في اكتشاف كبير ، يقول العلماء إن الزمكان يمخض مثل بحر متقلب – ترجمة أحمد المبارك

In a major discovery, scientists say space-time churns like a choppy sea
(بقلم: جويل آخنباخ وفيكتوريا جاغارد – Victoria Jaggard & Joel Achenbach)

يشير الاكتشاف المحير للعقل إلى أن كل شيء من حولنا يتأرجح باستمرار بفعل موجات الجاذبية منخفضة التردد

إن نسيج الكون نفسه يتأرجح باستمرار ويتجعد في كل مكان حولنا ، وفقًا لفرق دولية متعددة من العلماء الذين وجدوا بشكل مستقل دليلًا مقنعًا على نظرية موجات الزمكان الممتدة.

أرسل الادعاء بأن التلسكوبات عبر الكوكب قد شاهدت علامات على “خلفية موجة الجاذبية” إثارة في مجتمع الفيزياء الفلكية ، الذي ظل صاخبًا لعدة أيام تحسبًا للأوراق التي تم الكشف عنها في وقت متأخر من يوم الأربعاء. يبدو أن هذا الاكتشاف يؤكد ضمناً مدهشًا لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين والتي كانت حتى الآن دقيقة للغاية بحيث لا يمكن اكتشافها.

في عالم أينشتاين المعاد تخيله ، الفضاء ليس فارغًا بهدوء ، والوقت لا يسير بسلاسة إلى الأمام. بدلاً من ذلك ، تموج تفاعلات الجاذبية القوية للأجسام الضخمة – بما في ذلك الثقوب السوداء فائقة الكتلة – نسيج المكان والزمان بشكل منتظم.

الصورة التي تظهر هي كون يبدو وكأنه بحر لجي ، تتمخض عنه الأحداث العنيفة التي حدثت على مدار الـ 13 مليار سنة الماضية.

خلفية موجة الجاذبية ، كما وصفها علماء الفيزياء الفلكية ، لا تضع أي عزم دوران على الوجود البشري اليومي. لا يوجد اكتشاف لفقدان الوزن هنا في مكان ما. إن انفجار موجات الجاذبية لا يمكن أن يفسر سبب شعورك بالضيق في بعض الأيام. لكنها تقدم نظرة ثاقبة محتملة للواقع المادي الذي نعيش فيه جميعًا.

“ما نقيسه هو أن الأرض تتحرك نوعًا ما في هذا البحر. قال مايكل لام ، عالم الفيزياء الفلكية في معهد (SETI) وعضو مرصد (Nanohertz) لموجات الجاذبية (NANOGrav) ، وهو فريق معتمد إلى حد كبير في أمريكا الشمالية. أصدر هذا الفريق (NANOGrav) النتائج في خمس أوراق بحثية نُشرت يوم الأربعاء في مجلة (Astrophysical Journal Letters).

كما لاحظت فرق في أوروبا والهند وأستراليا والصين هذه الظاهرة وخططوا لنشر دراساتهم في نفس الوقت. جاء الإصدار المتزامن للأوراق العلمية من فرق بعيدة وتنافسية باستخدام منهجية مماثلة فقط بعد بعض الدبلوماسية العلمية التي ضمنت عدم محاولة أي مجموعة انتزاع بقية المجتمع الفيزيائي الفلكي.

“لقد كنا في مهمة منذ 15 عامًا للعثور على همهمة منخفضة من موجات الجاذبية التي تدوي في جميع أنحاء الكون ولا تترك أثرا يساعدنا على إيجاد طريقة لقياس الزمكان عبر مجرتنا. 

ستيفن تايلور ، رئيس (NANOGrav) من جامعة فاندربيلت قال في مؤتمر صحفي يوم الثلاثاء: “يسعدنا أن نعلن أن عملنا الجاد قد آتى أكله”.

اكتشاف من النجوم الميتة
يعتمد هذا العمل الفذ على الاكتشافات السابقة لأشياء في الكون غير مرئية بالعين المجردة – النجوم النابضة. النجم النابض هو نوع من النجوم النيوترونية ، بقايا فائقة الكثافة لنجم ميت. يطلق عليه اسم النجم النابض لأنه يدور بسرعة ، مئات الدورات في الثانية ، ويصدر موجات الراديو بنبض ثابت. تم اكتشاف النجوم النابضة في الستينيات فقط ، بعد فترة قصيرة من اختراع التلسكوبات الراديوية الكبيرة.

جمعت نانوغراف بيانات من 68 نجمًا نابضًا باستخدام تلسكوب جرين بانك في ريف فيرجينيا الغربية ، والتلسكوبات السبعة والعشرون من مصفوفة كارل جي جانسكي الكبيرة جدًا في نيو مكسيكو ، ومرصد أريسيبو البائد الآن في بورتوريكو.

قالت كيارا مينجاريلي ، عالمة الفيزياء الفلكية في جامعة ييل وعضو فريق (NANOGrav) ، إن النبضات من هذه الأجسام الغريبة تصل إلى تلسكوبات على الأرض بترددات يمكن التنبؤ بها بحيث تعمل كساعات كونية ، تقريبًا بنفس دقة الساعات الذرية الأكثر تقدمًا اليوم.

يعتقد المنظرون أن موجات الجاذبية منخفضة التردد يمكن أن تتسبب في إبطاء وصول إشارات النجوم النابضة. يمكن أن يكون لمثل هذه التموجات منخفضة التردد قمم مفصولة بسنوات ، لذا فإن البحث عن تضخم خفي في بحر الزمكان يتطلب الصبر. قال مينجاريللي إن الانحراف في بيانات النجم النابض طفيف للغاية لدرجة أن الأمر استغرق 15 عامًا من الملاحظات للتوصل إلى دليل قوي على موجات الجاذبية هذه.

نشر فريق (NANOGrav) سابقًا تقارير مع اقتراحات أولية بأن الخلفية موجودة ، لكنه قال إن المزيد من الوقت ضروري لتعزيز الثقة في أن الإشارة كانت حقيقية وليست مجرد ضوضاء. قالت مينجاريللي: “حتى ابتكار التجربة كان بمثابة قفزة ذهنية هائلة”.

وجود موجات الجاذبية ليس محل نزاع. في عام 2016 ، أعلن العلماء أن تجربتهم الطموحة التي استمرت أربعة عقود والتي تسمى (LIGO) ، لمرصد موجات الجاذبية بالليزر ، قد اكتشفت موجات من اندماج ثقبين أسودين. لكن الموجات التي تم الإعلان عنها حديثًا ليست عجائب من طلقة واحدة ، والمنظرون يطرحون العديد من التفسيرات المحتملة لسبب تموجات البحر الكونية بهذه الطريقة.

الثقوب السوداء الهائلة هي التفسير المفضل

معظم المجرات هي موطن للثقوب السوداء الهائلة في المنطقة الوسطى أو بالقرب منها. تستحق هذه الثقوب السوداء بالتأكيد تسمية “فائقة الكتلة”: فهي تمتلك عادةً كتلة تعادل ملايين أو حتى بلايين من الشمس. على النقيض من ذلك ، فإن الثقوب السوداء ذات “الكتلة النجمية” هي نتوءات ، كتلتها تعادل 10 أو 20 أو 30 شمسًا.

نادرًا ما تصطدم المجرات ، لكن الكون شاسع ، وهناك بلايين من المجرات ، وكان لديهم متسع من الوقت للانجراف إلى بعضهم البعض. خلال لقاء المجرة ، كما يقول المنظرون ، فإن الثقوب السوداء الهائلة الموجودة في قلب المجرتين ستقوم أولاً برقصة الجاذبية. قال لام إن بإمكانهما الدوران حول بعضهما البعض لملايين السنين. يُعرف هذا الاقتران باسم ثنائي للثقب الأسود فائق الكتلة.

يعتقد العلماء أن الرقص الدوامي يزعج نسيج الزمكان بما يكفي لتوليد موجات جاذبية منخفضة التردد للغاية تنتقل عبر الكون بسرعة الضوء. بمرور الوقت ، تتسرب الطاقة من حفلة الرقص ، كما كانت ، وتتقارب الثقوب السوداء الهائلة من بعضها البعض ، وتختصر فترة مداراتها إلى عقود قليلة فقط. قال لام إن الأطوال الموجية عند هذه النقطة تبدأ في الوصول إلى الترددات التي يمكن اكتشافها بواسطة (NANOGrav).

قال لوك كيلي ، عضو فريق (NANOGrav) ، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، في مؤتمر صحفي يوم الثلاثاء: “في هذه المرحلة من قياساتنا ، لا يمكننا تحديد المصادر التي تنتج إشارة خلفية موجة الجاذبية بشكل قاطع”. ومع ذلك ، قال ، البيانات مطابقة مقنعة للتنبؤات النظرية.

وأضاف أن المنظرين “يستمتعون” بالتوصل إلى مصادر أخرى محتملة للإشارة ذات التردد المنخفض. ولكن “إذا لم يكن ناتجًا عن ثنائيات الثقوب السوداء فائقة الكتلة ، فسنحتاج إلى تقديم بعض التفسيرات للمكان الذي تختبئ فيه تلك الثقوب السوداء الهائلة ، ولماذا لا نرى موجات الجاذبية الخاصة بها”.

حقبة فلكية جديدة
بغض النظر عن مصدر الإشارة ، فإن الإعلان عن خلفية موجة الجاذبية يمثل علامة فارقة في المجال الجنيني لعلم فلك الموجات الثقالية.

مثلما يستخدم بعض علماء الفلك أطوال موجية مختلفة من الضوء لاستكشاف الكون ، يمكنهم الآن البحث عن أنواع مختلفة من موجات الجاذبية. لن تتمكن (LIGO) من اكتشاف الموجات منخفضة التردد التي تم الإعلان عنها يوم الأربعاء ، والعكس صحيح أيضًا: لم يتمكن (NANOGrav) والجهود المماثلة باستخدام النجوم النابضة من اكتشاف نوع الموجات عالية التردد من عمليات اندماج الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية العنيفة التي لا يمكن تصورها. ليغو.

قال لام إن الهدف التالي هو إقران موجات جاذبية محددة مع ثنائيات الثقوب السوداء الهائلة المحتملة التي تم اكتشافها من خلال الأشكال التقليدية لعلم الفلك. بعبارة أخرى ، بدلاً من مجرد القول إننا نلتقط إشارات لكثير من الموجات ، يمكن لعلماء الفلك أن يقولوا أن هذه الموجة بالتحديد جاءت من ذلك المكان هناك.

يحمل هذا الإعلان صدى لمعلم آخر في تاريخ علم الكونيات. في عام 1965 ، ذكر اثنان من علماء الفيزياء في مختبرات بيل أنهم اكتشفوا إشارة لشيء تم افتراضه سابقًا: إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف. قدم هذا التوهج المتبقي دليلًا تاريخيًا على أن الكون قد نشأ عن طريق الانفجار العظيم.

قالت مورا ماكلولين ، المديرة المشاركة لمركز (NANOGrav Physics Frontiers Center) ، في إحاطة يوم الثلاثاء أن الخطوة التالية ستكون أن تدمج الفرق الدولية بياناتها المستقلة في “مجموعة بيانات أوبر” واحدة والتي يجب أن تُظهر إشارة أوضح للجاذبية. خلفية الموجة – وربما حتى الاكتشاف الأول لثنائي أسود فائق الكتلة.

قالت: “نحن نفتح نافذة جديدة تمامًا … على موجات الجاذبية للكون”.

وقالت إن العمل يجب أن يقدم نظرة أعمق حول الطرق التي تتشكل بها المجرات وتتطور. حتى أنه قد يكشف عن فيزياء جديدة غريبة من شأنها أن تغير فهمنا الأساسي للكون: “وهذا بلا شك مثيرًا حقًا”.

المصدر: 

https://www.washingtonpost.com/science/2023/06/28/gravitational-wave-background-nanograv/