آشکارسازی امواج گرانشی با رصد ستارگان

انجمن فيزيک ايران/ گذر امواج گرانشي از ستاره باعث ايجاد تغييراتي در مکان ظاهري آن مي‌شود و اين حرکت ها با تلسکوپ فضايي Gaia (گايا) قابل‌آشکارسازي است. مطالعه ستارگان. يک موج گرانشي با فرکانس پايين که از نزديکي زمين مي‌گذرد، مي‌تواند باعث جابه‌جايي مکان ستاره (نقاط سياه) از ديد ناظر زميني شود. اين الگو دامنه، ‌فرکانس و قطبيدگي امواج را نشان مي‌دهد. در اينجا، جابه‌جايي به صورت اغراق‌آميز نشان داده شده است. رصدخانه امواج گرانشي تداخل‌ ليزري (LIGO) به خاطر آشکارسازي امواج گرانشي با استفاده از تداخل‌سنج‌هاي بزرگ، برنده جايزه نوبل فيزيک امسال شد؛ اما روش‌هاي ديگري نيز براي اين کار وجود دارد. يکي از اين روش‌ها، اندازه‌گيري جابه‌جايي‌هاي کوچک ستارگان نزديک زمين است که امواج گرانشي از آنها مي‌گذرد. محاسبات جديد نشان داده که آشکارسازي بايد بااستفاده از داده‌هاي با وضوح بالا درباره مکان ستارگان انجام شود که اين اطلاعات توسط تلسکوپ فضايي Gaia فراهم مي‌شود. اين روش نسبت به امواج با فرکانس بسيار پايين که از ادغام دو ابرسياه‌چاله يا حتي مهبانگ توليد شده است، حساس خواهد بود. امواج گرانشي (GW) براثر رخدادهاي سهمگيني مثل برخورد سياه‌چاله‌ها و ستاره‌هاي نوتروني، اجرامي که چگالي‌هاي بسيار بالاي آنها در فضازمان اطراف آشفتگي ايجاد مي‌کند، توليد مي‌شود. LIGO يک موج گرانشي که باعث کشش و فشردگي فضا زمان شده، آشکارسازي کرده است، اما يک موج گرانشي گذرنده مي‌تواند باعث نوسان زمين در مکان خود نسبت به ستارگان شود. بنابراين ستاره‌هاي دوردست، که از زمين يا تلسکوپ‌هاي فضايي ديده مي‌شوند، بايد با رفتاري قابل پيش‌بيني در مکان خود جابه‌جا شوند. در دهه ۱۹۹۰ [1,2]، آشکارسازي امواج گرانشي با رصد اجرام فراکهکشاني، به‌جاي ستارگان، پيشنهاد شد. شبکه وسيعي از ستاره‌شناسان آماده آشکارسازي امواج گرانشي بااستفاده از آثار آن بر تابش‌هاي راديويي تپ‌اخترها شدند، ‌زيرا فرکانس جريان بسيار منظم پالس‌هاي سريع بر اثر عبور امواج گرانشي تغييرات بسيار کوچکي پيدا مي‌کند [3]. (see 12 May 2017 Q&A). حال Christopher Moore (کريستوفر مور) ستاره‌شناسي از دانشگاه کمبريج بريتانيا و همکارانش، آثار ناشي از امواج گرانشي ميدان بزرگ ستاره‌هاي رصدشده توسط تلسکوپ فضايي Gaia آژانس فضايي اروپا (ESA) را پيش‌بيني کرده‌اند. اين رصدخانه در اواخر سال ۲۰۱۳ به‌منظور انجام رصدهاي بسيار دقيق مکان ستارگان در کهکشان خودي، به فضا پرتاب شد. داده‌هاي Gaia در اويل سال ۲۰۲۰ منتشر خواهد شد. مور مي‌گويد: «براي اولين بار، Gaia اثر يک پيش‌بيني واقع‌گرايانه را اندازه‌گيري خواهد کرد.» هنگام طراحي Gaia محققان متوجه شدند که آشکارسازي امواج گرانشي يکي از کاربردهاي بالقوه اين وسيله است [4]. عوامل زيادي در کاربردي‌شدن اين رويکرد مشارکت دارند که شامل دقت و زمان طولاني اندازه‌گيري‌هاي نجومي است. Gaia طي ۵ تا ۱۰ سال حدود يک ميليارد ستاره را رصد خواهد کرد که هر کدام از آنها طي اين دوره حداقل ۸۰ بار رصد خواهد شد. طبق گفته مور، رصد اين همه ستاره برتري مهم Gaia محسوب مي‌شود. مور و همکارانش نشان دادند که امواج گرانشي الگوي تغيير مشخصي در مکان همه ستارگان ايجاد مي‌کند. محققان موج گرانشي ناشي از دو ابرسياه‌چاله چرخان به دور يکديگر را شبيه‌سازي کردند و نشان دادند که اين موج بايد در اندازه‌گيري و بررسي ۱۰۰۰۰۰ ستاره توسط Gaia قابل آشکارسازي باشد. (تجزيه‌وتحليل يک ميليارد ستاره نيازمند محاسبات زيادي است.) اين روش براي امواج گرانشي با فرکانس بسيار پايين، فرکانس چند ميکروهرتز تا نانوهرتز، موثر است، به اين مفهوم که يک نوسان تکي مي‌تواند سال‌ها طول بکشد. بااين‌حال، موفقيت اين روش تضمين‌شده نيست. طبق گفته مور «آشکارسازي امواج با اين فرکانس‌هاي بسيار ضعيف حتي براي Gaia نيز مشکل است.» مور مي‌گويد احتمالا منبع امواج گرانشي قابل‌ديدن براي Gaia، دو ابرسياه‌چاله است که با دوره تناوب تقريبا يک ‌سال به دور يکديگر مي‌چرخند و در مرکز يکي از کهکشان‌هاي بزرگ و نسبتا نزديک به ما قرار دارد. چنين اجرامي، بين ۱۰ ميليون تا ۱۰۰ ميليون برابر خورشد ما جرم دارند. کارل گويين (Carl Gwinn) اخترفيزيک‌دان دانشگاه کاليفرنيا در سنتا باربارا، مي‌گويد: «اين يک ايده عالي است و ارزش کارکردن دارد.» وي مي‌گويد ازبين‌بردن سيگنال‌هاي مخالف اثرات ناشي از دستگاه‌ها و ابزارها، مانند نوسان در جهت‌گيري فضاپيماها، چالش‌برانگيز خواهد بود. Jos de Bruijne، معاون پروژه علمي ماموريت Gaia در ESA، تاييد کرده است که طرح‌هاي پيشنهادي و نتايج شبيه‌سازي با قابليت‌هاي ابزار سازگار است. طبق گفته Gwinn از آنجا که که شکست موج در جو زمين مانع رصد آنها توسط تلسکوپ‌هاي زميني مي‌شود، يک ابزار فضايي بايد چنين آثاري را رصد کند. De Bruijne مي‌گويد احتمالا اين روش مي‌تواند منابع امواج گرانشي راکه به‌راحتي با آشکارسازهاي تداخل‌سنجي مثل LIGO ديده نمي‌شوند، نشان دهد که شامل امواج گرانشي اوليه ناشي از دوره تورمي مهبانگ است. Gwinn مي‌افزايد Gaia مي‌تواند امواج گرانشي ناشي از ادغام ستاره با ابرسياه‌چاله مرکزي کهکشان خود را نيز ببيند که بايد يک رخداد نسبتا شايع باشد. با کانال تلگرامي «آخرين خبر» همراه شويد