می‌کنند، اما تمام این منبع‌ها یک ضعف بزرگ دارند: هرچه فاصله‌شان از ما دورتر شود، امواج گرانشی به‌شدت ضعیف می‌شوند.
کارستن دانزمن، رییس مرکز بین‌المللی فیزیک گرانشی که اداره‌کننده ژئوششصد است، می‌گوید:« اگر در چندماه آینده ابرنواختری در همسایگی ما منفجر شود، شانس آشکارسازی و اندازه‌گیری امواج گرانشی آن بسیار بالا است. ما اولین گام را برای دست‌یابی به نجوم امواج گرانشی برداشته‌ایم و امیدواریم بتوانیم در آینده نزدیک، 96درصد از عالم را که در پرتوهای الکترومغناطیسی نامریی است، ببینیم».
بخش‌های وسیعی از جهان را ابرهای تاریک پوشانده‌اند و نمی‌توان آن مناطق را با پرتوهای الکترومغناطیسی و روش‌های معمولی اخترشناسی بررسی کرد. اما امواج گرانشی به راحتی از این ابرها عبور می‌کنند و به ما می‌رسند. از سوی دیگر، 96درصد جهان از ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل شده است که ماهیت نامشخصی دارند، اما با گرانش برهمکنش می‌دهند. نجوم امواج گرانشی می‌تواند توزیع دقیق ستارگان نوترونی و سیاه‌چاله‌ها را در جهان نشان دهد و اطلاعات دقیقی از ابرنواخترها و سیاه‌چاله‌های برخوردی فراهم کند. کیهان‌شناسان حتی معتقدند امواج گرانشی تولیدشده در مهبانگ هنوز در حال عبور از جهان است و می‌توان آنها را آشکار کرد. هم‌چنین بررسی امواج گرانشی تولیدشده در منظومه‌های ستارگان دوتایی می‌تواند آهنگ انبساط عالم را با دقت بسیار زیادی مشخص کند و تمام این‌ها در درک چگونگی خلق، ترکیب، تحول و سرنوشت عالم مفید خواهد بود.
بهترین منبع تولید امواج گرانشی، ابرنواختری است که در کهکشان خودمان، راه‌شیری، منفجر شود؛ اما این امواج فاصله زمین تا خورشید را تنها به اندازه قطر یک اتم تغییر می‌دهند که آن‌هم بیش از چندهزارم ثانیه دوام نمی‌آورد. اگر بخواهیم امواج گرانشی رسیده از کهکشان‌های همسایه را هم آشکار کنیم، حساسیت ابزارهایمان باید هزار برابر بیشتر باشد. بدین ترتیب حساسیت نسبی یک آشکارساز امواج گرانشی حدود 1021 است. دانزمن در مورد حساسیت ژئوششصد می‌گوید:« در اوایل کار، ما فقط می‌توانستیم بخش کوچکی از کهکشان خودمان را تحت پوشش داشته باشیم. اما امروز، حساسیت ابزارهایمان سه‌هزار بار بیشتر شده است و می‌توانیم رویدادهایی را که چندین بار دورتر از فاصله همسایگان کهکشانیمان است نیز تشخیص دهیم».
حساسیت بالای یک آشکارساز امواج گرانشی را تنها می‌توان با یک تداخل‌سنج لیزری بدست آورد. تداخل‌سنج، از دو بازوی هم‌اندازه و عمود بر هم تشکیل شده است که دو پرتو نور با اختلاف فاز 180 درجه در آن حرکت می‌کنند. در انتهای مسیر، آینه‌ای قرار دارد که پرتوهای نور از آن بازتاب می‌شوند و پس از عبور از یک مجموعه اپتیکی، به یک آشکارساز هدایت می‌شوند. اگر طول مسیر پرتوهای نور در دو بازوی تداخل‌سنج برابر باشد، پرتوهای رسیده به آشکارساز همان اختلاف فاز اولیه را خواهند داشت و یکدیگر را خنثی خواهند کرد؛ اما اگر دو مسیر اختلاف داشته باشند، پرتوها یکدیگر را خنثی نخواهند کرد و درخشی از نور در آشکارساز ثبت می‌شود. این ابزار را نخستین بار آلبرت مایکلسون برای آزمایش نظریه اتر استفاده کرد و نشان داد چیزی به نام اتر وجود ندارد.
امروزه پیشرفته‌ترین تداخل‌سنج مایکلسون در آزمایشگاه ژئوششصد ساخته شده است. بازوهای این تداخل‌سنج در دو تونل زیرزمینی به طول ششصد متر قرار گرفته است. پایدارترین پرتوهای لیزر زمین به لوله‌ای خلأ (با فشار کم‌تر از یک میکرو پاسکال یا 11-10 برابر فشار جو) و فاقد هرگونه جذب نوری تابیده می‌شوند و یک مجموعه بسیار پیشرفته ضدارتعاش، از انتقال هر نوع ارتعاش خارجی به مجموعه تداخل‌سنج جلوگیری می‌کند. اگر امواج گرانشی به این تداخل‌سنج برسد، طول دو بازو تغییر می‌کند، فاز مخرب پرتوهای لیزر جابجا می‌شود و درخشی از نور در آشکارساز ثبت می‌شود. دانشمندان سال‌ها است درخش‌های ناشی از منبع‌های مختلف امواج گرانشی را شبیه‌سازی کرده‌اند تا با مقایسه آنها با درخش ثبت‌شده، بتوانند نوع و محل منبع را مشخص کنند.
اما کار به همین سادگی نیست. اختلال‌های بسیاری وجود دارد که احتمال آشکارسازی اشتباه امواج گرانشی را بالا می‌برد. نویزهای کوانتومی نور که به ماهیت موج‌ذره‌ای نور برمی‌گردد، نویز گرمایی ناشی از حرکت‌های براونی مولکول‌های آینه‌ها و زمین‌لرزه‌های شدیدتر از 6 درجه ریشتر در هر جای زمین می‌توانند اختلال‌هایی را در تداخل‌سنج ایجاد کنند و پیام اشتباهی را مخابره کنند. از سوی دیگر، برای تعیین دقیق محل منبع موج گرانشی به حداقل چهار آشکارساز نیاز است که همزمان این پدیده را رصد کنند. به همین دلیل ژئوششصد و دیگر آشکارسازهای امواج گرانشی باهم قرار گذاشته‌اند تا داده‌های بدست آمده را با یکدیگر مبادله کنند. دیگر آشکارسازهای امواج گرانشی عبارتند از دوقلوهای لایگو در ایالات متحده (با بازوهای 4 کیلومتری)، ویرگو در ایتالیا ( راه‌اندازی در پاییز امسال) و تاما در ژاپن (با بازوی سیصدمتری).
ژئوششصد از سوی ایالت فدرال ساکسون جنوبی، بنیاد فولکس‌واگن، موسسات ماکس‌پلانک، وزارت فدرال آموزش و تحقیقات آلمان و انجمن تحقیقات اخترشناسی و فیزیک ذرات انگلستان تاسیس شده است و موسسه فیزیک گرانشی ماکس پلانک همراه با دانشگاه‌های هانوفر، گلاسکو و کاردیف مسوولیت علمی آن را برعهده دارند.
منبع : روابط عمومی انجمن تحقیقات اخترشناسی و فیزیک ذرات، انگلستان
نويسنده : ذوالفقار دانشی