تاریخچه امواج گرانشی

درك ما از گرانش، از معادلات نيوتن گرفته تا نسبيت عام انيشتين دچار تغييرات زيادي شده است. اين روزها با توجه به كشف امواج گرانشي، در این مقاله مفید و خواندنی مي خواهيم ببينيم درك و فهم ما از گرانش در طول قرون چگونه تكامل يافته است!!!

تاريخچه گرانش

1687 : گرانش نيوتني

آيزاك نيوتن،”اصول رياضي فلسفه طبيعي” را منتشرمي كند كه به طورجامع درمورد گرانش صحبت مي كند. ستاره شناسان از اين كتاب به عنوان جعبه ابزاري دقيق براي پيش بيني حركت سيارات استفاده كردند اما اين كار بدون ايراد نيز نبود. به عنوان نمونه مي توان از محاسبه مدار

دقيق سياره عطارد نام برد.

تمامی سیارات دارای حرکت تقدیمی هستند یعنی نزدیک ترین نقطه مدارشان با هر بار چرخش مقداری جابجا می شود که علت آن نیروی کشش سایر سیارات می باشد.

مشکلی که در مورد مدار عطارد وجود داشت این بود که مقدار حرکت تقدیمی آن با آنچه نظریه نیوتن پیش بینی کرده بود همخوانی نداشت. این اختلاف کوچک بود اما برای ستاره شناسان قابل صرف نظر نبود.

1859 : سیاره ولکان

برای توجیه رفتار عجیب عطارد، Urbain Le Verrier وجود سیاره ای دیده نشده به نام ولکان را مطرح کرد که از عطارد به خورشید نزدیک تر بود. او در ادامه بیان کرد که جاذبه ولکان بر روی مدار عطارد تاثیر می گذارد اما پس از چندین بار مشاهده اثری از ولکان یافت نشد.

1905 : نسبیت خاص

آلبرت انیشتین علم فیزیک را با نظریه نسبیت خاص خود کاملا متحول کرد. او سپس شروع به وارد کردن جاذبه در معادلات خود کرد که منجر به موفقیت بعدی وی شد.

1907 : انیشتین انتقال به سرخ گرانشی(Gravitational Redshift) را پیشبینی می کند

چیزی که ما، امروزه آن را انتقال به سرخ گرانشی می نامیم اولین بار توسط انیشتین و با استفاده از افکارش برای ایجاد نظریه نسبیت عام مطرح شد.

او پیش بینی کرد طول موج نوری که از اتم هایی که در یک میدان گرانشی قوی قرار دارند ساطع می شود با دور شدنشان از نیروی گرانشی، طولانی تر خواهد شد. طول موج های بیشتر نیز فوتون ها را به سمت قسمت قرمز رنگ طیف امواج الکترو مغناطیسی انتقال می دهد.

1915 : نسبیت عام

آلبرت انیشتین نظریه نسبیت عام را منتشر می کند. اولین موفقیت بزرگ آن پیشبینی دقیق مدار عطارد به همراه حرکت تقدیمی مرموز آن بود.

این نظریه همچنین وجود سیاهچاله ها و امواج گرانشی را پیشبینی می کند اگرچه خود انیشتین اغلب در درک آن ها با مشکل روبرو بود.

1917 : انیشتین گسیل تحریکی(Stimulated Emission) را به صورت نظریه در می آورد.

در 1917، انیشتین مقاله ای در مورد نظریه کوانتومی تابش منتشر می کند که در آن بیان می کند که گسیل تحریکی امکان پذیر است.

او سپس بیان کرد که یک اتم برانگیخته با آزادسازی انرژی به صورت فوتون می تواند به حالتی با انرژی پایین تر برسد که به این فرآیند گسیل خودبخودی می گویند.

در گسیل تحریکی، یک فوتون با یک اتم برانگیخته برخورد کرده و باعث می شود تا اتم به حالتی با انرژی پایین تر منتقل شود که باعث آزادسازی فوتون هایی هم فاز و هم جهت و هم فرکانس با فوتون برخوردکننده می شود. این فرآیند بعدها منجر به تولید لیزر شد.

1918 : پیشبینی پدیده Frame Dragging

Josef Lense و Hans Thirring نظریه ای در مورد این که چرخش اجسام بسیار بزرگ در فضا باعث کشیده شدن فضا-زمان در اطرافشان می شود ارائه دادند.

1919 : اولین مشاهده پدیده همگرایی گرانشی

همگرایی گرانشی در واقع خمیده شدن نور در اطراف اجسام بسیار بزرگ نظیر یک سیاهچاله است که به ما اجازه می دهد تا اجسامی که پشت آن قرار دارند را ببینیم. در طول خورشید گرفتگی کامل ماه مِی 1919 مشاهده شد که ستاره های اطراف خورشید از جای اصلیشان جابجا شده اند. این به این معنی بود که نور در اثر جرم خورشید دچار خمیدگی شده بود.

1925 : اولین اندازه گیری انتقال به سرخ گرانشی

Walter Sydney Adams نور ساطع شده از سطح ستاره های عظیم الجثه را بررسی کرد و مطابق پیشبینی انیشتین پی به وجود پدیده انتقال به سرخ برد.

1937 : پیشبینی همگرایی گرانشی کهکشانی

ستاره شناس سوییسی Fritz Zwicky اعلام کرد که کل کهکشان ممکن است به عنوان یک عدسی گرانشی عمل کند.

1959 : تایید وجود انتقال به سرخ گرانشی

این نظریه به طور کامل توسط Robert Pound و Glen Rebka مورد آزمایش قرار گرفت که این کار با اندازه گیری انتقال به سرخ نسبی دو منبع در بالا و پایین برج آزمایشگاه دانشگاه هاروارد انجام شد. این آزمایش تغییرات کوچک مقدار انرژی، همزمان با انتقال فوتون ها از بالا به پایین برج را به صورت کاملا دقیق اندازه گیری کرد.

1960 : اختراع لیزر با استفاده از گسیل تحریکی

Theodore H. Maiman، فیزیکدانی در مرکز تحقیقات Hughes در کالیفرنیا اولین لیزر را می سازد.

دهه 1960: اولین مدرک ناشی از وجود سیاهچاله ها

دهه 1960 آغاز تولد دوباره نظریه نسبیت عام بود و کشف کهکشان هایی که تحت تاثیر نیروی کشش شدید سیاهچاله هایی که در مرکز آن ها قرار داشت در این دوران به وقوع پیوست.

امروزه مدارکی مبنی بر وجود سیاهچاله های بسیار بزرگ در قلب تمامی کهکشان های بزرگ و همچنین سیاهچاله های کوچکتر که در بین ستاره ها می گردند، در دست می باشد.

1966 : اولین مشاهده تاخیر زمانی گرانشی

متخصص فیزیک نجومی آمریکایی، Irwin Shapiro بیان کرد که اگر نسبیت عام درست باشد، امواج رادیویی که در داخل منظومه شمسی در حال حرکت هستند در اثر جاذبه خورشید کند خواهند شد.

این اثر بین سال های 1966-1967 با تاباندن پرتو های رادار به سطح سیاره زهره و اندازه گیری زمان بازگشت آن ها به زمین مشاهده شد. تاخیر زمانی اندازه گیری شده با نظریه انیشتین مطابقت کامل داشت.

ما امروزه از تاخیر های زمانی در مقیاس کیهانی استفاده می کنیم و با بررسی اختلاف زمان نورهای مشاهده شده بین تصاویر دارای همگرایی گرانشی می توانیم مقدار انبساط جهان را اندازه گیری کنیم.

1969 : کشف دروغین امواج گرانشی

فیزیکدان آمریکایی، Joseph Weber مدعی شد که اولین بار امواج گرانشی را به صورت آزمایشگاهی کشف کرده است. نتایج آزمایش های او هیچ گاه تکرار نشد.

1974 : مدارکی غیرمستقیم برای وجود امواج گرانشی

Joseph Taylor و Russell Hulse نوعی تپ اختر(pulsar) جدید را کشف می کنند: تپ اختر دوتایی

اندازه گیری مقدار افت مداری این “تپ اخترها” نشان داد که آن ها درست به همان اندازه که نسبیت عام پیش بینی کرده بود انرژی از دست می دهند. این دو دانشمند به خاطر این کشف جایزه نوبل فیزیک سال 93 را دریافت کردند.

1979 : اولین مشاهده همگرایی گرانشی کهکشانی

اولین همگرایی گرانشی کهکشانی وقتی کشف شد که Dennis Walsh, Bob Carswell و Ray Weymann دو اختروش مشابه هم را مشاهده کردند اما مشخص شد که در واقع این تصویر یک اختروش بوده که به صورت دو تصویر مجزا در آمده بود.

از دهه 1980 به بعد، از همگرایی گرانشی به عنوان ابزاری قدرتمند برای بررسی نحوه توزیع جرم در کیهان استفاده می شود.

1979 : LIGO بودجه دریافت می کند

موسسه ملی علوم آمریکا بودجه ساخت رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) را تصویب می کند.

1987 : تشخیص اشتباه دیگری برای امواج گرانشی

یک اخطار اشتباه دیگر برای تشخیص مستقیم امواج گرانشی بازهم توسط Joseph Weber اعلام شد که ادعا می کرد به وسیله آزمایش های کاوندیش سیگنالی از سوپرنوا SN 1987A به دست آورده است. در این آزمایش میله های بزرگ آلومینیومی به گونه ای طراحی شده بود که به هنگام عبور یک موج گرانشی از آن، بلرزد.

1994 : ساخت LIGO آغاز می شود

این کار مدت بسیار زیادی طول کشید اما سرانجام کار ساخت LIGO در واشنگتن و لوییزیانا آغاز شد.

در آگوست سال 2002 ، LIGO شروع به جستجو برای یافتن مدارکی به منظور اثبات وجود امواج گرانشی می کند.

2004 : کاوشگری برای Frame Dragging

ناسا کاوشگر Gravity Probe Bرا به منظور اندازه گیری مقدار خمیده شدن فضا-زمان در اطراف زمین به فضا پرتاب می کند. این کاوشگر دارای ژیروسکوپ هایی بود که به علت وجود فضا-زمان در اطرافشان با گذر زمان مقدار کمی می چرخیدند.این چرخش در اطراف اجسامی که

فضا–زمان را با خود می کشند بسیار بیشتراست.

ژیروسکوپ های موجود در کاوشگر، به مقداری که با نظریه نسبیت عام انیشتین سازگار بود،چرخش داشتند.

2005 : جستجوی LIGO به پایان می رسد

بعد از 5 جستجو، فاز اول LIGO بدون کشف وجود امواج گرانشی به پایان می رسد. در این مرحله، بر روی سنسور ها تغییراتی اعمال می شود تا حساسیت بیشتری داشته باشند که به آن LIGO بهبود یافته نیز گفته می شود.

2009 :

نسخه بهبود یافته LIGO جستجوی جدید خود به دنبال امواج گرانشی را آغاز می کند.

2010 : ماموریت LIGO بهبود یافته به پایان می رسد.

LIGO بهبود یافته نمی تواند اثری از امواج گرانشی بیابد و ساخت نسخه بسیار کامل تری به نام LIGO پیشرفته آغاز می شود.

2014 : ارتقا LIGO پیشرفته به پایان می رسد.

نصب و امتحان LIGO پیشرفته جدید به پایان می رسد و تقریبا آماده شروع جستجویی جدید است.

2015 : تشخیص اشتباه شماره 3 برای امواج گرانشی

اثر غیر مستقیم امواج گرانشی در زمان های اولیه ایجاد کیهان، توسط آزمایش BICEP2 که به بررسی تابش زمینه کیهانی می پرداخت تشخیص داده شد اما مشخص شد این اثراث ناشی از غبار موجود در کهکشان خودمان بوده است.

2015 : LIGO بار دیگر ارتقا داده می شود

LIGO پیشرفته ماموریت جدیدی برای یافتن امواج گرانشی آغاز می کند که در آن حساسیت سنسور ها حدود چهار برابر LIGO اولیه است. در ماه سپتامبر، LIGO سیگنالی را تشخیص می دهدکه به نظر می آید ناشی از برخورد دو سیاهچاله با هم باشد.

2016 : کشف امواج گرانشی تایید می شود

پس از چندین مرحله بررسی دوباره، تیم LIGO اعلام می کند که امواج گرانشی را کشف کرده است.

منبع: Iflscience