اكتشاف القرن رصد أمواج الجاذبية بعد مائة عام من توقع أينشتاين“سيداتي وسادتي، لقد تمكنّا من رصد أمواج الجاذبية، لقد فعلناها!”. بهذه الكلمات افتتح السيد ديفيد ريتز المدير التنفيذي لمرصد LIGO المؤتمر الصحفي الذي أعلن فيه عن أحد أضخم الإكتشافات العلمية المعاصرة.
إن هذا الاكتشاف العظيم يشكّل واحد من الانجازات العلمية التي ستظل راسخة في عقولنا وستبقى واحدة من أهم اكتشافات القرن الواحد والعشرين. فما هي القصة وراء هذه الأمواج؟ ولماذا كل هذه الضجة الإعلامية؟
مائة عام على توقع أينشتاين
تعود بداية قصتنا إلى قبل مئة عام تقريباً، حين قدّم أينشتاين نظرية النسبية العامة في محاولة منه لتفسير الجاذبية والتي كانت غامضة نوعاً ما في ذلك الوقت، حيث كانت قوانين نيوتن تعطي حسابات لقوى التجاذب بين الأجسام، إلا أنها لم تقدّم تفسيراً لكيفية حدوث هذا التجاذب. لكي يتمكّن أينشتين من تقديم تفسير للجاذبية قدّم في نظريته تصوّرًا جديدًا للفضاء، فاعتبر أن الفضاء يتشكّل من أربعة أبعاد متشابكة هي الأبعاد الثلاثة المكانية بالإضافة إلى الزمن كبعد رابع. وبهذا التصوّر الجديد يمكن اعتبار الفضاء كنسيج من الزمكان، وكل شيء في الكون يسبح في هذا النسيج.
يتميّز هذا النسيج بتأثره بالأجسام المختلفة، كما يمكنه أن يؤثر على الأجسام المختلفة. فوجود الأجسام في هذا النسيج يؤدي إلى إحداث تشوّه فيه ويتناسب مقدار هذا التشوّه مع مقدار الكتلة أو الطاقة المسببة له، ومرور أي جسم بالقرب من هذا التشوّه سيؤدي إلى تؤثر مسار حركة هذا الجسم. فعلى سبيل المثال الشمس لها كتلة كبيرة جداً مقارنة بالأرض، وهذا يعني أنها تُحدث تشوّهاً في نسيج الزمكان أكبر من التشوّه الذي تحدثه الأرض. والأرض موجود بالقرب من التشوّه الذي أحدثته الشمس، لذلك فإن حركتها ستتأثر بهذا التشوّه بحيث تسير بشكل دائري حول الشمس. يمكن تشبيه النسيج بقطعة كبيرة من الإسفنج، عندما يتم وضع أي كتلة على هذه الإسفنجة فإنها ستنحني ويزداد الانحناء بزيادة الكتلة، الآن لو اقتربت كتلة أخرى من الكتلة الأولى فإنها حركتها ستتأثر نتيجة مرورها بانحناء النسيج الذي تسببت فيه الكتلة الأولى. وبنفس الطريقة تتأثر حركة الأجسام نتيجة انحناء نسيج الزمكان.الفيديو المرفق يوضح فكرة تشوّه الزمكان بفعل وجود الأجسام فيه.
وفقاً للنظرية النسبية العامة أيضاً، فإن بعض الأحداث الفلكية الكبيرة تؤدي إلى إحداث اضطراب في نسيج الزمكان حيث يتحرك هذا الإضطراب عبر النسيج بسرعة الضوء على شكل موجة جاذبية. الأمر يشبه رمي حجر في بركة من الماء، فيؤدي سقوط الحجر إلى إحداث اضطراب في الماء ينتقل إلى كافة أنحاء البركة على هيئة موجة صغيرة من الماء. ولكن في حالتنا نحتاج إلى أحداث قوية جداً لإحداث اضطراب في نسيج الزمكان، من هذه الأحداث اصطدام ثقبين أسودين أو نجمين نيوترينيين معاً أو انفجار مستعر أعظم، ليؤدي ذلك إلى إحداث الاضطراب واطلاق موجة جاذبية لتعم أرجاء الكون بسرعة الضوء. كانت هذه الموجات إحدى النتائج التي تنبأت بها النظرية النسبية العامة قبل مئة عام.
رحلة البحث عن أمواج الجاذبية
أحد مرصدي LIGO وهو موجود في ليفينغستون بلويزيانا
منذ أن أطلق أينشتين نظرية النسبية العامة بدأ العلماء باختبار تنبؤاتها للتأكد من صحتها، وقد تمكنوا على مدار العقود من التحقق من عدة تنبؤات منها انحناء الضوء عند مروره بتشوه في نسيج الزمكان، وكذلك دقة تنبؤ النظرية بمدار كوكب عطارد. إلا أن أمواج الجاذبية بقيت القطعة الناقصة من هذه الأحجية لسنوات عديدة.
استطاع بعض العلماء تقديم اثباتات غير مباشرة على وجود هذه الموجات وتوّج ذلك بمنح جائزة نوبل للعالمين روسيل هولس وجوزيف تايلور بسبب اكتشافهم لنوع جديد من النجوم النابضة عام 1974 والتي قدموا من خلالها اثبات غير مباشر على وجود موجات الجاذبية. إلا أن أحداً لم يتمكن من رصد موجات الجاذبية بشكل مباشر. لهذا السبب تم إنشاء مرصدLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) في عام 1999 ليبدأ بعد ذلك بثلاثة أعوام رحلته في رصد أي أثر لموجات الجاذبية.
الفكرة الأساسية للمرصد بسيطة، وهي قائمة على ظاهرة فيزيائية معروفة وهي تداخل الضوء. يتكوّن المرصد من مختبرين أحدهما في هانفورد بواشنطين والآخر في ليفينغستون بلويزيانا. يتكوّن كلًا من المرصدين من ذراعين على شكل حرف L ممتدين لعدة كيلو مترات، يسير عبر هذين المسارين شعاعين من الليزر وينعكسان عبر مجموعة من المرايا ليندمجا معاً ويتم رصدهم عبر جهاز رصد تداخل الضوء.
من المعروف أن شعاعي الليزر عند ضبطها بظروف معينة يتداخلان معاً، وقد ينتج من تداخلها ضوء أقوى أو قد يحدث العكس بحيث يلغي أحدهما الآخر ولا ينتج أي ضوء. في كلا المرصدين السابقين تم ضبط الشعاعين بحيث يلغي كل منهما الآخر ولا يظهر أي ضوء عند جهاز رصد التداخل. السؤال الآن كيف سيلتقط العلماء موجة الجاذبية بهذه الطريقة؟
الفكرة تكمن في أن موجة الجاذبية هي اضطراب في نسيج الزمكان، ومعنى ذلك أن مرورها في منطقة معينة في الكون سيؤدي إلى انكماش وتمدد في المكان والزمان في تلك المنطقة. وهذا ما كان العلماء بانتظاره، كانوا يأملون أن يحدث أمر ما في الكون يؤدي إلى إطلاق أمواج الجاذبية باتجاه المرصدين، وعند مرور هذه الأمواج ستؤدي إلى تقلّص وانكماش أذرع المرصدين، هذا الأمر سيؤثر على مسار شعاعي الليزر حيث سيؤدي إلى زيادة أو تقليص أحدهما وبالتالي سيغيّر من الظروف المثالية التي كان عليها شعاعي الليزر عندما كان أحدهما يلغي الآخر، الأمر الذي يؤدي في النهاية إلى ظهور إشارة ضوئية في جهاز رصد التداخل والتي تدلّ على أن المسار الذي سلكه الشعاعين اضطرب، والسبب بالطبع هو مرور موجة الجاذبية.
تم تصميم وبناء المرصدين بحيث يكونا منعزلين عن أي تشويش قد يؤدي إلى التأثير على مساري الشعاعين، فالتغير الذي كان الباحثون بانتظار رصده ضئيل إلى حد كبير جداً، حيث أن موجة جاذبية تمرّ عبر الكرة الأرضية تؤدي إلى تمدد وانكماش الكرة الأرضية إلى مسافة تصل إلى قطر نواة الذرة، وهذا يتطلب التخلّص من كافة العوامل التي قد تؤثّر على الرصد.
الاستماع لأمواج الجاذبية لأول مرّة
صور توضّح الإشارتين المرصودتين في كلا المرصدين لاصطدام ثقبين اسودين
في الرابع عشر من شهر سبتمبر لعام 2015 ، كان الباحث ماركو دراجو يقوم بعمله المعتاد في تحليل الإشارات القادمة من مرصد التداخل للبحث عن أي شيء ذو أهمية، وفجأة في تمام الساعة 11:50 صباحاً تنبّه إلى إشارة غريبة في البيانات التي يقوم بتحليلها.
للوهلة الأولى اعتقد أن هناك خطأ ما، الأمر الذي دفعه للتحري حول الموضوع. وبعد إبلاغ زملائه وبعد سلسلة من الإجراءات الطويلة التي امتدت لأشهر والتي تم اتخاذها للتأكد من صحة هذه الإشارة تبيّن أنّ مصدر الإشارة هو موجة جاذبية انطلقت قبل 1.3 مليار عام نتيجة اصطدام ثقبين أسودين كتلة كل منهما حوال 30 ضعف كتلة الشمس لتصل الموجة إلى نصف الكرة الجنوبي وإلى المرصدين بالتحديد في الرابع عشر من سبتمبر الماضي ليتم رصدها.
تمّت مقارنة الإشارة التي تم رصدها بإشارة من محاكاة حاسوبية لتصادم ثقبين أسودين بالكتلة المذكورة وكانت الإشارتين متطابقتين إلى حد كبير. استغرق العلماء وقت إضافياً للتأكد من صحة النتائج وقد تمت مقارنة البيانات القادمة من كلا المرصدين لتظهر نفس الإشارة بفارق زمني يصل إلى 7 ميلي ثانية، وهو الزمن الذي تستغرقه موجة تسير بسرعة الضوء لتقطع المسافة بين المرصدين.
أعلن عن هذا الاكتشاف المدير التنفيذي لمرصد LIGO في مؤتمر صحفي ضم مجموعة من العلماء العاملين في المرصد، وقد شكّل هذا الإعلان انتصاراً كبيراً للعلماء وللجهود التي بُذلت على مدار السنين لرصد هذه الموجات. قام العلماء بتحويل الإشارتين المرصودتين لاصطدام الثقبين الأسودين إلى موجات صوتية، وبإمكانك الاستماع إلى هذا الصوت من خلال هذا الفيديو:
بداية حقبة جديدة في عالم الفيزياء والفلك
لا تقتصر أهمية الاكتشاف في أنه أكمل القطعة الأخيرة في النظرية النسبية العامة، ولا في أنه شكّل دليلاً مباشراً على وجود الثقوب السوداء. لكنه فتح لنا نافذة جديدة يمكننا النظر للكون من خلالها.
فقبل هذا الاكتشاف كانت وسيلتنا الوحيدة للنظر إلى الكون ورصد ظواهره واكتشافه هي الأمواج الكهرومغناطيسية. لكن اليوم تأكد لنا وجود نوع جديد من الأمواج وهي أمواج الجاذبية. وباتت لدينا فكرة جيدة حول كيفية رصد هذه الأمواج ومعرفة مصدرها. ولك أن تتخيّل مدى الاكتشافات والظواهر الجديدة التي سيمكننا دراستها من خلال النظر عبر هذه النافذة الجديدة، مثل ظاهرة الإنفجار الكوني العظيم، الأمر أشبه بإنسان تعوّد على اكتشاف الحياة من خلال عينيه، وفجأة أصبح قادراً على الاستماع لأول مرة واكتشاف أشياء جديدة في الحياة. يعتقد العلماء أن اكتشاف اليوم هو بداية لمجال جديد من علوم الفيزياء والفلك أداته أمواج الجاذبية.
الثقب الأسود: هو مكان في الفضاء يتميّز بجاذبية عالية جدا لدرجة أن الضوء لا يتسطيع الإفلات من جاذبيته. السبب وراء ذلك هو أن الكتلة الهائلة المكونة للثقب الأسود تنكمش لتشغل حيز ضئيل من الفراغ، وهذا يحدث عادة عند موت
كتشاف القرن رصد أمواج الجاذبية بعد مائة عام من توقع أينشتاين
اليوم في 3:23 pm من طرف