روشی تازه و رادیکال برای آشکارسازی امواج گرانشی

امواج گرانشی، موج‌هایی در بافت فضازمان، پیوسته از زمین می‌گذرند و رازهایی را درباره‌ی کیهان با خود جابجا می‌کنند. ولی تا همین چند سال پیش به هیچ وجه توانایی آشکارسازی این امواج را نداشتیم و حتی اکنون هم تنها ساده‌ترین و آغازین‌ترین توانایی را برای آشکار کردن کش و قوس‌های کیهان به دست آورده‌ایم.

ولی یک روش پیشنهادیِ تازه برای آشکارسازی امواج گرانشی که در آن، چگونگیِ برهم‌کنش ذرات نور و ذرات گرانش بررسی و سنجیده می‌شود می‌تواند این روند را تغییر دهد. در این فرآیند می‌توان به پاسخ پرسش‌های بزرگی درباره‌ی انرژی تاریک و گسترش (انبساط) کیهان هم دست یافت.

سه آشکارسازی که اکنون روی زمین داریم (آشکارسازهای لایگو و ویرگو) همگی بر پایه‌ی یک اصل کار می‌کنند: با رسیدن امواج گرانشی به زمین و گذشتن از آن، فضازمان به اندازه‌ی ناچیزی کش می‌آید و فشرده می‌شود. این آشکارسازها با اندازه‌گیری مدت زمانی که یک باریکه‌ی لیزر نیاز دارد تا مسافت‌هایی بلند را بپیماید متوجه تغییر اندازه‌ی فضازمان می‌شوند. ولی این تغییرها جزیی و بسیار ریزند و آشکارسازی‌شان نیاز به دستگاه‌ها و رو‌ش‌های آماری با حسمندی (حساسیت) بی‌اندازه بالا دارد.

در این پژوهش تازه، سه پژوهشگر یک روش بنیادی و رادیکال را پیشنهاد کرده‌اند: شکار امواج گرانشی با جستجوی اثرهای مستقیمِ برهم‌کنش‌های میان فوتون‌ها (ذرات سازنده‌ی نور) و گراویتون‌ها (ذرات فرضی که نیروی گرانشی را حمل می‌کنند). با بررسی فوتون‌ها پس از برهم‌کنش با گراویتون‌ها باید بتوانیم ویژگی‌های یک موج گرانشی را بازسازی کنیم، این را سوبهاشیش بانرجی، یکی از نویسندگان این پژوهشِ تازه و فیزیکدان بنیاد فناوری هند در جودپور می‌گوید. بانرجی می‌افزاید ساخت یک چنین آشکارسازی بسیار ارزان‌تر و ساده‌تر از آشکارساز‌های کنونی خواهد بود.

بانرجی می‌گوید: «اندازه‌گیری فوتون‌ها چیزی‌ست که به خوبی با آن آشناییم. این بسیار بسیار خوب بررسی شده و به طور قطع کمتر از راه‌اندازی سازه‌هایی مانند لایگو چالش‌برانگیز است.»

هیچ کس به طور دقیق نمی‌داند برهم‌کنش گراویتون‌ها و فوتون‌ها چگونه خواهد بود، عمدتا به این دلیل که گراویتون‌ها هنوز به کلی نظری‌اند. هیچ کس تاکنون یکی از آنها را شکار نکرده. ولی دانشمندان در این پژوهش تازه یک رشته پیش‌بینی‌های نظری انجام داده‌اند: هنگامی که جریانی از گراویتون‌ها به جریانی از فوتون‌ها برخورد می‌کند، فوتون‌ها باید پراکنده شوند. و این پراکنش باید یک الگوی ضعیف و پیش‌بینی‌پذیر پدید بیاورد: الگویی که فیزیکدانان می‌توانند آن را با بهره از شگردهای (تکنیک‌های) فیزیکدانان کوانتومیِ نورشناس تقویت و بررسی کنند.

پیوند دادن فیزیکِ دنیای ریز کوانتومی با دنیای بزرگ-مقیاس گرانشی و نسبیت از زمان آلبرت اینشتین تاکنون هدف دانشمندان بوده. ولی اگرچه این راهکار پیشنهادیِ تازه برای بررسی امواج گرانشی از شگردهای کوانتومی بهره می‌گیرد، ولی بانرجی می‌گوید این راهکار خودش به تنهایی نمی‌تواند به طور کامل پلی در شکاف مقیاس-کوچک-به-بزرگ پدید بیاورد.

وی می‌افزاید: «ولی یک گام در این راستا خواهد بود.» به گفته‌ی وی، بررسی برهم‌کنش مستقیم گراویتون‌ها شاید برخی از رازهای ژرف دیگر درباره‌ی کیهان را پاسخ دهد.

نویسندگان در این پژوهشنامه نشان داده‌اند که شیوه‌ی پراکندگی نور به ویژگی‌های فیزیکی خاص گراویتون‌ها بستگی خواهد داشت. بر پایه‌ی نسبیت عالم اینشتین، گراویتون‌ها بی‌جرم هستند و با سرعت نور جابجا می‌شوند. ولی بر پایه‌ی مجموعه‌ای از نظریه‌ها که با هم به نام "گرانش جرم‌دار" شناخته می‌شوند، گراویتون‌ها جرم دارند و سرعتشان آهسته‌تر از نور است. به گمان برخی از پژوهشگران، این پنداشت‌ها می توانند گره از رازهایی مانند انرژی تاریک و گسترش کیهان بگشایند. بانرجی می‌گوید آشکارسازی امواج گرانشی با بهره از پراکندگی فوتون‌ها می‌تواند این دستاورد جانبی را داشته باشد که به فیزیکدانان بگوید گرانش جرم‌دار درست است یا نه.

بانرجی می‌گوید هیچ کس نمی‌داند حسمندیِ یک چنین آشکارساز فوتون-گراویتونی چقدر خواهد بود. این بستگی بسیاری به ویژگی‌های طراحی پایانی آشکارساز خواهد داشت، و در حال حاضر چنین چیزی در دست ساخت نیست. ولی به گفته‌ی بانرجی، او و دو همکارش امیدوارند به زودی آزمایشگران ساخت یکی از آنها را آغاز کنند.

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

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

twitter.com/1star_7sky

واژه نامه:

gravitational wave - space-time - dark energy - universe's expansion - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO - Virgo - Earth - laser - graviton - gravitational force - photon - Subhashish Banerjee - Indian Institute of Technology - Jodhpur - India - relativity - Albert Einstein - quantum - general relativity - massive gravity - scattering

منبع: livescience

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان