دانشمندان به تشخیص امواج گرانشی در فضا یک گام نزدیک‌تر شدند

آژانس فضایی اروپا موفق به محک زدن فناوری مورد نیاز برای ساخت کاوشگرانی شده است که می‎توانند امواج گرانشی در فضا را کشف کنند. این کار توسط فضاپیمای مأموریتی LISA Pathfinder صورت گرفته است، فضاپیمای ساخته شده توسط تیمی از آژانس فضایی اروپا که سعی در اثبات این داشته که یک فضاپیمای کشف کننده‎ی امواج می‎تواند واقعاً عملکردی در این زمینه داشته باشد. این تیم ماموریتی اعلام کرده که فناوری که آن‎ها محک زده‎اند فراتر از “خوش بینانه‎ترین انتظارات” آن‎ها بوده است.

کشف امواج گرانشی که در زمان – فضا جریانی به شکل موجی دارند که ناشی شده از حرکت اجسام در عالم موجود است، فرآیند بسیار سختی بوده که شامل اندازه‎گیری متغیرهای کوچکی در موقعیت‎های اجسام می‎شود. انجام این اندازه‎گیری‎ها از روی زمین بسیار کاری سخت و غیر دقیقی خواهد بود، چون زمین محیطی بسیار شلوغ و مملو از ارتعاشات و حرکات اضافی است که در نتایج اختلال ایجاد می‎کنند. به همین دلیل دانشمندان می‎خواهند امر کشف موج گرانشی را به فضا انتقال دهند، محلی که به منظور کنترل وجود نیروهای بسیار کمتری به چشم می‎خورد. ولی ساخت امکانات لازم برای این کار همچنان بسیار پیچیده است.

به منظور محک زدن فناوری مورد نیاز برای بررسی این نیروها در محیط فضا، تیم سفینه‎ی فضایی LISA Pathfinder یک سفینه‎ی آزمایشی کوچک‎تر ساخت که در سپتامبر سال 2015 روانه‎ی فضا شد. هدف اصلی مشاهده‎ی این بود که آیا دو جسم درون سفینه در یک حالت پایدار سقوط آزاد می‎توانند باقی بمانند یا خیر. دائماً حالت سقوط آزاد را داشتن به معنای این است که اجسام باید کاملاً بدون حرکت باقی بمانند، یعنی آن‎‎ها حتی نمی‎توانند سفینه را لمس کنند. دانشمندان آژانس فضایی اروپا (ESA) نشان دادند که آن‎ها قابلیت ایجاد این حالت سقوط آزاد را دارند و طبق تحقیق تازه‎ای که در وب‎سایت Physical Review Letters منتشر شده است، آن‎ها هم‎چنین توانستند به شکل بارزی تمامی نیروهای بیرونی روی اجسام درون سفینه را کاهش دهند.

حالا سؤالی که اینجا مطرح می‎شود این است که چرا این موضوع سقوط آزاد دائمی باید اهمیت داشته باشد؟ خوب، دلیل آن به این بر می‎گردد که این موضوع با چگونگی برپایی آشکارساز‎های موج‎های فضایی ارتباط دارد. در نهایت، ESA می‎خواهد سه کاوشگر به فضا ارسال کند که موقعیت خودشان را به حالت یک مثلث در فضا در آورند، به نحوی که هر کاوش‎گر صدها هزار مایل از آن دوتای دیگر باشد. هر کاوشگر به آرامی حول اجسام تست خود بدون آشفته‎سازی آن‎ها پرواز خواهد کرد. این اجسام یک جفت مکعب 1.8 اینچی مشابه ساخته شده از آلیاژ طلا- پلاتینیوم خواهد بود. حرکات ریز این مکعب‎ها نسبت به سفینه می‎تواند مشخص کند که آیا موج گرانشی عبور کرده است یا خیر.

به منظور کار کردن این سیستم باید این مکعب‎ها در حالت سقوط آزاد دائمی باقی بمانند. به این طریق، موقعیت آن‎ها تنها تحت تأثیر امواج گرانشی قرار خواهد گرفت. برای همین است که این مکعب‎ها نمی‎توانند سفینه‎ی فضایی حامل خود را لمس کنند، چون این کاوشگران (سفینه‎ها) بایستی در اطراف مکعب‎ها شناور باشند. به منظور انجام این کار، هر سفینه مجهز به دو میکرو تراستر خواهد بود، یا موتورهای بسیار کوچکی که بتوانند کمک به تنظیم موقعیت کاوشگران کنند تا این اطمینان به وجود آید که مکعب‎ها لمس نشده باقی می‎مانند. سفینه‏‎های فضایی مورد نظر هم‎چنین مسئولیت اضافه‎ای مبنی بر محافظت از مکعب‎ها در برابر نیروهای خارجی، چیزهای کوچکی نظیر مولکول‎های گاز یا حتی اشعه‎های کیهانی، خواهند داشت که می‎توانند بر روی موقعیت این مکعب‎های طلایی تأثیرگذار باشند، ولی این سفینه‎ها ابزار متفاوتی دارند که می‎توانند به منظور تخفیف کردن اثر این نیروها به کار گیرند.

تمامی این‎ها باعث می‎شود که ساخت این فضاپیما بسیار پیچیده و مشکل باشد، به همین دلیل سفینه‎ی LISA Pathfinder mission ساخته شده تا بررسی شود که حتی اصلاً امکان ساختن چنین کاوشگری وجود دارد یا نه. ولی پس از آنالیز سفینه‎ی تست در آزمایشگاه، این فناوری حتی فراتر از انتظار عمل کرد. این تیم قادر به کاهش نیروهای خارجی روی مکعب‎ها بیشتر از چیزی که نیاز داشتند، بودند. پائول مک‎نامارا، دانشمندی از تیم LISA Pathfinder در اظهارنظری گفته است “اندازه‎گیری‎ها فراتر از خوش‎بینانه‎ترین انتظارات ما بوده است. ما به سطحی از دقت رسیده‎ایم که برای LISA Pathfinder از همان روز اول نیاز بوده است، و بنابراین ما هفته‎های بعدی را صرف افزایش نتیجه‎گیری به میزان 5 برابر کردیم.”

وجود یک رصدخانه مبتنی در فضا می‎تواند به ما کمک کند که حتی مشاهدات بیشتری از امواج گرانشی داشته باشیم. تا به الآن، ما تنها سعی کرده‎ایم که از زمین آن‎ها را اندازه بگیریم که شامل کشف امواج از رویدادهای عظیم و بسیار متحول‎کننده‎ای می‎شود که تا یک میلیارد سال نوری با ما فاصله دارند. اجسام فوق‎العاده بزرگی که با سرعت‎های فوق‎العاده بالا در حال حرکت هستند، نظیر شکل‎گیری سیاه‎چاله‎ها یا ریزش ستاره‎های نوترونی که بی‎نهایت امواج با فرکانس بالایی تولید می‎کنند که امکان کشف آن‎ها از زمین وجود دارد. ولی این امواج تا زمان رسیدن به سیاره‎ی ما بسیار ضعیف شده و بنابراین کشف آن‎ها مشکل می‎شود. به همین خاطر است که تقریباً یک قرن برای دانشمندان طول کشیده تا به شکل مستقیمی امواج گرانشی را اندازه بگیرند. بهمن‌ماه سال گذشته بود که آزمایشگاه LIGO- رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری- اعلام کرد که آن‎ها برای اولین بار امواج گرانشی را کشف کرده‎اند.

ولی یک کاشف مبتنی بر فضا به نسبت LIGO می‎تواند ناحیه‎ی وسیع‎تری از فضا را تحت پوشش قرار دهد؛ یعنی قادر به ثبت امواج دریافتی از سوی اجسام دارای سرعت آهسته است، چیزی که واقعاً بر روی زمین امکان انجام آن وجود ندارد.