عندما يصطدم ثقبان أسودان، يرسلان تموجات عبر المكان والزمان، تماماً مثل الموجات المنتشرة عبر البركة. تنبأ بهذه التموجات، المعروفة بالموجات الثقالية، لأول مرة آينشتاين في عام 1916 واكتشفت أخيراً في أيلول 2015 بواسطة مرصد الموجات الثقالية بالتداخل بالليزر ليغو (LIGO).
يعد اكتشاف الموجات الثقالية تحدياً محيراً للعقل في مجال الهندسة: يتطلب التقاط موجة بحجم نظامنا الشمسي قياس التغيرات في المسافة الأصغر من عرض النواة الذرية.
للمرة الثانية، تمكن العلماء في مرصد ليغو (LIGO) من رصد الموجات الثقالية بشكل مباشر، وقد أنتجت الإشارة من خلال تصادم ثقبين أسودين على بعد 1.4 مليار سنة ضوئية – وهي تموجات عبر نسيج الزمكان، والتي تنجم عن أحداث كارثية متطرفة في الكون البعيد. وقد حدد الفريق أن التموج الخافت إلى درجة كبيرة والذي وصل في النهاية إلى الأرض، أنتج من خلال تصادم ثقبين أسودين بسرعة نصف سرعة الضوء، على بعد 1.4 مليار سنة ضوئية.
اكتشف العلماء الموجات الثقالية باستخدام مقياسي التداخل بالليزر للموجات الثقالية، الواقعين في ليفينغستون، لويزيانا، وفي هانفورد، واشنطن. في 26 كانون الأول 2015، حيث التقط كلا الكاشفين، الواقعين على بعد أكثر من 3000 كيلومتر، إشارة خافتة للغاية وسط الضوضاء المحيطة.
في حين أن الاكتشاف الأول الذي حققه ليغو، أنتج ذروة واضحة، أو "زقزقة"، في البيانات، كانت هذه الإشارة الثانية أكثر دقة، حيث أنتجت شكل موجة أضحل – كانت على شكل صرير خافت في الأساس - كان مدفوناً تقريباً في البيانات. باستخدام تقنيات تحليل البيانات المتقدمة، قرر الفريق أن الشكل الموجي يشير بالفعل إلى موجة جاذبية.
إن الموجة الثقالية نشأت من اصطدام ثقبين أسودين، تبلغ كتلتهما 14.2 و 7.5 ضعف كتلة الشمس. تشمل الإشارة التي التقطتها أجهزة الكشف الخاصة بليغو اللحظات الأخيرة قبل اندماج الثقوب السوداء: لمدة ثانية أخيرة تقريباً، بينما كانت الإشارة قابلة للاكتشاف، دار الثقبان الأسودان حول بعضهما البعض 55 مرة، واقتربت من نصف سرعة الضوء، قبل الاندماج في تصادم أطلق كمية هائلة من الطاقة في شكل موجات جاذبية، تعادل كتلة الشمس. وقد أنتجت هذه الكارثة، التي حدثت قبل 1.4 مليار سنة، ثقباً أسود دواراً أكثر ضخامة يبلغ حجمه 20.8 مرة كتلة الشمس.
هذا الاكتشاف الثاني للموجات الثقالية، والذي يؤكد مرة أخرى نظرية آينشتاين في النسبية العامة، اختبر بنجاح قدرة ليغو على اكتشاف إشارات جاذبية دقيقة بشكل لا يصدق.
يقول سالفاتوري فيتالي، عالم أبحاث في معهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وعضو فريق ليغو: "لقد فعلناها مرة أخرى. كان الحدث الأول جميلاً إلى درجة أننا لم نصدقه تقريباً. والآن، تثبت حقيقة رؤية موجة ثقالية أخرى أننا نلاحظ بالفعل مجموعة من الثقوب السوداء الثنائية في الكون. ونحن نعلم أننا سنرى العديد منها بشكل متكرر بما يكفي لصنع علم مثير للاهتمام منها".
العثور على تطابق
صمم مقياسا التداخل التابعين لمرصد ليغو، ويبلغ طول كل منهما 4 كيلومترات (2.5 ميل)، بطريقة تجعل كل كاشف يتمدد بمقدار ضئيل للغاية إذا مرت موجة جاذبية من خلالهما. في 14 أيلول 2015، التقطت أجهزة الكشف أول إشارة لموجة جاذبية، ما أدى إلى تمدد كل كاشف بمقدار ضئيل يصل إلى جزء من قطر البروتون. وبعد أربعة أشهر فقط، في 26 كانون الأول، سجل مرصد ليغو إشارة ثانية، ما أدى إلى تمدد أجهزة الكشف بمقدار أصغر.
ولاستخراج الإشارة وتحديد ما إذا كانت في الواقع موجة جاذبية أم مجرد ضوضاء من أجهزة الكشف نفسها، استخدم العلماء الترشيح المطابق، وهي تقنية معالجة الإشارات التي تسمح للعلماء بالبحث بعمق في ضوضاء ليغو لاكتشاف إشارات ذات أشكال موجية معروفة أو أنماط.
في هذه الحالة، جمع الفريق بنكاً من مئات الآلاف من أشكال الموجة المعروفة، كل منها يتوافق مع كتل ودوران مختلف للثقوب السوداء. ثم قام العلماء بتشغيل بيانات ليغو من خلال كل شكل موجة في البنك، بحثاً عن تطابق.
وباستخدام بعض التحليل الإضافي، المسمى تقدير المعلمات، وجدوا أن نفس الإشارة، التي اكتشفت في كلا مقياسي التداخل، تطابق سيناريو واحد: اندماج ثقبين أسودين، يبلغ حجمهما 14.2 و 7.5 مرة من كتلة الشمس، تصادما على بعد 1.4 مليار سنة ضوئية. الثقوب السوداء المتصادمة أقل كتلة من تلك التي ولدت إشارة الموجة الثقالية الأولى. كما أن كتل الثقوب السوداء المكتشفة حديثاً تمثل بشكل أكبر الثقوب السوداء التي لاحظها علماء الفلك في الكون.
الرجوع بالزمن إلى الوراء
في الأشهر الأربعة الأولى، تمكنت أجهزة الكشف المتقدمة في مرصد ليغو من اكتشاف إشارتين لموجات الجاذبية، والتي نتجت عن اصطدام نظامين مختلفين للغاية من الثقوب السوداء. ويشير ديفيد شوماكر، الذي قاد الفريق الذي بنى أجهزة الكشف، إلى أن "المرصد غير متصل بالإنترنت حالياً ويخضع للترقية لتحسين حساسيته، ومن المتوقع أن يبدأ رحلته التالية للمراقبة في الخريف"، عندما يتوقع العلماء اكتشاف المزيد من الموجات الجاذبية والأحداث الفيزيائية الفلكية المتطرفة.
ويقول فيتالي: "نحن ننتقل بسرعة كبيرة من حدث واحد كل بضعة أشهر، إلى بضعة أحداث كل شهر. وسنكون قادرين أيضاً على رؤية أشياء أبعد، في المكان والزمان".
مع المزيد من الاكتشافات، يأمل الفريق في الإجابة على سؤال مركزي واحد: كيف تندمج الثقوب السوداء؟ افترض علماء الفلك أن هناك طريقين محتملين قد يحدث من خلالهما هذا. وبما أن الثقوب السوداء "تولد" من النجوم المتفجرة، فإن إحدى الفرضيات تفترض أن نجمين من هذا النوع ربما دارا حول بعضهما البعض في السابق، قبل أن ينهارا في ثقبين أسودين بقيا معاً، يدوران أقرب وأقرب قبل الاندماج أخيراً. وتشير الفرضية الأخرى إلى أن ثقبين أسودين مستقلين، موجودين في مجموعة كثيفة من الثقوب السوداء، ربما أصبحا مرتبطين جاذبياً، واندمجا في النهاية.
لكن الآن، اقترح باحثون من معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا (OIST) وجامعة توهوكو وجامعة طوكيو طريقة لمحاكاة الموجات الثقالية على مقعد المختبر من خلال المكثف الكمومي للذرات الباردة. العلماء جميعهم أعضاء حاليون أو سابقون في وحدة نظرية المادة الكمومية في OIST، وقد نُشرت نتائجهم الآن في مجلة Physical Review B، حيث تم اختيار الورقة البحثية كاختيار المحرر.
إرث آينشتاين
يقول البروفيسور نيك شانون، المؤلف الرئيسي للدراسة ورئيس الوحدة: "لقد غيرت نظرية آينشتاين في النسبية العامة الطريقة التي نفكر بها في المكان والزمان. لقد علمتنا أن الفضاء يمكن أن ينحني ليشكل ثقباً أسود، ويمكنه أن يهتز، ما يخلق موجات تعبر الكون بسرعة الضوء. تحتوي هذه الموجات الثقالية على معلومات مهمة عن كوننا. المشكلة هي أنه من الصعب جداً جداً ملاحظتها".
ولمعالجة هذا التحدي، بنى العلماء تلسكوبات موجات ثقالية عملاقة مثل LIGO في الولايات المتحدة، ومقياس التداخل فيرغو في أوروبا، وكاشف موجات الجاذبية كاميوكا (KAGRA) في اليابان. ولكن حتى مع هذه الأجهزة التي يبلغ عرضها عدة كيلومترات، لا نستطيع إلا اكتشاف الموجات القادمة من الأحداث الفلكية الأكثر عنفاً، مثل اصطدام الثقوب السوداء.
النهج البديل هو استكشاف الظواهر على الأرض التي تحاكي جوانب مختلفة من النسبية العامة. بالصدفة، أدرك الفريق أن الظاهرة الكمومية التي كانوا يدرسونها في سياق المغناطيس والذرات الباردة في المختبر يمكن أن توفر نظيراً دقيقاً للموجات الثقالية.
يقول البروفيسور هان يان من جامعة طوكيو: "هذه النتيجة مهمة، لأنها تجعل من الممكن محاكاة ودراسة الموجات الثقالية في بيئة تجريبية أبسط بكثير واستخدام النتائج لمساعدتنا على فهم الموجات الثقالية الحقيقية".
النيماتيكا الدورانية
بالإضافة إلى تنبؤاته بشأن الموجات الثقالية، تنبأ آينشتاين أيضاً بأن البوزونات، وهو نوع من الجسيمات الكمومية، يمكن أن توجد عند تبريدها في حالة تسمح بتكوين تكاثف بوز-آينشتاين (BEC)، حيث تعمل مجموعة من الجسيمات في انسجام تام.
ركز الفريق على المادة في نوع محدد من تكاثف بوز-آينشتاين، يسمى النيماتيكا الدورانية. يوضح البروفيسور شانون: "توجد الأطوار النيماتية في كل مكان حولنا، في شاشات الكريستال السائل (LCDs) في هواتفنا الذكية وأجهزتنا اللوحية وأجهزة التلفزيون". في شاشات الكريستال السائل، تصطف جزيئات صغيرة على شكل قضيب بشكل موحد، وتتحكم في تدفق الضوء في الشاشة. كان فريق OIST يدرس الإصدارات الكمومية من البلورات السائلة، النيماتيكا الدورانية، لبعض الوقت. على عكس الجزيئات في شاشات الكريستال السائل، تدعم الجسيمات الكمومية في حالة النيماتيكا الدورانية الموجات، التي تحمل الطاقة عبر النظام. "لقد أدركنا أن خصائص الموجات في الحالة النيماتية المغزلية متطابقة رياضياً مع خصائص الموجات الثقالية"، كما يقول البروفيسور شانون، "وبفضل العمل السابق مع البروفيسور ريكو بوهل ويوتاكا أكاجي، عرفنا كيفية محاكاة هذه الموجات".
"لقد كنت مفتوناً دائماً بحقيقة أنه يمكننا وصف ما يبدو أنه ظواهر مختلفة من خلال هياكل رياضية أساسية متشابهة للغاية، وبالنسبة إلي، هذا هو الجزء الأكثر جمالاً في الفيزياء"، كما تقول الدكتورة ليلي تشوجناكي من وحدة OIST والمؤلفة الرئيسية للدراسة. "لذا، كان من المثير جداً بالنسبة إلي العمل على فرعين مختلفين جداً من الفيزياء، الموجات الثقالية والفيزياء الكمومية للذرات الباردة، وجمعهما معاً بطريقة لم يستكشفها العلماء من قبل".
----