خلفية موجة الجاذبية (GWB): اختراق في الكشف المباشر

تم رصد موجات الجاذبية بشكل مباشر لأول مرة عام 2015، بعد قرن من تنبؤ أينشتاين بها في نظريته النسبية العامة عام 1916. إلا أن الخلفية المستمرة لموجات الجاذبية منخفضة التردد، والتي يُعتقد أنها موجودة في جميع أنحاء الكون ، لم تُرصد بشكل مباشر حتى الآن. وقد أفاد باحثون في مرصد أمريكا الشمالية لموجات الجاذبية النانوهرتزية (NANOGrav) مؤخرًا برصد إشارة منخفضة التردد يُحتمل أن تكون "الخلفية لموجات الجاذبية".

تتنبأ النظرية النسبية العامة، التي وضعها أينشتاين عام 1916، بأن الأحداث الكونية الكبرى، مثل المستعرات العظمى أو اندماج الثقوب السوداء، تُنتج موجات جاذبية تنتشر عبر الكون . من المفترض أن تغمر الأرض موجات الجاذبية من جميع الاتجاهات باستمرار، لكنها تبقى غير مكتشفة لأنها تضعف بشدة قبل وصولها إلى الأرض. استغرق الأمر قرابة قرن من الزمان لرصد تموجات الجاذبية بشكل مباشر، إلى أن نجح فريق مرصد ليغو-فيرغو عام 2015 في رصد موجات جاذبية ناتجة عن اندماج ثقبين أسودين يقعان على بُعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض ⁽¹⁾ . هذا يعني أيضاً أن التموجات المكتشفة تحمل معلومات عن الحدث الكوني الذي وقع قبل حوالي 1.3 مليار سنة.

منذ اكتشافها الأول عام 2015، سُجّل عدد كبير من موجات الجاذبية حتى الآن. يعود معظمها إلى اندماج ثقبين أسودين ، بينما يعود القليل منها إلى اصطدام نجمين نيوترونيين ⁽²⁾ . جميع موجات الجاذبية المكتشفة حتى الآن كانت متقطعة، ناتجة عن دوران زوج ثنائي من الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية واندماجها أو اصطدامها ^(3)، وكانت ذات تردد عالٍ وطول موجي قصير (في نطاق أجزاء من الألف من الثانية).

مع ذلك، ونظرًا لاحتمالية وجود عدد كبير من مصادر موجات الجاذبية في الكون، فمن المرجح أن تمر موجات جاذبية عديدة من مختلف أنحاء الكون عبر الأرض باستمرار، مُشكّلةً ما يُعرف بخلفية أو ضوضاء. يُفترض أن تكون هذه الموجات مستمرة وعشوائية ومنخفضة التردد. ويُقدّر أن جزءًا منها قد يكون ناتجًا عن الانفجار العظيم. تُعرف هذه الموجات باسم خلفية موجات الجاذبية (GWB)، ولم يتم رصدها حتى الآن ⁽³⁾.

لكن ربما نكون على وشك تحقيق اختراق - فقد أبلغ الباحثون في مرصد أمريكا الشمالية النانوهرتز للموجات الثقالية (NANOGrav) عن اكتشاف إشارة منخفضة التردد يمكن أن تكون "خلفية الموجات الثقالية (GWB) ^(4،5،6).

على عكس فريق LIGO-virgo الذي رصد موجات الجاذبية المنبعثة من أزواج منفردة من الثقوب السوداء ، سعى فريق NANOGrav إلى البحث عن موجات جاذبية مستمرة، أشبه بالضوضاء، "مُدمجة" ، تتشكل على مدى فترات زمنية طويلة جدًا بفعل عدد لا يُحصى من الثقوب السوداء في الكون . وقد انصبّ التركيز على موجات الجاذبية "ذات الأطوال الموجية الطويلة جدًا" التي تقع في الطرف الآخر من "طيف موجات الجاذبية".

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

اختار فريق مشروع NANOGrav النجوم النابضة ذات النبضات الميلي ثانية (MSPs) التي تدور بسرعة فائقة مع استقرار طويل الأمد. يُصدر من هذه النجوم نمط ضوئي ثابت، يُفترض أن يتغير بفعل موجات الجاذبية. كانت الفكرة هي رصد مجموعة من النجوم النابضة فائقة الاستقرار ذات النبضات الميلي ثانية (MSPs) لرصد التغيرات المترابطة في توقيت وصول الإشارات إلى الأرض، وبالتالي إنشاء كاشف لموجات الجاذبية بحجم مجرتنا . أنشأ الفريق مصفوفة توقيت للنجوم النابضة بدراسة 47 نجمًا من هذا النوع. استُخدم مرصد أريسيبو وتلسكوب غرين بانك كتلسكوبات راديوية لإجراء 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 الكون ، كان العلماء يعتمدون بشكل حصري على الإشعاعات الكهرومغناطيسية كالضوء والأشعة السينية وموجات الراديو وغيرها. وبما أن موجات الجاذبية لا ترتبط بالإشعاع الكهرومغناطيسي، فقد فتح اكتشافها عام ٢٠١٥ نافذة جديدة أمام العلماء لدراسة الأجرام السماوية وفهم الكون ، لا سيما الظواهر الفلكية التي لا يراها علماء الفلك الكهرومغناطيسيون. علاوة على ذلك، وعلى عكس الإشعاع الكهرومغناطيسي، لا تتفاعل موجات الجاذبية مع المادة، وبالتالي تنتقل دون عوائق تقريبًا، حاملةً معلومات عن منشئها ومصدرها دون أي تشويه. ^(٣)

إن رصد موجات الخلفية الثقالية سيوسع نطاق الفرص المتاحة. بل قد يصبح من الممكن رصد الموجات الناتجة عن الانفجار العظيم، مما قد يساعدنا على فهم أصل الكون بشكل أفضل.

***

DOI: https://doi.org/10.29198/scieu/2101121

***

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  

***