تلسکوپ فرمی ناسا برای یافتن سرچشمه امواج گرانشی آماده می شود

در روز ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، امواجی از انرژی که بیش از یک میلیارد سال در راه بودند، به آرامی فضا-زمان پیرامون زمین را به لرزه انداختند. این آشفتگی که در پی ادغام دو سیاهچاله پدید آمده بود توسط رصدخانه ی تداخل سنج لیزری امواج گرانشی (لیگو، LIGO) در هنفورد واشنگتن، و لیوینگستون لوییزیانا دریافت و آشکار شد. این نخستین آشکارسازی امواج گرانشی بود و پنجره ی تازه ای از دانش درباره ی شیوه ی کار جهان هستی به روی ما گشود.  
[خواندید: * کشف تاریخی امواج گرانشی: خلاصه ای از آنچه گذشت]

کمتر از نیم ثانیه بعد، دیدبان انفجار پرتو گاما (GBM) بر روی تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی ناسا یک انفجار کوتاه و کم سو از نور پرانرژی را از همان نقطه ی آسمان دید. بر پایه ی بررسی این فوران نور، شانس این که تنها یک همزمانی اتفاقی بوده باشد تنها ۰.۲ درصد است. پرتوهای گامای گسیلیده از ادغام دو سیاهچاله می توانند یک یافته ی برجسته باشند زیرا چشمداشت ما از سیاهچاله ها اینست که ادغام "پاکیزه ای" دارند، بدون تولید هیچ گونه نوری.

در این پویانمایی امواج گرانشی گسیلیده از دو سیاهچاله (گوی های سیاه رنگ) با جرم تقریبا یکسان که مارپیچ‌وار به هم نزدیک شده و به هم می پیوندند را می بینیم. ساختارهای زردرنگ نزدیک سیاهچاله ها خمیدگی شدید فضازمان در آن ناحیه را نشان می دهند. چین خوردگی های نارنجی نماینده ی اعوجاج های فضازمان هستند که توسط دو جرم که سریع به گرد هم می چرخند پدید می آید. این اعوجاج ها به بیرون گسترش یافته و ضعیف می شوند تا سرانجام امواج گرانشی (بنفش) از آن ها به جا می ماند. بازه ی زمانی این ادغام بستگی به جرم دو سیاهچاله دارد. برای سامانه ای که دو سیاهچاله به جرم حدود ۳۰ برابر خورشید دارد، مانند همان سامانه ای که امواجش در سپتامبر ۲۰۱۵ توسط لیگو دیده شد، دوره ی مداری در آغاز فیلم تنها ۶۵ هزارم ثانیه است و هر یک از سیاهچاله ها با سرعتی حدود ۱۵% سرعت نور حرکت می کنند. اعوجاج های فضازمان، انرژی مداری را به بیرون می گسیلند و باعث می شوند مدار دو سیاهچاله تنگ تر شده و بیشتر به هم نزدیک شوند. سیاهچاله ها با نزدیک تر شدن به یکدیگر سرانجام به هم می پیوندند و یک تک سیاهچاله می سازند که در یک گام "لرزش واپسین" (ringdown) آرام می گیرد، حالتی که آخرین امواج گرانشی را می گسیلد. برای موردی که لیگو در سال ۲۰۱۵ آشکار کرد، این رویدادها کمی بیش از یک چهارم ثانیه به درازا کشیدند. این شبیه سازی به کمک ابررایانه ی پلیادس در مرکز پژوهشی ایمز ناسا انجام شده. برای دریافت ویدیو در بزرگ ترین اندازه به این پیوند بروید.

والری کانتون، یکی از اعضای گروه GBM در مرکز ملی فضا، دانش و فن‌آوری در هانتزویل آلاباما می گوید: «این یک یافته ی فریبنده است که اشتباه بودنش شانس کمی دارد، ولی ما پیش از آن که به سراغ بازنویسی کتاب هایمان برویم باید فوران های بیشتری که مربوط به ادغام های سیاهچاله ها هستند را شناسایی کنیم.» کانتون نویسنده ی نخست پژوهشنامه ای درباره ی آن فوران است که اکنون از سوی آستروفیزیکال جورنال در دست بررسیست.

دیدن نور یک سرچشمه ی امواج گرانشی به شناخت بیشتر و ژرف تر از این رویداد کمک خواهد کرد. GBM ِ فرمی همه جاهای آسمان که زمین جلویشان را نگرفته باشد می بیند و نسبت به پرتوهای X و پرتوهای گاما با انرژی هایی میان ۸۰۰۰ و ۴۰ میلیون الکترون ولت (eV) حس‌مند است. برای مقایسه، انرژی نور دیدنی (مریی) چیزی میان ۲ تا ۳ الکترون ولت است.

دیدبان GBM با در بر گرفتن دامنه ی گسترده ای از انرژی و میدان دید پهناور، ابزار اصلی برای ردیابی نور انفجارهای پرتو گاما یا GRBها است که کمتر از دو ثانیه به درازا می کشند. باور گسترده بر اینست که این انفجارها زمانی رخ می دهند که دو جرم چگال و چرخنده به گرد یکدیگر، مانند ستارگان نوترونی و سیاهچاله ها، با چرخش مارپیچ به هم نزدیک شده و به هم برخورد می کنند. این سامانه ها به عنوان تولیدکننده های اصلی امواج گرانشی نیز پنداشته می شوند.

لیندی بلکبرن، عضو پسادکترای مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین در کمبریج ماساچوست و از اعضای گروه علمی لیگو می گوید: «تنها با یک رویداد مشترک، پرتوهای گاما و امواج گرانشی با هم می توانند به ما بگویند که دقیقا چه چیزی یک GRB کوتاه را پدید می آورد. میان این دو یک هم‌افزایی (سینرژی) باورنکرنی وجود دارد- پرتوهای گاما جزییاتی درباره ی کارمایه‌شناسی (انرژتیک) و محیط پیرامون سرچشمه ی GRB در خود دارند و امواج گرانشی هم آگاهی هایی بیمانند درباره ی دینامیکی که به این رویداد انجامیده به ما می دهند.» از بلکبرن برای گفتگو درباره ی این فوران و چگونگی همکاری فرمی و لیگو در نشست انجمن فیزیک آمریکا که روز سه شنبه در سالت لیک سیتی برگزار می شود دعوت شده.

این عکس در ماه می ۲۰۰۸، زمانی که تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی آماده ی پرتاب می شد گرفته شده و نمایی از آشکارسازهای دیدبان انفجار پرتو گامی آن (GBM) را نشان می دهد. GBM آرایه ای از ۱۴ آشکارساز بلوری است. تصویر بزرگ تر

هم اکنون رصدخانه های امواج گرانشی دیدِ به نسبت تاری دارند. این دید با گذشت زمان و آغاز به کارِ دستگاه های بیشتر بهتر خواهد شد، ولی دانشمندان لیگو برای رویداد سپتامبر که بر پایه ی داده هایش، GW150914 نام گرفته، تنها می توانستند در کمانی از آسمان به گستردگی حدود ۶۰۰ درجه ی مربع به دنبال سرچشمه ی آن بگردند. این گستره چیزی نزدیک به منطقه ی زاویه ای زمین است که توسط کشور آمریکا پوشیده شده.

اریک بِرنز، یک عضو گروه GBM از دانشگاه آلاباما در هانتزویل می گوید: «یافتن یک GRB کوتاه که سریع و کم نور است، مانند جستجوی سوزن در یک انبار کاه بسیار بزرگ است. ولی این همان کاریست که دستگاه ما برای انجام آن ساخته شده. یک آشکارسازی توسط GBM به ما اجازه می دهد تا منطقه ی لیگو را کاهش دهیم و انبار کاه را به اندازه ی چشمگیری کوچک تر کنیم.»

کمتر از نیم ثانیه پس از آشکارسازی امواج گرانشی توسط لیگو، GBM تَپِ کم‌سویی از پرتوهای X پرانرژی را دریافت کرد که تنها حدود یک ثانیه پایید. این فوران به گونه ی کارآمدی زیر فرمی و با زاویه ی بزرگی نسبت به آشکارسازهای لیگو رخ داد، جایی که توان آن ها برای معین کردن یک جایگاه دقیق را محدود می کرد. خوشبختانه زمین در آن هنگام جلوی یک نوار پهن از جایگاه احتمالی فوران از چشم تلسکوپ فرمی را گرفت، و به دانشمندان امکان داد تا منطقه ی جستجوی جایگاه فوران را باز هم محدودتر کنند.

گروه GBM شانس این که نوسان های اتفاقی تا این اندازه نزدیک به ادغام روی داده باشند را کمتر از ۰.۲ درصد ارزیابی می کند. با پنداشتن این که دو رویداد به هم مربوط بوده اند، محل‌یابی GBM و دیدِ فرمی از زمین، با هم منطقه ی جستجوی لیگو را تا دو سوم کاهش می دهند، یعنی به ۲۰۰ درجه ی مربع می رسانند. اگر یک فوران در جایگاه بهتری برای آشکارسازهای GBM رخ دهد، یا فورانی به اندازه ای درخشان باشد که تلسکوپ منطقه گسترده ی فرمی هم آن را ببیند، منطقه ی جستجو از این هم کوچک تر خواهد شد.

تقریبا همزمان با دریافت امواج گرانشی ادغام دو سیاهچاله در سال ۲۰۱۵ توسط لیگو، دستگاه GBM تلسکوپ فرمی هم یک درخشش زودگذر پرتو X را دید. این فیلم نشان می دهد که دانشمندان چگونه می توانند محدوده ی جستجوی سرچشمه ی امواج لیگو را با این فرض که درخشش دیده شده توسط GBM به آن مربوط بوده تنگ تر کنند. در این مورد، منطقه ی جستجوی لیگو تا دو سوم کاهش می یابد. با آشکارسازی های بیشتر، این محدوده باز هم تنگ تر خواهد شد. برای دریافت ویدیو در بزرگ ترین اندازه به این پیوند بروید.

رویداد لیگو از ادغام دو سیاهچاله ی به نسبت بزرگ که هر یک حدود ۳۰ برابر خورشید جرم داشتند سرچشمه می گرفت. انتظار نمی رود که سامانه های دوتایی با سیاهچاله هایی به این بزرگی چندان فراوان باشند، و پرسش های بسیاری درباره ی سرشت و سرچشمه ی این سامانه به جا مانده.

از آنجایی که برای گسیل نور نیاز به گازهایی چرخان هست، انتظار نمی رفت که ادغام های سیاهچاله ای به گسیل سیگنال های پرتو X یا گامای چندانی بیانجامد. چشمداشت نظریه پردازان این بود که هر گازی پیرامون سیاهچاله های دوتایی می بایست مدت ها پیش از رسیدن آن ها به هم و پیوندشان از آنجا محو شده باشد. به همین دلیل برخی از اخترشناسان فورانی که GBM دید را بیشتر یک شانس و همزمانی با رویداد GW150914 می دانند. دیگران نظریه های دیگری را هم پیش کشیده اند که در آن ها سیاهچاله های ادغام شونده می توانند پرتوهای گاما تولید کنند. روشن شدن این که در برخورد سیاهچاله ها به راستی چه روی می دهد نیاز به آشکارسازی های بیشتری دارد.

آلبرت اینشتین یک سده پیش در نظریه ی نسبیت عام خود وجود امواج گرانشی را پیش بینی کرده بود، و دانشمندان در ۵۰ سال گذشته برای یافتن آن ها در تلاش بوده اند. اینشتین این امواج را مانند چین و شکن هایی در بافت فضا-زمان توصیف کرده بود که توسط اجرام سنگین و شتابدار، مانند سیاهچاله هایی که به گرد یکدیگر می چرخند پدید می آیند. دانشمندان علاقمند به مشاهده و منش‌نمایی این امواج هستند تا بتوانند درباره ی چشمه ی پدیدآورنده ی آن ها و نیز درباره ی خود گرانش آگاهی بیشتری به دست آورند.

-------------------------------------------------

کانال تلگرام یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

واژه نامه:

Earth - black hole - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO - gravitational wave - Gamma-ray Burst Monitor - GBM - NASA - Fermi Gamma-ray Space Telescope - Valerie Connaughton - National Space, Science and Technology Center - The Astrophysical Journal - X-rays - gamma rays - visible light - Lindy Blackburn - Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics - LIGO Scientific Collaboration - Synergy - energetics - American Physical Society - GW150914 - Earth - Eric Burns - Large Area Telescope - Binary system - Albert Einstein - general theory of relativity - gravity - sun - orbital period - Space-tim - ringdown - Pleiades supercomputer - Ames Research Center -

منبع: nasa

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان