ماذا تكشف المئات من أحداث موجات الجاذبية عن الكون؟

إن الطفرة في موجات الجاذبية تترك لدى العلماء أسئلة أكثر من الإجابات

بواسطة ك ر كالاواي حرره لي بيلينغز

تحيط بنا سيمفونية كونية صاخبة؛ تخرج ملاحظاته من أجرام سماوية ضخمة تتصادم معًا على بعد مئات الملايين أو حتى مليارات السنين الضوئية. لكن العلماء لم يتناغموا مع موسيقى الأفلاك هذه إلا منذ حوالي عقد من الزمن، وذلك بفضل المراصد المتطورة التي تم تصميمها خصيصًا لالتقاط هذه الأصداء – موجات الجاذبية – التي تموج دون أن يلاحظها أحد عبر نسيج الزمكان. ومع كل نغمة جديدة، تصبح السيمفونية أكثر تعقيدًا، وربما أكثر إرباكًا في الوقت الحالي.

منذ أن أعلن علماء الفلك عن أول اكتشاف لموجات الجاذبية في عام 2016، قاموا بضبط أجهزة الكشف الخاصة بهم بعناية لالتقاط المزيد من عمليات الاندماج. واليوم، تتحد أربع مرافق لتشكل شبكة عالمية من المراصد – وهي على وجه التحديد، محطتي مرصد قياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) في الولايات المتحدة، ومحطتي Virgo وكاشف موجات الجاذبية Kamioka (KAGRA) المنفردتين في إيطاليا واليابان، على التوالي. أثبت التعاون بين LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) نجاحه بشكل خاص في السنوات القليلة الماضية؛ أسفرت فترة المراقبة الرابعة للشبكة عن اكتشافات لموجات الجاذبية أكثر من الثلاث السابقة مجتمعة. يصل إجمالي عدد الأحداث المرشحة التي تمت ملاحظتها إلى 218، وفقًا للكتالوج الذي صدر في وقت سابق من هذا الشهر.

يقول جاك هاينزيل، عضو تعاون LVK وطالب دكتوراه في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “إننا نتعلم الكثير من الأشياء النوعية والظاهرية من الكتالوج”. ويضيف: “إن البدء في رؤية ظهور كل هذه الهياكل المختلفة أمر رائع للغاية”.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

الباحثون متحمسون لموجات الجاذبية لأن تموجات الزمكان هذه تشكل طريقة جديدة تمامًا لدراسة الكون، بشكل مستقل عن الإشعاع الكهرومغناطيسي (الضوء) الذي تعتمد عليه معظم الملاحظات الفلكية الأخرى. تتدفق موجات الجاذبية من القلوب التي يتعذر الوصول إليها للنجوم المنهارة ومن التموجات الزمكانية المضطربة الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، وتوفر رؤى عميقة وأساسية حول هذه الأنظمة الفيزيائية الفلكية البعيدة التي لا تتوفر بأي طريقة أخرى. لكن تحليل موجات الجاذبية الناتجة عن هذه الأحداث لا يزال يترك للباحثين أسئلة أكثر من الإجابات.

تعد الموجات الناتجة عن اندماج أزواج من الثقوب السوداء، على وجه الخصوص، بمثابة وليمة للمنظرين المتعطشين للبيانات. ومن خلال تحديد دورات ومدارات وكتل الثقوب السوداء السلفية من خلال موجات الجاذبية المنبعثة منها، يمكن للباحثين أن يفهموا بشكل أفضل كيف تشكلت الثقوب السوداء في المقام الأول، وكيف تطورت هي والكون من حولها لاحقًا. يُعتقد أن معظم الثقوب السوداء المندمجة التي رصدها LVK قد ولدت من خلال موت النجوم الضخمة.

يقول إيليا ماندل، عالم الفيزياء الفلكية النظرية بجامعة موناش في أستراليا: «إن الفيزياء الفلكية لموجات الجاذبية تشبه تقريبًا علم الحفريات». “الثقوب السوداء هي حفريات النجوم الضخمة. يمكننا إرجاع الساعة واستخدام ذلك لمعرفة شيء عن كيفية عيش النجوم.”

يتضمن كتالوج الملاحظات الآن العديد من أحداث موجات الجاذبية “النموذجية” – اصطدامات عالية الطاقة بين ثقبين أسودين لهما نفس الكتلة تقريبًا – بالإضافة إلى موجات ناجمة عن عمليات اندماج غير عادية.

تتضمن بعض أحدث إصدارات الكتالوج GW231123، الناجم عن اصطدام ثقبين أسودين ثقيلين بشكل غير طبيعي بكتلة نهائية تبلغ حوالي 225 مرة كتلة شمسنا؛ GW231028، وهو اندماج ثقبين أسودين يدور كل منهما بسرعة 40 بالمائة تقريبًا من سرعة الضوء؛ وGW241011 وGW241110، ويبدو أن كل منهما قد نشأ من عمليات اندماج حيث كانت الثقوب السوداء السلفية غير متطابقة إلى حد كبير في الكتلة وفي محاذاة مداراتها ودوراتها. تشير جميع هذه الأحداث إلى عمليات تشكيل معقدة تشكلت فيها الثقوب السوداء نفسها من خلال عمليات اندماج متعددة سابقة.

ومع ذلك، وعلى الرغم من كل هذه البيانات، يقول الباحثون إن مجال علم فلك موجات الجاذبية وصل إلى مرحلة يوفر فيها طوفان الاكتشافات المزيد من الاحتمالات الجديدة بدلاً من استبعاد الاحتمالات القديمة.

يقول سلفاتوري فيتالي، عضو تعاون LVK والفيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “هناك أدلة، لكنها ليست دليلًا دامغًا على الإطلاق. إن الفيزياء الفلكية فوضوية حقًا، ولذلك اتضح أن هناك عدة طرق يمكنك من خلالها إنشاء هذه الميزات”.

لا يزال الباحثون لم يحددوا النطاق الكامل للأجرام السماوية التي يمكن أن يؤدي اندماجها إلى إنتاج موجات جاذبية يمكن اكتشافها بواسطة LVK. كما أنهم لم يتوصلوا إلى إجماع حول الأسباب التي تسبب بعض الميزات الفريدة في الثقوب السوداء غير النمطية، وإلى أي مدى يمكن لأي مجموعة معينة من الموجات أن تكشف عن محيطها الكوني المباشر.

يشير فيتالي إلى أن فهم التكوين المعقد لموجات الجاذبية هو “مشكلة صعبة للغاية في جوهرها”، لكن المزيد من الملاحظات يجب أن توفر في النهاية الإجابات التي يحتاجها العلماء. تتمثل العقبة الرئيسية في وتيرة الاكتشاف، التي تتزايد ولكنها لا تزال معوقة بسبب الحساسية المحدودة لشبكة LVK وحقيقة أن الشبكة لديها فترات طويلة ومخطط لها مسبقًا دون الاتصال بالإنترنت للصيانة والتحديث.

إن كل من LIGO، وVirgo، وKAGRA كلها مراصد كبيرة على شكل حرف L، حيث يتكون كل ذراع من أذرع “L” من أنبوب مفرغ يبلغ طوله كيلومترًا، معزولًا ضد مصادر الضوضاء البيئية، مثل الزلازل، فضلًا عن الأمواج المتلاطمة على الشواطئ، ومرور الشاحنات على الطرق السريعة في محيطها الجغرافي. يتم دمج أشعة الليزر التي تعبر كل ذراع وترتد بين المرايا في الأطراف معًا لتكشف عن اختلافات طفيفة للغاية في أوقات سفرها، والتي يمكن إنتاجها عندما يتمدد الزمكان وينكمش بسبب مرور موجة الجاذبية.

إن توسيع الكتالوج من خلال العثور على موجات جاذبية أضعف بكثير من مصادر أبعد أو أقل طاقة قد يكون أبعد من قدرات شبكة LVK المحسنة بالكامل. إن التقاط ألحان جديدة في هذه السيمفونية السماوية – مثل موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء الهائلة، أو الخلفية الكونية لموجات الجاذبية البدائية التي تم إنتاجها بعد وقت قصير من الانفجار الأعظم – من المحتمل أن يتطلب بناء “آذان” أكبر وأفضل.

يقول أروشي بوداس، الذي وضع نظريات حول موجات الجاذبية البدائية كطالب دكتوراه في الفيزياء في جامعة ميريلاند: “إذا كنت تريد رؤية إشارات أصغر، فستحتاج أولاً إلى تجربة أكثر تعقيدًا ذات ضوضاء منخفضة جدًا”. “يتصور بعض الناس نسخًا أكبر من مرصد LIGO، بشكل أساسي…، أو أن هناك فكرة لوضع (مرصد) فعليًا في الفضاء”.

يقول الباحثون إن مثل هذه المراصد واسعة النطاق من المحتمل أن تظل موجودة لسنوات عديدة في المستقبل. وفي غضون ذلك، يأملون في تجميع المزيد من ألغاز موجات الجاذبية من خلال تحليل أعمق للبيانات الموجودة، وقريبًا باستخدام بيانات من فترة المراقبة التالية، المقرر أن تبدأ في وقت لاحق من هذا العام.

يقول فيتالي: “إنه حقًا مثل عمل المحقق، حيث تبحث عن كل القرائن التي يمكنك العثور عليها وتحاول معرفة ما إذا كانت تشير إلى اتجاه واحد بدلاً من الآخر”. “سيكون هناك تقدم. وربما سيكون أبطأ مما تصوره الناس قبل 10 سنوات، ولكن هذا أمر جيد. ويعني أن هناك عملاً يتعين القيام به”.