إعادة اكتشاف موجات الجاذبية.. طريقة جديدة تكشف عن أسرار غامضة في الكون | علوم

تنبأت نظرية النسبية العامة لأينشتاين بوجود موجات الجاذبية في نسيج الزمكان عام 1916، غير أنها لم ترصد عمليا حتى عام 2015. فهل نتمكن من التأكيد على وجودها أو رصد آثار جديدة لها؟

أعلن مرصد “نانوغراف” (NANOGrav) -يوم الخميس 29 يونيو/حزيران، الساعة 13:00 بتوقيت الساحل الشرقي للولايات المتحدة (غرينتش -4)- عن تمكن العلماء من اكتشاف أدلة على وجود موجات للجاذبية تتذبذب بمعدلات تتراوح بين سنوات وعقود.

وموجات الجاذبية، المعروفة أيضا باسم الموجات الثقالية، هي تموجات في نسيج الزمان-المكان (الزمكان) تنتج عن وجود جسم ذي كتلة ومتسارع في الفضاء. ووفقا لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين، يؤدي وجود هذا الجسم إلى تشويه الزمكان من حوله، مما ينتج عنه هذه التموجات.

موجات جاذبية أقوى وأطول

واليوم، تعود موجات الجاذبية إلى السطح من جديد بعد أن أعلن مرصد “نانوغراف” عن اكتشافها مجددا باستخدام تقنية مختلفة تماما.

وتتبع هذه الطريقة التغيرات في المسافات بين الأرض والنجوم المراقَبة الموجودة في المجرات المجاورة، وتعرف باسم النجوم النابضة. وتكشف هذه الطريقة الجديدة عن الكيفية التي يتمدد ويضغط بها الفضاء نتيجة لعبور موجات الجاذبية خلاله.

وتتميز هذه الموجات المكتشفة حديثا بقوتها وطولها الأكبر ألف مرة من تلك التي تم اكتشافها في عام 2015. إذ إن أطوالها الموجية تصل إلى عشرات السنين الضوئية، وذلك على النقيض من الموجات المكتشفة عام 2015 التي لا تتجاوز العشرات أو المئات من الكيلومترات.

وطبقا للبيان الصحفي الذي نشره مرصد “نانوغراف”، فقد لوحظت إشارات موجات الجاذبية تلك في بيانات جمعها المرصد على مدى 15 عاما، وشملت تعاونا ضخما ضم تلسكوبات من أوروبا والهند وأستراليا والصين، والتي أفاد كل منها -بشكل مستقل- عن رصد تلك الموجات.

“وبالنجم هم يهتدون”

يقول الدكتور ستيفن تايلور من جامعة “فاندربيلت” (Vanderbilt University)، الذي شارك في قيادة البحث، وهو الرئيس الحالي للتعاون “تعد هذه النتائج أدلة رئيسة على وجود موجات جاذبية ذات ترددات منخفضة جدا”.

على نقيض موجات الجاذبية عالية التردد التي استطاع مرصد “ليغو” رصدها عام 2015 بسهولة، يمكن فقط رصد الموجات المنخفضة التردد باستخدام مراصد كشف أكبر بكثير من الأرض. وإعمالا لذلك، حوّل العلماء مجرة درب التبانة إلى هوائي ضخم يمكنه استشعار موجات الجاذبية، وذلك عن طريق استخدام نجوم غريبة تسمى النجوم النابضة (Pulsars).

وجمعت جهود مرصد “نانوغراف” خلال 15 عاما بيانات من 68 نجما نابضا لتشكيل نوع من أنواع الكاشفات تعرف باسم “مصفوفة توقيت النجوم النابضة” (A pulsar timing array).

والنجم النابض هو بقايا مكثفة جدا لنواة نجم ضخم بعد انفجاره كمستعر أعظم (سوبرنوفا). وتدور النجوم النابضة بسرعة عالية، مما يجعلها تكنس أشعة الراديو في الفضاء ولذا تبدو “نابضة” عند رؤيتها من الأرض.

ومن أسرع النجوم النابضة تلك المعروفة باسم “نابضات الميللي ثانية” (Millisecond pulsars)، وتدور مئات المرات في الثانية الواحدة، ولها نبضات مستقرة جدا، مما يجعلها مفيدة جدا كساعات دقيقة للتوقيت الكوني.

ساعات كونية دقيقة

الجدير بالذكر أن نظرية النسبية العامة لأينشتاين تتنبأ بدقة بالكيفية التي تؤثر بها موجات الجاذبية على إشارات النجوم النابضة. إذ تؤثر موجات الجاذبية على توقيت كل نبضة بطريقة صغيرة وقابلة للتنبؤ، حيث تؤخر بعض النبضات وتقدم الأخرى، وذلك من خلال ما تحدثه من تموج (تمدد وانضغاط) في الفضاء.

وتؤثر تلك التغيرات على أزواج النجوم النابضة بطريقة تُرى في الكيفية التي يبعد (يترابط) بها نجمي كل زوج من النجوم النابضة في الفضاء.

ومكنت الاكتشافات الحديثة لمرصد “نانوغراف” العلماء من التأكيد على نمط ترابط أزواج النجوم النابضة الذي تنبأت به النسبية العامة. كما مكنت العلماء من اكتشاف أول دليل على وجود موجات للجاذبية ذات فترات تتراوح بين سنوات وعقود.

وتعتبر أزواج الثقوب السوداء فائقة الضخامة أحد المصادر المحتملة لموجات الجاذبية المكتشفة حديثا. إذ تصل كتلة تلك الثقوب إلى ملايين أو مليارات أضعاف كتلة شمسنا. وعندما تدور تلك الثقوب السوداء الهائلة حول بعضها البعض، فإنها تنتج موجات جاذبية ذات تردد منخفض.

ويعتقد أن الثقوب السوداء فائقة الضخامة تقع في مراكز أكبر المجرات في الكون. فعندما تندمج مجرتان تنتقل الثقوب السوداء من مركز كل منهما وتدور حول بعضها البعض كنظام ثنائي حتى تتحد عند مركز المجرة الجديدة المتكونة.

موجات فائقة الضخامة

في الوقت نفسه، تتسبب هذه الحركة البطيئة في تشويه (تمدد وانضغاط) نسيج الزمكان، مما يولد موجات جاذبية تنتشر بعيدا عن المجرة الأصلية، تماما مثل انتشار موجات المياه على سطح بركة الماء. ومن ثم تصل تلك الموجات في نهاية المطاف إلى مجرتنا.

وتؤثر موجات الجاذبية الناتجة عن مثل تلك الثنائيات الضخمة على نسق نبضات النجوم النابضة، مما ينتج عنه ضجيج ذي طابع فريد، ظل العلماء يبحثون عنه لما يقرب من 20 عاما.

وفي هذا الصدد يقول لوك كيلي من جامعة كاليفورنيا في بيركلي ورئيس مجموعة الفلك في مرصد نانوغراف “لفترة ما، كان العلماء يعتقدون أن الثقوب السوداء فائقة الضخامة في مثل تلك الثنائيات تدور حول بعضها البعض إلى الأبد، دون أن تقترب من بعضها حتى تولد إشارة كتلك التي رصدناها”.

ويختتم قائلا: “اليوم أصبح لدينا دليل دامغ على وجود مثل تلك الثنائيات الضخمة والقريبة. وعندما يصبح ثقبان أسودان على درجة كافية من القرب، لا شيء يمنعهما من الاندماج في غضون بضعة ملايين من السنين”.