ما هي موجات الجاذبية؟

رجل يرتدي معطفًا وقناعًا أبيض ، يعمل في آلة ضخمة بإطار معدني وأنابيب زجاجية.

قام الباحثون في مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) بأول اكتشاف على الإطلاق لموجات الجاذبية في 14 سبتمبر 2015. هنا ، يعمل أحد الفنيين على بعض البصريات لكاشف LIGO. الصورة عبر LIGO.

موجات الجاذبية هي تموجات في هيكلوقت فراغ. بقدر ما تترك سفينة تسافر عبر سطح بحر هادئ وراءها أثرًا خلفها ، لذا فإن الأجسام المتحركة في الكون تخلق موجات ثقالية. تعتبر 'السفن' في حالة موجات الجاذبية عنيفة للغاية وأحداث كارثية بعيدة في الكون: اندماجات الثقوب السوداء ، وتصادم النجوم النيوترونية ، والمستعرات الأعظمية. تولد كل هذه الموجات في بنية الزمكان ، وتمددها وتضغط عليها بينما تنتقل التموجات عبر الكون.

نظرًا لأن موجات الجاذبية ضعيفة للغاية كما لوحظ من وجهة نظرنا الأرضية ، فإن تقنية اكتشافها أصبحت متاحة فقط في السنوات الأخيرة. مثل كل الموجات ، تتضاءل موجات الجاذبية في الحجم مع المسافة ، وتتقلص إلى أصداء خافتة لتلك 'حطام السفن' البعيدة - تلك الأحداث العنيفة البعيدة في الكون - بحلول الوقت الذي تصل إلينا فيه. من موقعنا كثيرسنوات ضوئيةمن اندماج ثقب أسود أو اصطدام نجم نيوتروني ، تضغط الأمواج وتمدد الفضاء ، وكل شيء فيه ، بمقدار ألف من قطربروتونأثناء مرورهم عبر الأرض. هذا جزء من المليار من المليار من المتر. نحن بحاجة إلى تقنية متقدمة للغاية بالفعل لرؤية هذا التغيير. إنه أشبه برؤية المسافة بين الشمس وأقرب جار لها بين النجوم -ألفا قنطورس، بعد 4.3 سنة ضوئية - تغيير بواسطةسماكة شعرة الإنسان.

كانالبرت اينشتاينمن في بلدهنظرية النسبية العامةعام 1915 ، افترض لأول مرة وجود موجات الجاذبية. بدا اقتراحه بأن الجاذبية تنتقل في موجات منطقية: كل نوع من الضوء علىالمجال الكهرومغناطيسي، من الأشعة فوق البنفسجية إلى المرئية للراديو ، يسافر في موجات. ينتقل الصوت في موجات. لماذا لا تنتشر الجاذبية بنفس الطريقة؟ حسب أينشتاين أن الأحداث الشديدة الخطورة في الكون ستسبب الفضاءرنين مثل الجرس. كان هذا مختلفًا عن فكرة مجالات الجاذبية الثابتة وغير المتغيرة التي يتم إنشاؤها بواسطة أي جسم له كتلة ، مثل نجم أو كوكب.

ومع ذلك ، لعقود بعد عام 1915 ، كان أينشتاين نفسهغير مقتنعمن وجود موجات الجاذبية. في عام 1936 ، نشر هو وزميله ناثان روزين aورقمستحقهل موجات الجاذبية موجودة؟والتي ، في البداية ، تم رفضها من قبل إحدى المجلات بسبب خطأ رياضي.

كان الخطأ هو الذي جعل المؤلفين يستنتجون أن موجات الجاذبية غير موجودة. عندما صحح أينشتاين الخطأ ، أصبح استنتاج الورقة عكس ذلك تمامًا! على الرغم من أن الأدلة تشير الآن إلى وجودها ، إلا أن أينشتاين ظل غير مقتنع ، واعتقد أنه حتى لو كانت موجات الجاذبية موجودة ، فإنها ستكون ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن للبشر أبدًا تطوير التكنولوجيا للكشف عنها.



شاب ذو شعر داكن يرتدي بدلة بشارب وشارب.

ألبرت أينشتاين في عام 1912. تعتبر نظريته العامة عن العلاقة أساسية في علم الكونيات الحديث. كان ألبرت أينشتاين هو أول من افترض ، في نظريته العامة للنسبية لعام 1915 ، وجود موجات الجاذبية.

تجدر الإشارة إلى أن أينشتاين لم يكن المنظر الوحيد الذي عمل على موجات الجاذبية. تم تقديم مساهمات مهمة من قبل علماء مشهورين آخرين ، من بينهمروبرت أوبنهايمروروجر بنروزوكارل شوارزشيلدوآرثر إدينجتونوكيب ثورنوريتشارد فاينمان. لكن فاينمان هو الذي أقنع المتشككين أخيرًا في يناير 1957 أنه لا توجد موجات الجاذبية فحسب ، بل يمكنها أيضًا حمل الطاقة ، موضحًا ذلك باستخدام شيء أسماهحجة الخرزة اللاصقة.

مهد عمل فاينمان الطريق مباشرة لكاشفات موجات الجاذبية اليوم.

ومع ذلك ، فقد مرت 50 عامًا أخرى قبل اكتشاف أول موجات الجاذبية. استغرق تطوير المفاهيم والتكنولوجيا للقيام بذلك عقودًا من العمل الشاق من قبل العديد من العلماء. أخيرا،ليغو، مرصد موجات الجاذبية بالليزر المتداخل الموجود فيموقعينفي الولايات المتحدة ، بدأت المراقبة في عام 2002. واستغرق الأمر عدة ترقيات لـ LIGO ، بين عامي 2002 و 2015 ، لمنحه الحساسية لإجراء أول اكتشاف تاريخي له.

الاكتشاف الأول لثقبين أسودين يندمجان على بعد حوالي 1.3 مليار سنة ضوئية ، جاء في سبتمبر 2015 وكان كذلكأعلن للعالمفي شباط (فبراير) 2016 بعد شهور من العمل للتحقق من أن الإشارة ، التي استغرقت عُشر ثانية فقط في اتفاق تام مع تنبؤات أينشتاين ، كانت حقيقية. بشكل لا يصدق ، لم يكن LIGO قد بدأ بعد تشغيل المراقبة الرسمية عندما جاء الاكتشاف: بعد أحدث تحديث في سلسلة من الترقيات لتحسين نطاقه وحساسيته ، تم تشغيل LIGO للاختبارات الهندسية. تم اكتشاف اندماج الثقب الأسود على الفور تقريبًا كان الكاشف يعمل.

كان التنبؤ الرئيسي الآخر لأينشتاين هو أن موجات الجاذبية ستنتقل بسرعة الضوء. من خلال قياس الفرق في الوقت بين وقت وصول إشارة موجة الجاذبية إلى مرصدي ليجو - في هانفورد ، وواشنطن ، وليفينجستون ، لويزيانا ، مفصولة بما يقرب من 2000 ميل (3000 كيلومتر) - تمكن العلماء من تحديد أن تنبؤ أينشتاين كان صحيحًا تمامًا. . تنتشر موجات الجاذبية بالفعل بسرعة الضوء.

انضم الأوروبيون إلى LIGO في 2018كاشف برج العذراءفي إيطاليا ، مما أدى إلى تحسن كبير في قدرة العلماء على تحديد الموقع في السماء حيث نشأت موجات الجاذبية. منذ ذلك الحين ، ليجو / برج العذراءاكتشفتحوالي 50 عملية اندماج ثقب أسود ، ولكن أيضًا ثمانية اصطدامات نجمية نيوترونية وستة تصادمات بين نجم نيوتروني وثقب أسود. قد ينتهي الأمر ببعض هذه الأسباب إلى ما يسمى بـ 'التداخل الأرضي': الاهتزازات الناتجة عن المرور العابر وحتى موجات المحيط البعيدة يمكن أن تسبب نتائج إيجابية خاطئة.

في 14 يناير 2020 ، اكتشف LIGO أيضًاحدث من أصل غير معروف تماما، والتي لا تتناسب مع أي نماذج أو تنبؤات ، ربما ، بشكل مثير ، تشير إلى وجود ظاهرة كونية غير معروفة حتى الآن.

قريبا جدا اليابانيةكاجراسينضم المرصد إلى Virgo و LIGO في اكتشاف موجات الجاذبية. في ثلاثينيات القرن الحالي ، ستنطلق وكالة الفضاء الأوروبيةليزا، وهو كاشف للموجات الثقالية في الفضاء ، والذي ينبغي أن يتيح الكشف عن موجات الجاذبية منخفضة التردد المنبعثة من الثقوب السوداء الهائلة ومن انفجارات المستعرات الأعظمية. الصين لديهابدأ العملعند بناء ثلاثة مراصد للموجات الثقالية ، كانت نيتها المعلنة أن تصبح الشركة الرائدة عالميًا في اكتشاف موجات الجاذبية الأرضية والفضائية.

تم الكشف عن كل أحداث الموجات الثقالية حتى الآنتوافق تمامامع تنبؤات أينشتاين ومع عمليات المحاكاة الحاسوبية المستمدة من حساباته. من المؤكد أن أينشتاين كان سيدهش أنه كان مخطئًا ، وأن الذكاء والإبداع البشري قد انتصر بالفعل وخلق التكنولوجيا التي كان يعتقد أنها مستحيلة. ربما كان سيأسف أيضًا على الشك في عمله في التنبؤ بوجود موجات الجاذبية. لكنه أيضًا ، بالتأكيد ، كان سعيدًا لأن اكتشاف موجات الجاذبية هو أيضًا تأكيد لنظريته النسبية. هناك الآن عدد قليل من الأماكن المتبقية للترشح لمن يشككون في انتصار أينشتاين الأعظم.

علم فلك الموجات الثقالية هو أعلم جديد تمامًاوالذي يعد بكشف العديد من ألغاز الكون. ليس من المبالغة أن نقول إن ثورة في نظرتنا للكون جارية. في المستقبل ، قد يكون من الممكن حتى اكتشاف موجات الجاذبيةمن الانفجار العظيم نفسه، لسماع صوت الخلق يرن عبر بلايين السنين.

إذا كنت ترغب في مواكبة آخر أحداث موجات الجاذبية ، فقد أنشأت جامعة برمنجهام في المملكة المتحدةهذه الصفحة،وهي قاعدة بيانات لاكتشافات LIGO و Virgo أثناء تشغيل المراقبة الحالي. قاعدة البيانات متاحة أيضًا كتطبيق مجاني لهواتف Android / Apple ، ويمكن تنزيلها من متاجرها المعنية.

فقاعة مزدوجة لامعة بأجنحة من موجات الجاذبية بلون خاطئ ، كل منها أكثر كثافة في المركز.

محاكاة حاسوبية لثقبين أسودين مندمجين ينتجان موجات ثقالية. الصورة عبر Werner Benger /ويكيميديا ​​كومنز.

خلاصة القول: افترض ألبرت أينشتاين لأول مرة في عام 1916 ولكن لم يتم ملاحظته بشكل مباشر حتى سبتمبر 2015 ، فإن موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان.

اقرأ المزيد وشاهد فيديو توضيحي: ما هي موجات الجاذبية؟