استحوذت التموجات الكونية الدقيقة التي أحدثتها الثقوب السوداء البعيدة بشكل مذهل على مخيلة الجمهور. كما نالوا تقدير اللجنة التي تقيم المرشحين الحائزين على جائزة نوبل. أعلنت اليوم أن جائزة الفيزياء ستمنح لثلاثة أمريكيين وضعوا الأساس لأول كشف مباشر لموجات الجاذبية.
الشرح:جائزة نوبل
يعمل Rainer Weiss في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج. يعمل كيب ثورن وباري باريش في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا. وسيتقاسمان معًا جائزة 9 ملايين كرونة سويدية (حوالي 1.1 مليون دولار). النصف سيذهب إلى فايس. ثورن وباريش سوف يقسمون الباقي.
غالبًا ما ينتظر الباحثون عقودًا قبل أن تعترف لجنة نوبل بإنجازاتهم. ليس هؤلاء الرواد الثلاثة من LIGO. (هذا اختصار لمرصد موجات الجاذبية بالليزر للتداخل.) ليس قبل 20 شهرًا تمامًا - في 11 فبراير 2016 - أعلن LIGO عن الاكتشاف الأول الذي طال انتظاره لموجات الجاذبية. هذه التموجات المحددة في الزمكان تم إنشاؤها بواسطة زوج من الثقوب السوداء المدمجة.
كانت الملاحظة نتيجة جهود مكثفة من قبل جحافل العلماء. جاء ذلك بعد قرن من توقع ألبرت أينشتاين أن مثل هذه الموجات يجب أن تكون موجودة. جنون الإثارة الذي أحدثته الأمواج استحوذ على عناوين الصفحات الأولى في جميع أنحاء العالم. كان تأكيدهم هائلاً للغاية لدرجة أن الفريق التوجيهي من علماء الفيزياء تم تكريمهم على الفور تقريبًا بجائزة نوبل.
في الواقع ، كما يقول كليفورد ويل ، "كانت هذه الاكتشافات مقنعة للغاية ومدهشة للأرض ... لماذا الانتظار؟" ويل هو فيزيائي بجامعة فلوريدا في غينزفيل ولم يشارك بشكل مباشر في الاكتشاف. قال عن جائزة نوبل للثلاثي اليوم:"إنه رائع. رائع للغاية. "
LIGO هو مثال على العلم المكلف والمحفوف بالمخاطر - ولكن من المحتمل أن يكون ثوريًا -. وقالت فرانس كوردوفا في بيان:"تحتوي موجات الجاذبية على معلومات حول أصولها المتفجرة وطبيعة الجاذبية لا يمكن الحصول عليها من إشارات فلكية أخرى". كوردوفا هي مديرة National Science Foundation ، وهي وكالة حكومية استثمرت حوالي 1.1 مليار دولار في تطوير أدوات LIGO الحساسة. وتضيف أن العلم يشهد الآن مردودًا كبيرًا. أرصاد ليجو "خلقت مجالًا جديدًا لعلم فلك الموجات الثقالية."
مشاهدة أحضان LIGO
تم تطوير LIGO جزئيًا لاختبار تنبؤ نظرية النسبية العامة لأينشتاين. جادل أينشتاين بأن الأجسام الضخمة المتسارعة بسرعة من شأنها أن تمتد وتضغط على الزمكان. يجب أن يؤدي هذا الإجراء إلى حدوث تموجات تتحرك للخارج من المصدر. على الرغم من البحث عن هذه الموجات في الجزء الأفضل من قرن ، لم يظهر أي منها - حتى العام الماضي.
الشرح:ما هي موجات الجاذبية؟
"إذا كان أينشتاين لا يزال على قيد الحياة ، فسيكون من الرائع للغاية الذهاب إليه وإخباره بالاكتشاف. قال فايس في مؤتمر صحفي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بعد ساعات قليلة من حصوله على كلمة الفوز. "ولكن بعد ذلك لإخباره ما هو الاكتشاف ، وأنه كان ثقبًا أسود ، كان سيصاب بالذهول تمامًا".
أعطت مجموعة متحمسة من أعضاء الفريق يرتدون قمصان LIGO المؤتمر الصحفي الاحتفال بالجائزة جوًا شبيهًا بالحفلات. هناك ، شدد فايس على أن الاكتشاف كان جهدًا جماعيًا. "أنا رمز لذلك. ليس كل شيء على كتفي ، هذا الشيء ، "قال. ثم استشهد بالتعاون الكبير بين العلماء الذين أدى عملهم إلى اكتشاف LIGO.
يأمل العلماء الآن في البدء في مسح الكون بطريقة جديدة ، من خلال الشعور بتموجات دقيقة جدًا في الزمكان. يقول كارلوس لوستو إن القيام بذلك "سيسمح لنا برؤية أجزاء الكون التي لم يتم الكشف عنها لنا من قبل". كعضو في فريق LIGO ، يعمل في معهد روتشستر للتكنولوجيا في نيويورك.
بدأ مرصد ليجو رسميًا في جمع البيانات في عام 2002. واستمر تشغيله وإيقافه حتى عام 2010. وطوال ذلك الوقت ، لم يظهر أي تلميحات لموجات الجاذبية. لذلك صمم العلماء مجموعة من الترقيات لجعلها أكثر حساسية. يُعرف نظام souped-up الآن باسم Advanced LIGO. بدأت في البحث عن تموجات الزمكان في عام 2015. في الحال تقريبًا ، اكتشف العلماء تموجات فائقة الصغر. أشاروا إلى اصطدام ثقب أسود. هذه التموجات ، التي تم رصدها في 14 سبتمبر 2015 ، قد سافرت إلى الأرض من مسافة 1.3 مليار سنة ضوئية. هناك ، اثنان من الثقوب السوداء الهائلة قد تصاعدت نحو الداخل تجاه بعضهما البعض. في النهاية اندمجوا في واحد.
القصة تستمر أسفل الصورة.
تم تحويل الرعشات من تلك الثقوب السوداء المتقاربة إلى إشارة صوتية. لقد صنعوا "تغريد". بدا الأمر وكأنه صرخة طائر. تفاصيل هذا التوقيع تكشف تفاصيل الاصطدام. قال ثورن اليوم في مؤتمر صحفي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا:"جمال السيمفونية يكمن في ما يمكنك استخلاصه من الاهتزازات الصغيرة ، أو الاهتزازات على قمم الاهتزازات ، في تلك الإشارة".
منذ الاكتشاف الأول ، لاحظ علماء ليجو ثلاث تصادمات إضافية للثقب الأسود. قد تكون تموجات الجاذبية الإضافية موجودة بالفعل في الحقيبة:هناك شائعات بأن علماء LIGO اكتشفوا تحطمًا لـ النجوم النيوترونية . ألمح فايس إلى أنه من المقرر إعلان آخر في 16 أكتوبر.
يتكون LIGO من كاشفين ضخمين على شكل حرف L. أحدهما يمتد عبر المناظر الطبيعية المشجرة في ليفينجستون ، لوس أنجلوس ، والآخر يمتد عبر صحراء في هانفورد ، واشنطن ، ولكل منهما ذراعان طولهما 4 كيلومترات (2.5 ميل). يرتد ضوء الليزر ذهابًا وإيابًا بين المرايا الموجودة على شكل LIGO ونهايات الذراعين التي تخرج منه.
سوف تمد موجات الجاذبية التي تمر عبر الكاشف ذراعًا واحدة بشكل طفيف جدًا. في نفس الوقت سوف يقصرون الآخر. يقارن LIGO أطوال الذراعين باستخدام ضوء الليزر. يمكنه اكتشاف الاختلافات في الطول التي تكون أصغر من حجم البروتون.
قال باريش في المؤتمر الصحفي لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا:"ليجو هي على الأرجح واحدة من أفضل وأروع الأدوات التي صنعتها البشرية على الإطلاق". لكن بناءه كان محاولة محفوفة بالمخاطر. لم يحاول أحد من قبل القيام بأي شيء من هذا القبيل. ولا يمكن لأحد أن يقول على وجه اليقين ما إذا كانت هذه الجهود ستنجح. قال باريش:"الشيء الأساسي هو أن تكون على استعداد لتحمل المخاطر للقيام بأشياء عظيمة".
في أغسطس 2017 ، تعاون كلاً من كاشفات LIGO مع كاشف برج العذراء المصمم بشكل مشابه بالقرب من بيزا ، إيطاليا. تم رصد آخر تموج في الزمكان قبل سبعة أسابيع. ظهرت في جميع أجهزة الكشف الثلاثة. سمح هذا للعلماء بتحديد موقع زوج من الثقوب السوداء المتصادمة بدقة أكبر من أي وقت مضى.
القصة تستمر أسفل الصورة.
الوصول إلى LIGO
في الستينيات من القرن الماضي ، ابتكر فايس فكرة كاشف موجات الجاذبية بالليزر. كان ذلك أثناء قيامه بتدريس فصل دراسي حول النسبية العامة. (اقترح باحثون آخرون هذه التقنية بشكل مستقل أيضًا). بدأ العمل ببعض الخربشات على قصاصات من الورق. انتقل في النهاية إلى النماذج الأولية.
أصبح ثورن مستوحى من محادثة مع ويس. قام بتجميع فريق للعمل على التقنية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في السبعينيات. (بالمناسبة ، كان ثورن أحد المتأهلين لنصف النهائي عام 1958 في بحث المواهب العلمية. إنه برنامج تابع لجمعية العلوم والجمهور ينشر أخبارًا علمية للطلاب .)
توفي رونالد دريفير ، مؤسس LIGO آخر ، في مارس. في السبعينيات ، كان يعمل على كاشفات موجات الجاذبية في جامعة جلاسكو في اسكتلندا. في النهاية ، انضم Drever إلى Thorne في Caltech في عام 1979. عمل كل من Weiss و Drever بشكل فردي على النماذج الأولية. ثم تعاون Weiss رسميًا مع Thorne and Drever في عام 1984 لإنشاء جهاز LIGO الأولي. يقول ويل إن دريفير عاش لسماع الاكتشاف الأول. ومع ذلك ، يضيف الباحث في فلوريدا ، "من المحزن أنه لم يعش ليرى كل شيء".
انضم باريش إلى المشروع لاحقًا. في عام 1994 ، أصبح مديرًا لـ LIGO. بقي في هذا المنصب لأكثر من 10 سنوات. خلال ذلك الوقت ، ارتقى بليغو من أحلام اليقظة للعلماء إلى واقع. أشرف باريش على بناء كاشفات ليجو بالإضافة إلى عمليات البحث الأولى عن موجات الجاذبية. "لقد دخل التجربة في لحظة حاسمة ،" تلاحظ أليساندرا بونانو. وهي عضو في فريق LIGO وتعمل في معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية في بوتسدام ، ألمانيا. كان هذا وقتًا "عندما كان من الضروري نقل التجربة إلى مستوى مختلف ، اجعلها تعاونًا كبيرًا" ، كما تقول.
بدأت التكهنات بأن ليجو سيفوز بجائزة نوبل بمجرد الإعلان عن الاكتشاف الأول العام الماضي. تقول مانويلا كامبانيلي ، عضو فريق ليجو:"كنا نتوقع هذا بالتأكيد". تعمل في معهد روتشستر للتكنولوجيا.
لكن توقع ذلك لم يجعل الفوز أقل حلاوة. يقول بونانو:"أشعر أنني في حلم".
LIGO و Virgo في فترة إغلاق حاليًا. يعمل العلماء على إصلاح أجهزة الكشف لتحسين حساسيتها. سيستأنف البحث عن التموجات في الزمكان العام المقبل. إلى جانب عمليات اندماج الثقوب السوداء وتحطم النجوم النيوترونية ، قد يكتشف العلماء يومًا ما أيضًا موجات من نجم متفجر ، يُعرف باسم المستعر الأعظم. قد تشعر الأجيال القادمة من هذه الكواشف بالارتعاش الناتج عن الانفجار العظيم. من شأن ذلك أن يقدم لمحة عن بدايات الكون.
قد يكتشف العلماء ظواهر لم يتم توقعها بعد. يقول ثورن:"أنتظر بترقب بعض المفاجآت الضخمة في السنوات القادمة".
