طلوع عصری تازه در نجوم: امواج گرانشی حاصل از برخورد دو ستاره نوترونی

دانشمندان همه منتظر چنین لحظه‌ای بودند. امواج گرانشی حاصل از برخورد دو ستاره نوترونی٬ ستاره‌های فروپاشیده از مرگ ستارگان٬ آشکارسازی شدند.

حدود ۱۳۰ میلیون سال پیش در کهکشانی خیلی خیلی دور٬ هسته‌‌های جهنمی دو ستاره فروپاشیده به هم برخورد کردند. در انفجار بزرگی که بعد از آن رخ داد٬ رگباری از امواج گاما در فضا منتشر و تار و پود جهان دستخوش امواج شد.

در روز ۲۶ مردادماه امسال این سیگنال‌ها به زمین رسیدند. عصری تازه در نجوم متولد شد.

این برخورد نواختری موسوم به کیلو نوا (در مقابل سوپر نوا که حاصل از مرگ ستاره‌های بزرگ است) به وجود آورد. پدیده منحصر بفردی در ستاره‌شناسی که منجمان تا به حال موفق به رصد آن نشده بوند. این برخورد اولین اتفاق کیهانی را رقم زد که در آن هم تلسکوپ‌های سنتی و هم آشکارساز‌های امواج گرانشی همزمان شاهد آن بودند. تلسکوپ‌های سنتی آشکارسازهای امواج الکترمغناطیسی هستند که اشعه گاما نیز جزئی از آن به حساب می‌آید. آشکارسازهای گرانشی چین و چروک‌های تولید شده توسط اتفاقات عظیم کیهانی را در بافت فضازمان شکار می‌کنند. این کشف که هزاران محقق و دانشمند از ۷۰ موسسه تحقیقاتی و آزمایشگاه و رصدخانه در تمام قاره‌های دنیا در آن سهیم بودند٬ طلیعه عصر نوینی در علوم فضایی بود. عصری که باید به آن نجوم چند رسانه‌ای بگوییم.

جولی مک‌انری٬ منجم مرکز پروازهای گودارد ناسا در گرین بلت  است. وی که در این تلاش علمی دخیل بوده٬ می‌گوید. «در آستانه تغییر و تحولی بزرگ قرار گرفته‌ایم. عصر نجوم امواج گرانشی تازه طلوع کرده و اینک با این کشف به سن بلوغ رسیده است … ما قادر هستیم روش‌‌هایی را که به نحو دراماتیکی از هم متمایز هستند با هم تلفیق کنیم. از امروز درک ما از جهان اطراف به صورت جهشی پیشرفت خواهد کرد.»

یک قرن قبل٬ فرضیه وجود امواج گرانشی توسط آلبرت انیشتین پایه گذاری شد. اما تا سال ۲۰۱۵ دانشمندان موفق به شکار چنین پدیده‌ای نشده بودند. در این سال امواج ناشی از برخورد دو سیاهچاله کشف شدند. این کشف توسط دو رصدخانه دوقلوی تداخل سنج لیزری امواج گرانشی یا لایگو مستقر در لوئیزیانا و ایالت واشنگتن رقم خورد. از آن روز تاکنون٬ سه برخورد سیاهچاله‌ای دیگر شناسایی شده و آشکارساز سوم امواج گرانشی نزدیک پیزای ایتالیا نیز به جمع خانواده علمی دنیا پیوسته است. با این امکانات تازه٬ حالا می‌توانیم تداخلات منتشره در تار و پود فضا را نقطه یابی و مکان‌سنجی نماییم. در همین ماه گذشته تیم لایگو جایزه نوبل فیزیک را به خاطر موفقیت‌های علمی‌شان از آن خود کردند.

رصد برخورد دو ستاره نوترونی طلیعه گر عصر تازه‌ای در نجوم است.

اما سیاه‌چاله‌ها هیچ نوری یا گرمایی از خود ساطع نمی‌کنند. به همین خاطر برخوردهای قبلی را فقط آشکارسازهای امواج گرانشی توانستند رصد کنند. تلسکوپ‌های معمولی فقط سیگنال‌هایی در طیف الکترومغناطیس را می‌توانند آشکارسازی کنند. این طیف شامل نور مرئی٬ امواج رادیوی٬ پرتوهای گاما و … می‌باشد. دانشمندانی که در لایگو و در رصدخانه مشابه آن در ویرگو مشغول تحقیق بودند٬ امیدوار بودند که بزودی امواج گرانشی حاصل از یک رویداد رویت شدنی را کشف نمایند. مثل برخورد دو ستاره دوگانه با یکدیگر که به کیلو نوا یا کیلونواختر مشهور است.

کیلو نوا‌ها انفجارهای درخشان و سریعی هستند که از برخورد و ادغام دو ستاره نوترونی با یکدیگر تولید می‌شوند. این ستارگان بازماندگانی از ستاره‌های فروپاشیده اند که تقریبا فقط از نوترون‌ها تشکیل شده‌اند. نوترون‌ها ذرات بدون بار هسته اتم هستند.

بنا به فرضیه‌های موجود٬ برخورد بین ستارگان نوترونی چیزی حدود ۱۰۰۰ برابر روشن‌تر از نوا‌های معمولی هستند. این رویدادها منبع اصلی تولید هسته‌های سنگین از جمله طلا٬ نقره و پلاتین می‌باشند. اما تا به امروز٬ کیلونواها تنها در تئوری وجود داشتند. سرنوشتی شبیه به امواج گرانشی. تا به حال دانشمندان موفق به رصد آن‌ها نشده بودند. همه چیز در تابستان امسال تغییر کرد.

در روز ۲۶ مردادماه٬ در ساعت ۸:۴۱ صبح وقت شرقی آمریکا٬ امواج گرانشی حاصل از این حادثه شگرف به آشکارساز ویرگو در ایتالیا رسیدند و ۲۲ میلی‌ثانیه بعد به آشکارساز لایگو در لیوینگزتون و بعد از سه میلی‌ثانیه این ریپل‌ها در هانفورد آشکار شدند.

لایگو٬ ادغام‌های سیاهچاله‌ای را به صورت سیگنال‌هایی با فرکانس افزاینده یا چیرپ آشکار می‌کرد. این سیگنال‌ها کسری از ثانیه به
طول می‌انجامیدند. اما این سیگنال در حدود ۱۰۰ ثانیه باقی ماند و فرکانس‌های بالاتری تولید کرد.

با توجه به اندازه کوچکتر سیگنال٬ محققین متوجه شدند که این پدیده شامل اجرامی کوچکتر از برخوردهای سیاه‌چاله ای است.

لورا کادوناتی در موسسه صنعتی جرجیا کار می‌کند و نماینده لایگو است. وی می‌گوید. «بعد از دیدن این سیگنال حسی به من گفت که وای… خوردیم به رگه اصلی طلا!

حدود ۱.۷ ثانیه بعد از آشکارسازی اولیه امواج گرانشی٬ تلسکوپ فضایی فرمی ناسا یک تابش خیلی کوتاه از اشعه گاما را در صورت فلکی هیدرا (مار باریک) ثبت کرد. نیم ساعت بعد٬  مک‌انری که دانشمند پروژه این تلسکوپ است ایمیلی از یکی از همکاران خود دریافت کرد. با این مضمون. «بیدار شو.»

مک‌انری خاطره خود را این طور تعریف می‌کند. «متن پیام این بود: این تابش گاما یک  همنشین جالب دارد…. کمربندهایت را سفت کن.»

تابش‌های گاما در زمره پرانرژی‌ترین اشکال نور در جهان هستند. دانشمندان از مدت‌‌ها قبل پیش‌بینی کرده‌اند یک تابش سریع از امواج گاما از ادغام دو ستاره نوترونی ناشی می‌شود. این برخوردهای سهمگین٬ فواره‌هایی از ماده رادیواکتیو را به فضا پرتاب می‌کنند. درست مثل این که یک نفر با کف دست خود روی یک تیوب خمیردندان که دو طرف آن باز شده بکوبد.

مک‌انر می‌گوید. «ما دیگر از اطرافمان چیز دیگری نمی‌فهمیدیم.»

دانشمندان به سرعت به تکاپو افتادند تا منبع این سیگنال را قبل از این که در این جهان یکسره منبسط شونده به طور کامل ناپدید شود ردیابی کنند. مارسل سوارز سانتوز یک منجم دانشگاه ماساچوست می‌گوید. «مثل این می‌ماند که در انبار کاه بخواهی دنبال یک سوزن بگردی. با این تفاوت که سوزن هی دارد کوچک و کوچک‌تر می‌شود و انبار کاه هم دارد حرکت می‌کند.»

نقشه‌ای که در آن همه‌ی رصدهایی که در این کشف دخیل بوده‌اند مشخص شده‌ اند.

نقاط زرد آشکارسازهای امواج گرانشی هستند. نقاط آبی بیانگر تلسکوپ‌های سنتی. (کال‌تک)

امواج گرانشی با سرعت نور حرکت می‌کنند. مک‌انری که دوشنبه (امروز) در یک کنفرانس خبری  صحبت می کرد گفت «اینشتین پیش‌بینی کرد که گرانش و فوتون‌ها همه با سرعت یکسان حرکت می‌کنند … این سیگنال‌ها با اختلاف دو ثانیه از یکدیگر ثبت شدند… این اتفاق اثبات کرد که پیش‌بینی انیشتین به طرز خیره‌کننده‌ای درست بوده است. من اصلا تعجب نمی‌کنم که حق باز هم با انیشتین بوده است. خوب است ببینیم که بار دیگر نظریات او آزمایش دیگری را با موفقیت گذرانده است.» اختلاف دو ثانیه در صد و پنجاه سال! حیرت‌انگیز است!

در همین اوضاع و احوال٬ آژیرهای آماده‌باش برای تمام همکاران پروژه لایگو به صدا در آمد. این دانشمندان در ده‌ها رصدخانه مختلف در سرتاسر دنیا کار می‌کنند. لایگو به این منجمین یک نقشه باریک از آسمان داد تا در آن به دنبال اتفاقات کیهانی بگردند. ادو برگر از مرکز مطالعات نجوم دانشگاه هاروارد می‌گوید. «خیلی حیاتی بود بدانیم کجا را باید بگردیم. اگر می‌خواستیم کل آسمان را کورمال کورمال دنبال آن بگردیم شاید اصلا پیدایش نمی‌کردیم.»

در دانشگاه ایالتی پن٬ طی یک ملاقات تیم عملیات علمی٬ همه تلفن‌ها یک‌ریز زنگ می‌خوردند. این تیم علمی مربوط به ماهواره سوییفت ناسا بودند. بنا به گفته جیمی کنی که دانشمند نجوم پن است٬ در ساعت ۹:۱۵ این زنگ آماده‌باش تمام فعالیت‌های برنامه‌ریزی شده آن‌ها را به حالت تعطیل درآورد. ماهواره سوییفت که در یک مدار ارتفاع پایین به دور زمین می‌چرخد٬ ۷۵۰ نقطه از آسمان را بررسی کرد تا این که به یک بهمن بزرگ از داده به فرم امواج فرابنفش برخورد می‌کند. این امواج از ادغام ستاره‌های نوترونی ساطع می‌شدند. آن‌ها درست به موقع کارشان را انجام دادند. ۲۴ ساعت بعد دیگر خبری از این امواج فرابنفش نبود.

رایان فولی که یک منجم دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروز است٬ در حال قدم زدن در یک پارک تفریحی این پیامک آماده‌باش را دریافت می‌کند. همان‌جا روی چرخ و فلک٬ دوست و همراهش را ترک می‌کند. سوار یک دوچرخه می‌شود و تا دفتر رکاب می‌زند.

او و همکارانش کل شب را بیدار ماندند. اول منتظر شدند تا خورشید در محل تلسکوپ غروب کنند. تلسکوپ آن‌ها در شیلی واقع شده است. بعد تمام عکس‌های تلسکوپ را در جستجوی یک شی نورانی لحظه‌ای و زودگذر بررسی کردند. شی‌ای در آسمان که قبلا آن‌جا نبوده است.

یادت نره اینو بخونی!  تک‌فکت؛ با دنیای تکنولوژی کشور بریتانیا آشنا شوید

محقق دوره پست دکتری٬ چارلی کیلپاتریک در عکس شماره نه این شی را پیدا می‌کند. یک نقطه روشن جدید کنار یک کهکشان به نام NGC 4993 که در فاصله ۱۳۰ میلیون سال نوری از ما واقع شده است.

او طی پیام زیر همه اعضای گروه را با سرویس پیام اسلک در جریان می‌گذارد:

به فولی: یه چیزی پیدا کردیم. یه عکس برایتان می فرستیم.

فولی از لحن حساب‌شده کیلپاتریک در این پیام حسابی کیف کرده است. وی می‌گوید. «حواستان که هست؟ چارلی اولین انسانی است که تا به حال ذرات فوتون منتشره از یک پدیده موج گرانشی را دیده.

این رویداد به نام تلسکوپی که آن را ثبت کرده نامگذاری شد: سوپر نوای سوئوپ 2017a.

تصاویری که کیلپاتریک ٬ محقق دوره پست دکترای سانتا کروز UC با استفاده از آن‌ها توانست منبع امواج گرانشی را کشف کند. تصویر سمت چپ توسط تلسکوپ هابل گرفته شده که در آن کهکشان NGC4993 در ماه آوریل نشان داده شده است. تصویر سمت راست همان کهکشان را در ۱۷ آگوست نشان می‌دهد. نقطه‌ای که در بالای سمت چپ تصویر دیده می‌شود محل برخورد ستارگان نوترونی است.

استفانو والنتی که یک منجم در دانشگاه کالیفرنیا در دیویس است این طور خاطرات آن روزش را تعریف می کند. ظرف ۲۴ ساعت از رصد اولیه تقریبا نصف همه‌ی تلسکوپ‌های دنیا و تعداد زیادی در آسمان به سمت این نقطه SSS2017a نشانه رفته بودند. والنتی در جستجوی شواهد اپتیکی این کشف دخیل بوده است. وی می‌گوید «ما با همکاران خود تماس می‌گرفتیم و می گفتیم که شرمنده نمی‌توانم دلیلش را بهت بگویم اما می‌تونی این نقطه رو برام رصد کنی؟ همه با یکدیگر کار می‌کردند و هر چیزی که پیدا می‌کردند آنلاین با هم در میان می‌گذاشتند. همه شریک بودند … به نظرم این اتفاق هیجان‌انگیزترین هفته عمر حرفه‌ای‌ام را رقم زده.»

اما ادغام ستاره‌های نوترونی رازی نبود که بشود به این سادگی‌ها آن را کاملا مخفی نگهداشت. در روز ۲۸ مردادماه٬  اندی هاول که منجم دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا است این متن را توئیت می‌کند. «امشب یکی از آن شب‌های معدودی است که در آن دیدن رصدهای مختلف نجومی که یکی بعد از دیگری از راه می‌رسند٬ از تمام قصه‌هایی که نوع بشر تا به حال تعریف کرده بهتر و هیجان‌انگیز تر است.» او روز جمعه به واشنگتن پست گفت که از توئیت خودش پشیمان است. به خاطر این پیام و بقیه پیام‌هایی که همکاران او در حوزه‌های عمومی به اشتراک می‌گذاشتند٬ رسانه‌های خبری متوجه شدند که یک اتفاق منحصر بفرد تمام رصدخانه‌های دنیا را به جنب و جوش در‌آورده است. اعضای این گروه٬ تازه دو ماه کار طاقت فرسا پیش‌روی خود داشتند که طی آن می‌بایستی داده‌های به دست آمده از این رصدها را تجزیه و تحلیل کرده و بعد آن‌ها را آماده انتشار کنند.

اما هاول می‌گوید او انگیزه کافی داشت تا این ماجرا را در تاریخ علم دنیا ثبت نماید. «می‌خواستم این احساس تازه را ثبت نمایم. این احساس که یک چیز کاملا تازه راجع به جهان اطرافمان پیدا کرده‌ایم. حقیقت تازه‌ای که بشر تا به حال از آن بی‌خبر بوده است.»

کهکشان NGC 4993 حدود ۱۳۰ میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد. این کیلو نوا در بالای تصویر و کمی به سمت چپ مرکز کهکشان قرار گرفته است. با استفاده از ابزار MUSE می‌توانیم نوری که این گاز درخشنده از خود ساطع می‌کنند ببینیم. این جسم به رنگ قرمز این جا دیده می‌شود و به طرز شگفت‌انگیزی یک ساختار مارپیچی دارد.

محققین در تمام قسمت‌های طیف الکترومغناطیس داده‌های مربوط به این کیلو نوا را جمع‌اوری کردند. در ساعات اولیه از ثبت این رویداد٬ نقطه حاصل از این انفجار بی‌شکل و به رنگ آبی دیده می‌شد. یک مشخصه گویای مرئی از یک جسم کیهانی تازه متولد شده. اما برخلاف سوپر نواها که تا ماه‌ها در آسمان باقی می‌مانند٬ این نقطه به سرخی گرایید و بعد محو شد. با تجزیه نور ساطع شده از این انفجار به قسمت‌های تشکیل دهنده آن٬ دانشمندان توانستند ردپاهایی مشخص از عناصر سنگین مانند طلا و نقره در این توده ابر سرد شونده ماده پیدا کنند.حلقه‌های ازدواج و بمب‌های اورانیمی همه و همه بازتاب‌هایی از عناصر تشکیل شونده طی این ادغام‌های نوترونی هستند.

طی هزارها سال این دو ستاره نوترونی که بدور همدیگر می‌چرخیدند به هم نزدیک و نزدیک‌تر شدند. در این فرآیند سرعت آن‌ها به سرعت نور نزدیک شد. بعد امواج گرانشی از خود منتشر کردند و به خاطر آن به یکدیگر نزدیک‌تر شدند. زمانی که این دو هسته به هم برخورد کردند٬ دایناسورها هنوز روی کره زمین فرمانروایی می‌کردند. موج حاصل از شوک برخورد این دو ستاره بالاخره در آگوست به زمین رسید.

دانشمندان نمی‌دانند در لحظه برخورد چه اتفاقی می‌افتد. ستاره‌های نوترونی آن‌قدر کم‌نور هستند که از این فاصله دور اصلا نمی‌توان آن‌ها را دید. بعد از برخورد هم این که آیا یک ستاره نوترونی دیگر تشکیل شده یا یک سیاه‌چاله معلوم نیست. سیاه‌چاله‌ها که اصلا هیچ نوری از خود تولید نمی‌کنند.

بالاخره بعد از دو ماه تحیلی و بررسی نتایج٬ این تیم از دانشمندان آماده شدند تا نتایج کشف علمی خود را به اطلاع جهانیان برسانند. روز دوشنبه خبر این کشف در بیش از ده‌ها نشریه و روزنامه از جمله نیچر٬ ساینس و مقالات نجومی منتشر گردید.

مقاله اصلی این گروه که در نشریه استروفیزیکال جورنال لترز به چاپ رسید٬ بیش از ۳۵۰۰ نویسنده را لیست کرده است. این تعداد تقریبا به رکورد سال ۲۰۱۵ در تخمین جرم بوزون هیگز (LHC) که ۵۱۵۴ نفر بود نزدیک شده است. امواج گرانشی به خودی خود به این تصور قدیمی از یک نابغه منجم که به تنهایی کار می کند لطمه‌ای کاری وارد کرد٬ کشف نجوم چند پیامه یا چندرسانه‌ای در واقع شلیک نهایی به جسد آن بود.

کادوناتی می‌گوید. «از امروز به بعد اگر می‌خواهیم بیشتر و بیشتر بدانیم باید بیشتر و بیشتر با هم کار کنیم.»

این کیلو نوا آن‌قدر روشن بود که حتی منجمین آماتور هم با تلسکوپ‌های کوچک خود می‌توانستند آن را رصد کنند. در آینده٬ لایگو این زنگ آماده باش را به تمامی دنیا اعلام می‌کند تا همگی آشکار سازهای بالقوه و تمام شهروندان دانشمند بتوانند در جستجوی جهانی منبع حوادث عظیم گیتی با منجمین حرفه‌ای سهیم باشند.

فرانس آ کوردوا مدیر بنیان ملی علوم آمریکاست که لایگو را از لحاظ مالی پشتیبانی می‌کند. وی نجوم سنتی و دیداری را به یک فیلم صامت تشبیه می‌کند. امواج گرانشی صدا را به این مجموعه اضافه کرد. بنابه گفته او٬ اولین کشف‌های امواج گرانشی مثل شنیدن صداهای گنگی بود که در یک محیط تاریک شنیده می‌شدند.وی می‌گوید. «ما نمی‌توانستیم محل این صداها را معلوم کنیم.»

اکنون صدای کیهان با آن‌چه که می‌توانیم از آن ببینیم٬ همآوا و سینک شده است. فرانس معتقد است که «تفاوت از زمین تا آسمان است.» حال ستاره‌شناسان به دنبال جواب‌های تازه برای فرضیه انبساط کیهان هستند. امروز ابزار بهتری برای کشف خواص ماده تاریک و تولد و مرگ ستارگان در اختیار داریم. احتمالا همین الان سوالاتی برای دانشمندان مطرح شده که تا به امروز اصلا به ذهنشان خطور هم نکرده بود.

اما این رصد به اثباتی دیگر از آن چیزی که دانشمندان به آن اعتقاد داشتند هم منجر شد. وقایعی که درپی SSS17a یکی بعد از دیگری رخ دادند٬ تئوری‌های شناخته شده درباره ادغام ستارگان نوترونی در فیزیک اتمی٬ نسبیت عام و تحقیقات راجع به منشا عناصر اصلی را دوباره به بوته آزمایش گذاشتند.

فولی اظهار می‌کند. «این کشف واقعا پیروزی بزرگی برای دنیای علم است. در تمدنی که ساخته‌ایم تحقیقا به کره زمین محدود و وابسته هستیم. تقریبا هر  گونه اطلاعاتی که تا به حال از دنیا دریافت کرده‌ایم از طریق نور بوده است. اما با این حال با این ابزار مقدماتی توانسته‌ایم پیش‌بینی کنیم که حین برخورد دو ستاره نوترونی چه اتفاقاتی می‌افتد… در حالی که حتی تصور وجود ستارگان نوترونی هم خارق‌العاده و عجیب است.

بنا به گفته وی٬ اینک ستاره‌شناسان برای کشفیات علمی و درک کائنات تنها محدود به نور نیستند. بلکه ابزاری به نام امواج گرانشی در اختیار دارند. «کشفیات بزرگ علمی در دسترس انسان قرار گرفته‌اند.»


منبع:‌ واشنگتن پست

می‌خوای نظر بدی؟

مطمئن باش، آدرس ایمیلت منتشر نمی‌شه.