خلفية موجة الجاذبية (GWB): اختراق في الكشف المباشر

موجة الجاذبية تم اكتشافه مباشرة لأول مرة في عام 2015 بعد قرن من التنبؤ به من خلال النظرية النسبية العامة لأينشتاين في عام 1916. لكن التردد المستمر والمنخفض الجاذبية-خلفية الموجة (GWB) التي يُعتقد أنها موجودة في جميع أنحاء الكون ولم يتم اكتشافه بشكل مباشر حتى الآن. الباحثون في مرصد نانوهيرتز بأمريكا الشمالية موجات الجاذبية أبلغت شركة (NANOGrav) مؤخرًا عن اكتشاف إشارة منخفضة التردد يمكن أن تكون "خلفية موجة الجاذبية (GWB)".   

تتنبأ النظرية النسبية العامة التي طرحها أينشتاين في عام 1916 بأن الأحداث الكونية الكبرى مثل المستعر الأعظم أو اندماج الثقوب السوداء يجب أن تنتج موجات الجاذبية التي تنتشر من خلال الكون. يجب أن تكون الأرض مليئة موجات الجاذبية من جميع الاتجاهات طوال الوقت ولكن لا يمكن اكتشافها لأنها تصبح ضعيفة للغاية عند وصولها إلى الأرض. استغرق الأمر حوالي قرن من الزمان لإجراء اكتشاف مباشر لتموجات الجاذبية، عندما نجح فريق LIGO-Virgo في عام 2015 في اكتشافها. موجات الجاذبية أنتجت نتيجة لدمج اثنين الثقوب السوداء تقع على مسافة 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض ¹. وهذا يعني أيضًا أن التموجات المكتشفة كانت حاملة للمعلومات حول الحدث الكوني الذي حدث منذ حوالي 1.3 مليار سنة.  

منذ الاكتشاف الأول في عام 2015 ، كان هناك عدد لا بأس به من تموجات الجاذبية تم تسجيلها حتى الآن. وكان معظمهم بسبب اندماج اثنين الثقوب السوداءوقليل منها كان بسبب اصطدام نجمين نيوترونيين ². تم الكشف عن كل شيء موجات الجاذبية كانت حتى الآن عرضية، بسبب زوج ثنائي من الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية تتصاعد وتندمج أو تتصادم مع بعضها البعض ³ وكانت ذات تردد عالٍ وطول موجي قصير (في نطاق ملي ثانية).   

ومع ذلك، نظرا لوجود احتمال وجود عدد كبير من مصادر موجات الجاذبية في ال الكون وبالتالي كثيرة موجات الجاذبية معا من جميع أنحاء الكون قد تمر بشكل مستمر عبر الأرض طوال الوقت لتشكل خلفية أو ضوضاء. وينبغي أن يكون هذا مستمرا وعشوائيا وموجة صغيرة ذات تردد منخفض. وتشير التقديرات إلى أن جزءًا منه ربما نشأ من الانفجار الكبير. مُسَمًّى الجاذبية-موجة الخلفية (GWB)، لم يتم اكتشاف ذلك حتى الآن ³.  

لكننا قد نكون على وشك تحقيق انفراجة - حسبما أفاد الباحثون في مرصد نانوهيرتز بأمريكا الشمالية موجات الجاذبية أبلغت شركة (NANOGrav) عن اكتشاف إشارة منخفضة التردد يمكن أن تكون "خلفية موجة الجاذبية (GWB)". ^4,5,6.  

على عكس فريق LIGO-virgo الذي اكتشف موجة الجاذبية من أزواج فردية الثقوب السوداء، بحث فريق NANOGrav عن الضوضاء المستمرة مثل "المدمجة" موجة الجاذبية تم إنشاؤها على مدى فترة طويلة جدا من الزمن من قبل عدد لا يحصى من الثقوب السوداء في ال الكون. كان التركيز على "الطول الموجي الطويل جدًا" موجة الجاذبية على الطرف الآخر من "طيف موجات الجاذبية".

على عكس الضوء والإشعاعات الكهرومغناطيسية الأخرى ، لا يمكن رصد موجات الجاذبية مباشرة باستخدام التلسكوب.  

اختار فريق NANOGrav ميلي ثانية واحدة النجوم النابضة (MSPs) التي تدور بسرعة كبيرة مع استقرار طويل المدى. هناك نمط ثابت من الضوء يأتي من هذه النبضات والذي يجب أن يتغير بواسطة موجة الجاذبية. كانت الفكرة هي مراقبة ومراقبة مجموعة من النجوم النابضة بالميلي ثانية فائقة الاستقرار (MSP) للتغيرات المرتبطة في توقيت وصول الإشارات إلى الأرض وبالتالي خلق "Galaxy"بحجم" كاشف موجات الجاذبية داخل منطقتنا Galaxy. أنشأ الفريق مصفوفة توقيت للنجوم النابضة من خلال دراسة 47 من هذه النجوم النابضة. كان مرصد أريسيبو وتلسكوب جرين بانك هما راديو التلسكوبات المستخدمة في القياسات.   

تتضمن مجموعة البيانات التي تم الحصول عليها حتى الآن 47 MSPs وأكثر من 12.5 عامًا من الملاحظات. بناءً على ذلك ، لا يمكن إثبات الاكتشاف المباشر لـ GWB بشكل قاطع على الرغم من أن إشارات التردد المنخفض المكتشفة تشير إلى ذلك كثيرًا. ربما تكون الخطوة التالية هي تضمين المزيد من النجوم النابضة في المصفوفة ودراستها لفترة أطول لتعزيز الحساسية.  

لدراسة الكونكان العلماء يعتمدون حصريًا على الإشعاعات الكهرومغناطيسية مثل الضوء، والأشعة السينية، راديو نظرًا لعدم ارتباطها تمامًا بالإشعاع الكهرومغناطيسي، فقد فتح اكتشاف الجاذبية في عام 2015 نافذة جديدة من الفرص للعلماء لدراسة الأجرام السماوية وفهم الكون وخاصة تلك الأحداث السماوية التي تكون غير مرئية لعلماء الفلك الكهرومغناطيسي. علاوة على ذلك، على عكس الإشعاع الكهرومغناطيسي، لا تتفاعل موجات الجاذبية مع المادة، وبالتالي تنتقل فعليًا دون عوائق حاملة معلومات حول مصدرها ومصدرها خاليًا من أي تشويه.³

إن اكتشاف خلفية موجة الجاذبية (GWB) من شأنه أن يوسع الفرصة بشكل أكبر. قد يصبح من الممكن أيضًا اكتشاف الموجات الناتجة عن الانفجار الكبير مما قد يساعدنا على فهم مصدرها الكون بطريقة أفضل.

***

المراجع:  

1. Castelvecchi D. and Witze A.، 2016. تم العثور على موجات الجاذبية لأينشتاين أخيرًا. Nature News 11 February 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D. ، 2020. ما تكشفه أحداث موجات الجاذبية الخمسين عن الكون. تم نشر Nature News في 50 أكتوبر 30. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. مصادر وأنواع موجات الجاذبية. متاح على الإنترنت على https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources تم الوصول إليه في 12 يناير 2021. 

4. تعاون NANOGrav ، 2021. تكتشف NANOGrav "تلميحات أولية" محتملة لخلفية الموجات الثقالية منخفضة التردد. متاح على الإنترنت على http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html تم الوصول إليه في 12 يناير 2021 

5. تعاون NANOGrav 2021. موجز صحفي - البحث عن خلفية موجات الجاذبية في 12.5 عامًا من بيانات NANOGrav. 11 يناير 2021. متاح على الإنترنت على http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z. ، وآخرون 2020. مجموعة بيانات NANOGrav 12.5 سنة: ابحث عن خلفية موجات الجاذبية العشوائية المتباينة. رسائل مجلة الفيزياء الفلكية ، المجلد 905 ، العدد 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***