يعيد مختبر موجات الجاذبية ليجو زئيرًا عبر الإنترنت لاكتشاف أقدم تصادمات الثقوب السوداء التي شوهدت على الإطلاق
في 24 مايو ، بدأ العلماء في مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) حملة مدتها 18 شهرًا لاكتشاف التصادمات الأبعد بين الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية التي تم رصدها على الإطلاق.
قال: “نحن متحمسون للغاية” مايكل لاندري، رئيس مرصد ليجو هانفورد.
بفضل الترقيات ، أصبحت كواشف LIGO الآن حساسة للغاية بحيث يمكنها قياس موجات الجاذبية – تموجات في نسيج الزمكان أولاً الذي تنبأ به ألبرت أينشتاين – تنبعث من تصادم الثقوب السوداء في المجرات على بعد أكثر من 5 مليارات سنة ضوئية من الأرض.
سوف يمتد البحث عن موجات الجاذبية إلى جهد عالمي. في وقت لاحق من الحملة ، سينضم إلى منشآتي LIGO الأمريكيتين في هانفورد ، واشنطن ، وليفينجستون ، لويزيانا ، كاشف برج العذراء في إيطاليا وكاشف الموجات الثقالية Kamioka (KAGRA) في اليابان.
دراسة تجمعات الثقب الأسود
الثقوب السوداء هي حفر بلا قاع في الزمكان حيث أصبحت الجاذبية قوية لدرجة أنه حتى الضوء لا يستطيع الهروب. مثلما يمكن للكواكب أن تدور حول النجوم ، ويمكن للنجوم أن تتحرك حول النجوم الأخرى ، هكذا يمكن للثقوب السوداء أن تدور حول بعضها البعض.
قالت شيلا دواير ، العالمة في LIGO Hanford: “الثقب الأسود يلتف حول الزمكان ، وعندما يدور حول بعضهم البعض ، فإنهم يخلقون تموجات في الزمكان”.
تحمل هذه التموجات ، أو موجات الجاذبية ، الطاقة والزخم الزاوي بعيدًا عن الثقوب السوداء ، مما يجعلها أقرب وأقرب تجاه بعضهما البعض حتى تصطدم في النهاية بواحد من أكثر الأحداث نشاطًا في الكون.
في سبتمبر 2015 ، اكتشف ليجو أول موجات جاذبية تم رصدها على الإطلاق.
قال لاندري: “سأتذكر ذلك اليوم لبقية حياتي. لقد كانت لحظة عظيمة”.
انبعثت الأمواج من ثقبين أسودين كتلتهما تقارب 30 ضعف كتلة الشمس. اصطدمت هذه الوحوش الكونية ببعضها البعض بسرعة تقارب نصف سرعة الضوء ، على مسافة تزيد عن مليار سنة ضوئية من الأرض.
يكتشف LIGO موجات الجاذبية المنبعثة من مثل هذه الاصطدامات من خلال ملاحظة الإزاحة الدقيقة للمرايا التي تتدلى في نهاية نفقين طويلين. عندما تمر الموجة الثقالية عبر منشآت ليجو ، تتغير مواقع المرايا بمقدار أقل من حجم البروتون. يمكن قياس هذه النزوح الضئيل بمساعدة أشعة الليزر التي ترتد عن المرايا.
قال لاندري لـ Live Science: “يجب أن تكون المرايا أكثر من 10 مليارات مرة أكثر من الأرض في هانفورد التي نقف عليها”. “هذه تجربة صعبة حقًا ، والوصول إلى هذا الهدف هو أحد أصعب أجزاءها”.
بعد عدة عقود من النضال للتغلب على التحديات التكنولوجية ، كان كبار المهندسين المعماريين وراء LIGO – كيب ثورن ، وراينر فايس ، وباري سي. حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2017 لأول اكتشاف لموجة الجاذبية.
منذ هذا الاكتشاف الأولي ، لاحظ LIGO و Virgo 90 حدثًا لموجة الجاذبية الناتجة عن اصطدام الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية ، وهي بقايا مضغوطة للغاية من النجوم الضخمة التي انفجرت في مستعر أعظم.
المزيد من الاكتشافات قادمة بفضل الأدوات التي تمت ترقيتها. قال لاندري: “سنقيم عدة مئات من الأحداث في هذا المدى الذي يستمر 18 شهرًا”.
بفضل هذه الاكتشافات ، يمكن لعلماء الفلك دراسة ليس فقط أزواج الثقب الأسود الفردي ولكن جميع مجموعات هذه الأزواج.
أوضح لاندري: “سنكون قادرين على تحديد أصل هذه الثقوب السوداء الثنائية”. “هل تأتي ثنائيات الثقب الأسود من نجمين ولدا معًا ثم عاشا خلال مستعر أعظم متتاليين؟ أم أنها أجسام تم التقاطها حول بعضها البعض؟”
في عام 2017 ، اكتشف LIGO التصادم الاستثنائي لنجمين نيوترونيين. بينما اكتشف LIGO و Virgo موجات الجاذبية من التصادم ، رصدت التلسكوبات حول الأرض الإشعاع الكهرومغناطيسي. كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها ملاحظة كل من موجات الجاذبية والإشعاع الكهرومغناطيسي في وقت واحد من نفس المصدر. باستخدام هذه الملاحظات ، يمكن للباحثين دراسة كيفية اصطدام النجوم النيوترونية تشكل نوعا من المختبرات النووية الكونية حيث تتكون عناصر أثقل من الحديد.
بالنسبة للملاحظات القادمة ، قد يتم اكتشاف أنواع جديدة من المصادر. قال لاندري: “إن عملية المراقبة هذه هي أفضل فرصة لنا حتى الآن لرؤية مصدر جديد لموجات الجاذبية ، مثل نجم نيوتروني معزول في مجرتنا”. “سينتج إشارة موجة جاذبية مستمرة طوال عمر التجربة. إذا اكتشفنا ذلك ، فسيكون ذلك صفقة ضخمة.”
ترقية LIGO
في 18 مايو ، قدم LIGO للعلماء معاينة لما هو ممكن مع الترقيات الجديدة ، عندما اكتشف ما قد يكون تصادم بين نجم نيوتروني وثقب أسود. حدث هذا الاكتشاف على الرغم من أن مرافق LIGO كانت في ما يُعرف باسم “التشغيل الهندسي” ، مما يعني أنه لا يزال من الممكن إجراء التعديلات على إعداد الأدوات بواسطة مهندسي LIGO قبل بدء الملاحظات.
في الأشهر المقبلة ، من المتوقع أن يقيس ليجو حدثًا واحدًا على الأقل من تصادم الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية كل أسبوع. ستسمح الترقيات المستقبلية في نهاية هذا العقد لـ LIGO بمراقبة عدد قليل من هذه الأحداث كل يوم. حديثاً، وافق مجلس الوزراء الهندي على بناء كاشف للموجات الثقالية في الهند.
وقال لاندري: “مع إضافة LIGO India في أوائل 2030 ، سيكون لدينا خمسة مراصد في جميع أنحاء العالم ، وسيكون هذا رائعًا”.
كما تم التخطيط لأنواع جديدة من المراصد – المستكشف الكوني في الولايات المتحدة و تلسكوب اينشتاين في أوروبا – يعد ذلك باكتشاف المزيد من عمليات اندماج الثقوب السوداء البعيدة.
قالت شيلا دواير: “إذا كانت الكواشف أكثر حساسية بعشر مرات ، فيمكننا أن ننظر إلى الوراء إلى النجوم الأولى ونرى كل عمليات اندماج الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية في تاريخ الكون”. “إنه نوع من الذهول.”
