موجات الجاذبية: طريـق «ليجـو» إلى المجـد الاكتشاف التاريخي لتموُّجات صغيرة في نسيج الزمان والمكان يَستبعِد أن تكون الإشارة المرصودة إشارة زائفة.

صورة صادرة من محاكاة حاسوبية لعملية اندماج الثقبين الأسودين، رصدها مرصد «ليجو» باستخدام موجات الجاذبية.

S. Ossokine, A. Buonanno (Max Planck Inst. Gravitational Phys.). Scientific VisualiZation: W. Benger (Airborne Hydro Mapping)

في الساعة 11:53 بالتوقيت المحلي من صباح يوم 14 سبتمبر من عام 2015، تلقَّى ماركو دريجو ـ عالِم الفيزياء في معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية في هانوفر بألمانيا ـ رسالة إلكترونية أوتوماتيكية، تحتوي على رابطين لرسمين بيانيين، كلاهما يُظْهِر موجة تشبه صوت زقزقة طير، تَظْهَر فجأة من وسط خلفية صاخبة، ثم تنتهي بارتطام مفاجئ.
كانت تلك إشارة، قد تدرَّب دريجو من قبل على قراءتها، وصُمّم لرصدها مرصد قياس تداخل موجات الجاذبية بالليزر «ليجو» LIGO، الذي يعمل فيه دريجو، وتقوده الولايات المتحدة الأمريكية؛ ففُسِّرت على أنها نتاج تموجات مميّزة في نسيج الزمان والمكان، تحدث عادةً حين يصطدم ثقبان أسودان؛ ليشكِّلا مجال جاذبية واحدًا. لم يكن أحد قد رصد من قبل موجات الجاذبية بشكل مباشر، ولا عملية اندماج ثقبين أسودين؛ وقد كان قَدَر هذين الرَّسْمَين البيانيين ـ القادمَين من المِجَسَّين المتماثلين الخاصَّين بمرصد ليجو في ولايتي واشنطن، ولويزيانا ـ أن يسهما في صناعة التاريخ.
وفي يوم 11 فبراير، أعلن تحالف مرصد «ليجو» أنه قد تمكَّن من رصد موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج ثقبين أسودين للمرة الأولى على الإطلاق، وقع على بُعْد حوالي 400 مليون فرسخ نجمي (1.3 مليار سنة ضوئية) من الأرض. يأتي ذلك بعد مرور 100 عام فقط على تنبؤ ألبرت أينشتاين بوجود مثل هذه الموجات كجزء من نظرية النسبية العامة الخاصة به. «لقد فعلناها!»؛ هكذا هتف ديفيد ريتز ـ المدير التنفيذي لمختبر «ليجو» ـ في مؤتمر صحفي في واشنطن العاصمة. ومن المتوقع أن يمهِّد هذا الاكتشاف الطريق للفوز بجائزة «نوبل»، كما أنه يؤسس مجال علم الفلك الخاص بموجات الجاذبية، الذي «سيستمع» فيه العلماء للموجات؛ لمعرفة المزيد عن الكون.
في صباح ذلك اليوم من شهر سبتمبر، كان دريجو يدرك أنه يقف أمام حدث جلل. يقول: «لقد كان واضحًا أننا إزاء حدث استثنائي»، لكن الباحثين في «ليجو» كانوا يتوقعون ظهور هذه الرسوم البيانية كنتاج اختبار تجريبي مصطنع، يقوم به زملاؤهم؛ لاختبار المِجَسَّات. يقول دريجو: «ذهبت إلى مكتب زميلي أندرو لندجرين، لسؤاله عما إذا كان على علم بأيّ اختبارات تجريبية تتم في المرصد، أم لا».
تَحَقَّق لندجرين سريعًا من سجلات البيانات، ولم يجد أيًّا من ذلك؛ فأرسل دريجو رسالة إلكترونية إلى تحالف مرصد «ليجو» بأكمله ـ الذي يضم ألف باحث، منتشرين حول العالم ـ ليسألهم عن رأيهم في الأمر.
يقول عالِم الفيزياء بروس ألين، رئيس دريجو ولندجرين: «من أول نظرة على الرسوم، قلت إن هذا اختبار تجريبي واضح». كان قد أتاه الخبر أثناء حضوره اجتماع ما، ولم يكترث بالتحقق من الأمر، إلا بعد استراحة الغداء.
وفي غضون بضع ساعات، استيقظ المتعاونون على الجانب الآخر من المحيط الأطلنطي على رسالة دريجو الإلكترونية، ومن بينهم عالِم الفيزياء التجريبية رينر فايس، الذي يعمل في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا «MIT» في كمبريدج، ومعروف بكونه المخترع الرئيس لمرصد «ليجو». يقول فايس: «بالنظرة الأولى لتلك الأشكال الموجية، رأيت شيئًا مذهلًا».
رأى الكثيرون أن توقيت الإشارة جيد لدرجة أقرب إلى الخيال.. فقد كان التحالف قد أتمّ لتوِّه عملية تحديث للآلات تتم كل خمس سنوات (انظر: «نطاق رؤية «ليجو» المتوسعة للكون»)، كما كان قد منح عددًا محدودًا من أعضائه سلطة إرسال إشارات زائفة عبر المرصد، وعدم إفشاء ما إذا كانت حقيقية، أم لا؛ لاختبار ردود أفعال أعضاء الفريق. حسب قول جابرييلا جونزاليز، المتحدثة الرسمية باسم المرصد، وعالمة الفيزياء في جامعة ولاية لويزيانا في باتون روج، فحتَّى مثل هذا «الاختبار المعمَّى» كان سيترك بعض الآثار في البيانات.

كبر الصورة
cluster map adapted from Andrew Z. Colvin/CC-BY-SA 3.0

وبعد يوم طويل من إجراء المكالمات، وإرسال الرسائل الإلكترونية، توصلت جونزاليز إلى يقين جازم بأنه لم يحدث أن أَجرى أحدٌ أي اختبارًا زائفًا، وأخبرت جميع أعضاء التحالف بذلك.
حينها فقط، أدرك كيب ثورن ـ عالِم الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا «كالتيك» Caltech في باسادينا، الذي أسس مرصد ليجو بالتعاون مع فايس وزميله في معهد كالتيك رونالد دريفر ـ أن حلم الـ40 سنة الأخيرة قد تحقق، لكن لم يحن بعد وقت الاحتفال. وكان على التحالف فعل الكثير، قبل الإعلان عن الاكتشاف. يقول ثورن: «في تلك الليلة في المنزل احتفلت وحدي بابتسامة فقط.. فلم يكن باستطاعتي إخبار زوجتي بالأمر».
قررت جونزاليز وفريقها قضاء شهر آخر في تجميع البيانات، قبل بدء تحليل شامل، فقد كان على الباحثين تسجيل الضوضاء الطبيعية الموجودة في مِجَسّاتهم؛ لمقارنتها بالإشارات الصادرة؛ فتوصلوا إلى احتمال أن تصدر الضوضاء هذا النمط الصارخ المتطابق في لويزيانا وواشنطن في التوقيت ذاته هو احتمال ضعيف للغاية، حتى إنه قد يحدث صدفةً، ربما أقل من مرة كل 203 آلاف سنة.
ولاستخلاص أكبر قدر من المعلومات، قام الباحثون بعد ذلك بعمليات محاكاة مطوّلة، بالاستعانة بالحواسيب الفائقة، كما يقول آلين. وقد أثبتت عمليات المحاكاة تلك أن البيانات تتطابق تمامًا وبشكلٍ رائع مع تنبؤات نظرية النسبية العامة التي أعلنها أينشتاين في عام 1915، وكذلك الأعمال النظرية التي قادت علماء الفيزياء في العقود القليلة السابقة إلى فهم مقتضيات النظرية بشكل كامل.

اقتباس :: «احتفلتُ وحدي بابتسامة فقط.. فلم يكن باستطاعتي إخبار زوجتي بالأمر».

ومن الأشكال الموجية، استطاع الباحثون استنباط أن كتلة أحد الثقبين الأسودين تبلغ 36 ضِعْف كتلة الشمس، أما الآخر، فتبلغ كتلته نحو 29 كتلة نجمية. وقد تَسَبَّب دوران الجسمين حول بعضهما في انحناء نسيج الزمان والمكان من حولهما بنمط مموّج، وانتقلت تلك التموّجات عبر الكون على هيئة موجات جاذبية، لمسافة تقدَّر بحوالي 1.3 مليار سنة ضوئية؛ متسبِّبةً في تمدد نسيج المكان، وضغطه أثناء تحركها.
يقوم جهازا قياس التداخل المتماثلان الخاصين بمرصد «ليجو» بإرسال أشعة ليزر، تنعكس من على سطح مرايا مثبتة في الطرفين المتقابلين لأنبوبين مفرغين متعامدين، طول كل منهما 4 كيلومترات. وبمرور موجة جاذبية من خلالهما، يتغير طول الأنابيب بعدة طرق، مما يجعل أشعة الليزر تنحرف قليلًا عن تزامنها مع بعضها. وبوصول الموجات المنبعثة من اندماج الثقبين في يوم 14 سبتمبر، كانت قد تحولت إلى تموجات صغيرة؛ ما غَيَّر طول الأنابيب بما يعادل جزءًا من مليار تريليون جزء (1021).
وعلى الرغم من أن الثقبين الأسودين على الأرجح كانا يدوران حول بعضهما البعض لملايين السنين، لم يلتقط مرصد ليجو موجاتهما، إلا عندما وصل تردد الموجات إلى 35 دورة في الثانية (هيرتز)، وقد زاد التردد بسرعة بعد ذلك، حتى وصل إلى 250 Hz. أصبحت الإشارة مشوَّشة، ثم خمدت سريعًا بعد ذلك؛ واستغرق الأمر كله ربع ثانية فقط. وما حسم الأمر هو كون المجسين رصدا الإشارة في الوقت نفسه تقريبًا؛ في ليفنجستون بلويزيانا أولًا، ثم هانفورد في واشنطن، بعد ذلك بـ7 ملِّي ثانية. ويشير هذا التأخير الزمني إلى كيفية عبور الموجات من خلال كوكب الأرض.
جاءت بعد ذلك مرحلة كتابة الورقة البحثية، التي تطلبت ـ حسب قول بيتر فريتشيل، كبير علماء مرصد «ليجو» في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ـ أخْذ موافقة الألف باحث على كل التفاصيل، وإرسال أكثر من 5,000 رسالة إلكترونية. وفي يوم 21 من شهر يناير، أرسل الفريق البحث للنشر، وقامت دورية «فيزيكال ريفيو ليترز» Physical Review Letters بنشره بالفعل في يوم 11 فبراير (B. P. Abbott et al. Phys. Rev. Lett. 116, 061102; 2016)؛ وهو اليوم نفسه الذي عَقد فيه المرصد عدة مؤتمرات صحفية حول العالم.
يقول ستيفن هوكينج، عالِم الفيزياء في جامعة كمبريدج بالمملكة المتحدة: «إن هذه الاكتشافات المذهلة تثبت صحة الكثير من الأعمال النظرية، بما في ذلك نظرية النسبية العامة الخاصة بأينشتاين، التي تنبأت بوجود موجات الجاذبية».
إن نجاح مرصد «ليجو» هو نهاية مناسبة للقصة التي بدأها أينشتاين، الذي لم يؤمن أبدًا بوجود الثقوب السوداء. وبرغم تواتر الأدلة لدى علماء الفلك حول وجود الثقوب، من خلال دراستهم للمحيط من حولها، حسب قول تيبو دامور، عالِم الفيزياء النظرية في معهد الدراسات العلمية المتقدمة بالقرب من باريس، إلا أن إشارة المرصد هي «الدليل الحقيقي الأول والمباشر على وجودها الفعلي».

موجات الجاذبية: طريـق «ليجـو» إلى المجـد الاكتشاف التاريخي لتموُّجات صغيرة في نسيج الزمان والمكان يَستبعِد أن تكون الإشارة المرصودة إشارة زائفة.

موجات الجاذبية: طريـق «ليجـو» إلى المجـد الاكتشاف التاريخي لتموُّجات صغيرة في نسيج الزمان والمكان يَستبعِد أن تكون الإشارة المرصودة إشارة زائفة. :: تعاليق

موجات الجاذبية: طريـق «ليجـو» إلى المجـد الاكتشاف التاريخي لتموُّجات صغيرة في نسيج الزمان والمكان يَستبعِد أن تكون الإشارة المرصودة إشارة زائفة.