منظر جوي للكشف عن موجة الجاذبية العذراء في بلدية كاسينا بالقرب من مدينة بيزا في إيطاليا. Virgo هو مقياس تداخل ليزر ميشلسون عملاق بطول 3 كم مع أكتاف تكمل جهازين متطابقين للكشف عن LIGO بطول 4 كيلومترات.على مدى السنوات الثلاث الماضية ، لدى الجنس البشري نوع جديد من علم الفلك ، يختلف عن الأنواع التقليدية. لدراسة الكون ، لم نعد نلتقط الضوء فقط باستخدام التلسكوب أو النيوترينو باستخدام أجهزة الكشف الضخمة. بالإضافة إلى ذلك ، ولأول مرة ، يمكننا أيضًا أن نرى تموجات متأصلة في الفضاء نفسه: أمواج الجاذبية.
إن كاشفات LIGO تستكملها الآن شركة
Virgo ، وستتم
إضافتها قريبًا بواسطة
KAGRA و
LIGO India ، ولديها أذرع طويلة للغاية تتوسع
وتتقلص مع مرور موجات الجاذبية ، مما ينتج عنه إشارة يمكن اكتشافها. ولكن كيف يعمل؟ يسأل القارئ لدينا:
إذا امتدت الأطوال الموجية للضوء وانضمت إلى جانب الزمكان نفسه ، كيف يمكن لـ LIGO اكتشاف موجات الجاذبية؟ بعد كل شيء ، يقومون بتوسيع وضغط ذراعي الكاشف ، لذلك يجب أن تتسع الأمواج الموجودة داخلها وتقلص. هل عدد الأطوال الموجية التي تتناسب مع الكتف لن يظل ثابتًا ، ونتيجة لذلك لن يتغير نمط التداخل ، ولن تكون الموجات قابلة للاكتشاف؟
هذه هي واحدة من المفارقات الأكثر شيوعا التي يفكر الناس حول موجات الجاذبية. دعونا معرفة ذلك وإيجاد حل لذلك!
في الواقع ، فإن نظامًا مثل LIGO أو LISA هو مجرد ليزر يمر شعاعه عبر الفاصل ويتبع نفس المسارات العمودية ، ثم يتحول مرة أخرى إلى واحد ويخلق صورة للتداخل. مع تغيير في طول الكتف ، تتغير الصورة أيضًا.كاشف موجة الجاذبية يعمل مثل هذا:
- يتم إنشاء اثنين من الكتفين طويلة من نفس الطول ، والتي فيها عدد صحيح من بعض الأطوال الموجية من الضوء مناسبا.
- تتم إزالة جميع المواد من الكتفين ويتم إنشاء فراغ مثالي.
- يتم تقسيم الضوء المتماسك لنفس الطول الموجي إلى عنصرين عموديين.
- واحد يذهب على كتف واحد ، والآخر على الآخر.
- ينعكس الضوء من طرفي كل كتف عدة آلاف من المرات.
- ثم يعيد تجميعه ، مما يخلق نمطًا للتداخل.
إذا بقي الطول الموجي على حاله ولم تتغير سرعة نقل الضوء على كل كتف ، فإن الضوء المتحرك في الاتجاهات العمودية سيصل في نفس الوقت. ولكن في حالة وجود اتجاه معاكس أو ريح خلفية في أحد الاتجاهات ، سيتم تأخير الوصول.إذا لم تتغير صورة التداخل على الإطلاق في غياب موجات الجاذبية ، فأنت تعلم أن الكاشف قد تم تكوينه بشكل صحيح. أنت تعلم أنك أخذت الضوضاء في الاعتبار ، وأن التجربة مرتبة بشكل صحيح. على مدار 40 عامًا تقريبًا ، كانت LIGO تكافح من أجل هذه المهمة: محاولة معايرة كاشفها بشكل صحيح وإضفاء الحساسية على النقطة التي يمكن للتجربة من خلالها التعرف على الإشارات الحقيقية لموجات الجاذبية.
حجم هذه الإشارات صغير بشكل لا يصدق ، وبالتالي كان من الصعب للغاية تحقيق الدقة اللازمة.
حساسية LIGO كدالة للوقت مقارنة بحساسية تجربة LIGO المتقدمة. تظهر الانفجارات بسبب مصادر الضوضاء المختلفة.ولكن بعد تحقيق ما تريد ، يمكنك بالفعل البدء في البحث عن إشارة حقيقية. تعتبر موجات الجاذبية فريدة بين جميع أنواع الإشعاع المختلفة التي تظهر في الكون. أنها لا تتفاعل مع الجسيمات ، لكنها تموجات نسيج الفضاء نفسه.
هذا ليس احتكار (نقل الشحنة) وليس ثنائي القطب (مثل التذبذبات من المجالات الكهرومغناطيسية) الإشعاع ، ولكن شكل إشعاع الرباعي.
وبدلاً من تشغيل الحقول الكهربائية والمغناطيسية ذات الطور العمودي باتجاه اتجاه الموجة ، تقوم الموجات التثاقلية بتمديد وضغط المساحة التي تمر عبرها في اتجاهات عمودية.
تنتشر الموجات التثاقلية في اتجاه واحد ، وتمتد وضغط المسافة بالتناوب في اتجاهين عموديين ، يحددهما استقطاب موجة الجاذبية.لذلك ، تم تصميم كاشفاتنا بهذه الطريقة. عندما تمر موجة الجاذبية من خلال كاشف نوع LIGO ، فإن أحد كتفيها ينقبض والآخر يتوسع ، والعكس صحيح ، مما يعطي صورة للتذبذب المتبادل. توجد الكواشف بشكل خاص عند زوايا بعضها البعض وفي أماكن مختلفة على هذا الكوكب ، وبغض النظر عن اتجاه الموجة الجاذبية التي تمر بها ، فإن هذه الإشارة لا تؤثر على واحد على الأقل من أجهزة الكشف.
بمعنى آخر ، بغض النظر عن اتجاه الموجة الجاذبية ، سيكون هناك دائمًا كاشف تقصر فيه كتف واحد ويتم تمديد الآخر بطريقة متذبذبة يمكن التنبؤ بها عندما تمر الموجة عبر الكاشف.
ماذا يعني هذا في حالة الضوء؟ يتحرك الضوء دائمًا بسرعة ثابتة تبلغ 299 792 458 م / ث. هذه هي سرعة الضوء في الفراغ ، وهناك غرف فراغ داخل أكتاف LIGO. وعندما تمر موجة الجاذبية عبر كل من الكتفين ، أو تطولها أو تقصرها ، فإنها تطول أو تقصر الطول الموجي للضوء داخلها بكمية مناسبة.
للوهلة الأولى ، لدينا مشكلة: إذا كان الضوء يطول أو يقصر جنبًا إلى جنب مع إطالة أو تقصير الكتفين ، فلا ينبغي أن يتغير نمط التداخل العام مع مرور الموجة. هذا هو ما يخبرنا الحدس.
خمسة عمليات اندماج بالثقب الأسود مع ثقوب سوداء اكتشفها LIGO (و العذراء) ، وإشارة سادسة أخرى ذات أهمية غير كافية. حتى الآن ، فإن أكثر الكتل الهيدروجينية التي لوحظت في LIGO بها 36 كتلة شمسية قبل الاندماج. ومع ذلك ، تحتوي المجرات على ثقوب سوداء هائلة ، حيث تتجاوز الكتل الشمسية ملايين أو حتى بلايين المرات ، ورغم أن LIGO لا تتعرف عليها ، إلا أن LISA يمكنها القيام بذلك. إذا كان تردد الموجة يطابق الوقت الذي يقضيه الشعاع في الكاشف ، فيمكننا أن نأمل في استخراجه.ولكن هذا لا يعمل من هذا القبيل. الطول الموجي ، الذي يعتمد إلى حد كبير على التغيرات في الفضاء عندما تمر موجة الجاذبية من خلالها ، لا يؤثر على صورة التداخل. فقط مقدار الوقت الذي يستغرقه الضوء لتمرير الكتفين هو المهم!
عندما تمر موجة الجاذبية عبر أحد الكتفين ، فإنها تغير الطول الفعلي للكتف ، وتغير المسافة التي يحتاج إليها كل من الأشعة. يطول كتف واحد ، مما يؤدي إلى زيادة وقت المرور ، ويتم تقصير الآخر ، مما يقلل من حجمه. مع تغيير نسبي في وقت الوصول ، نرى نمط التذبذب ، مما يعيد تحولات نمط التداخل.
يوضح الشكل إعادة بناء أربع إشارات محددة وإشارة واحدة (LVT151012) لموجات الجاذبية التي اكتشفتها LIGO و Virgo في 17 أكتوبر 2017. تم إجراء أحدث اكتشاف للثقب الأسود ، GW170814 ، على جميع أجهزة الكشف الثلاثة. انتبه إلى إيجاز الدمج - من مئات الميلي ثانية إلى 2 ثانية كحد أقصى.بعد لم شمل الأشعة ، يظهر اختلاف في وقت سفرهم ، وبالتالي حدوث تحول يمكن اكتشافه في نمط التداخل. نشر تعاون LIGO نفسه تشبيهًا مثيرًا لما يحدث:
تخيل أنك تريد أن تقارن مع صديق ما المدة التي ستستغرقها للوصول إلى نهاية ذراع التداخل والعكس. أنت توافق على السفر بسرعة كيلومتر واحد في الساعة. مثل أشعة الليزر LIGO ، أنت تغادر محطة الركن في نفس الوقت وتتحرك بنفس السرعة. يجب أن تجتمع مرة أخرى بشكل صارم في نفس الوقت ، والمصافحة ومواصلة التحرك. ولكن دعنا نقول عندما تسير في منتصف الطريق حتى النهاية ، تمر موجة الجاذبية. يحتاج أحدكم الآن إلى المشي مسافة أكبر ، والآخر أقل. هذا يعني أن أحدكم سيعود قبل الآخر. تتواصل لمصافحة يد صديقك ، لكنها ليست هناك! تمت مقاطعة المصافحة الخاصة بك! نظرًا لأنك تعرف سرعة حركتك ، يمكنك قياس الوقت الذي سيستغرقه عودة صديقك ، وتحديد المدة التي كان عليه فيها التحرك حتى يتأخر.
عندما تفعل ذلك بالضوء ، وليس مع صديق ، فلن تقيس التأخير في الوصول (حيث سيكون الفرق بين 10 و
19 متراً) ، ولكنك ستغير في نمط التداخل الملاحظ.
عندما يكون كتفان من نفس الحجم ، ولا تمر موجات الجاذبية من خلالهما ، ستكون الإشارة صفرية ، ويكون نمط التداخل ثابتًا. مع حدوث تغيير في طول الأذرع ، تتحول الإشارة إلى أنها حقيقية وتتأرجح ، ويتغير نمط التداخل بمرور الوقت بطريقة يمكن التنبؤ بها.نعم ، في الواقع ، يمر الضوء بنوبة حمراء وزرقاء عندما تمر موجة الجاذبية من مكانها. مع ضغط الفضاء ، يتم ضغط طول موجة الضوء أيضًا ، مما يجعله أزرقًا. مع التمدد وتمتد الموجة ، مما يجعلها أكثر احمرارا. ومع ذلك ، فإن هذه التغييرات قصيرة الأجل وغير مهمة ، على الأقل مقارنة بالفرق في طول المسار الذي يجب أن يمر فيه الضوء.
هذا هو مفتاح كل شيء: الضوء الأحمر مع موجة طويلة والضوء الأزرق مع واحد قصير يقضي الوقت نفسه للتغلب على نفس المسافة ، على الرغم من أن موجة زرقاء سوف يستغرق المزيد من قمم الانخفاضات. سرعة الضوء في الفراغ لا تعتمد على طول الموجة. الشيء الوحيد المهم بالنسبة لنمط التداخل هو المسافة التي يجب أن يتحرك بها الضوء.
كلما طال طول موجة الفوتون ، قلت طاقته. لكن جميع الفوتونات ، بغض النظر عن طول الموجة والطاقة ، تتحرك بنفس السرعة: سرعة الضوء. قد يختلف عدد الأطوال الموجية المطلوبة لتغطية مسافة معينة ، لكن الوقت الذي يستغرقه تحريك الضوء سيكون هو نفسه.إن التغير في المسافة التي يمر بها الضوء عندما تمر موجة الجاذبية عبر الكاشف هو الذي يحدد التحول الملحوظ في نمط التداخل. عندما تمر الموجة من خلال الكاشف ، يكون الكتف ممتدًا في اتجاه واحد ، وفي الاتجاه الآخر يتم تقصيره في وقت واحد ، مما يؤدي إلى تحول نسبي في طول المسارات ووقت مرور الضوء عبرها.
مع مرور الضوء من خلالهم بسرعة الضوء ، فإن التغييرات في أطوال الموجات ليست ذات صلة ؛ عندما يجتمعون ، سيكونون في مكان واحد في الزمكان وستكون أطوال موجتهم متطابقة. المهم هو أن شعاع واحد من الضوء سيقضي وقتًا أطول في المكشاف ، وعندما يجتمعان مرة أخرى ، لن يكونا في المرحلة. هذا هو المكان الذي تأتي منه إشارة LIGO ، وهكذا نكتشف موجات الجاذبية!
يمكنك العثور على المزيد من المقالات حول موضوع العلوم الشائعة على موقع Golovanov.net . انظر أيضًا: لماذا بدأت حيوانات النهار تتحول إلى ليلية ؛ لماذا لا يكون كل شيء يسمى بالنجمة هو في الواقع نجم ؛ ما معنى الحياة ؟ سلسلة اسأل إيثان من مقالات علم الكونيات.
أذكرك أن المشروع موجود فقط بفضل دعم القراء (البطاقات المصرفية ، Yandex.Money ، WebMoney ، Bitcoins ، ولكن على الأقل). شكرا لكل من قدم الدعم بالفعل!
يمكنك الآن دعم المشروع من خلال خدمة الاشتراك التلقائي في Patreon !