كاشف موجات الجاذبية LIGO عاد إلى الإنترنت بعد 3 سنوات من الترقيات – كيف يكشف المقياس الأكثر حساسية في العالم أسرار الكون

بعد توقف دام ثلاث سنوات ، قام العلماء في الولايات المتحدة للتو بتشغيل كواشف قادرة على قياس موجات الجاذبية – تموجات صغيرة في الفضاء نفسه تنتقل عبر الكون.

على عكس موجات الضوء ، فإن الموجات الثقالية لا تعيقها المجرات والنجوم والغاز والغبار التي تملأ الكون تقريبًا. هذا يعني أنه من خلال قياس موجات الجاذبية ، يمكن لعلماء الفيزياء الفلكية مثلي إلقاء نظرة خاطفة مباشرة على قلب بعض هذه الظواهر الأكثر إثارة في الكون.

منذ عام 2020 ، كان مرصد الموجات الثقالية بالليزر – المعروف باسم LIGO – في حالة سبات أثناء خضوعه لبعض الترقيات المثيرة. ستعمل هذه التحسينات على تعزيز حساسية LIGO بشكل كبير ويجب أن تسمح للمنشأة بمراقبة الأجسام البعيدة التي تنتج تموجات أصغر في الزمكان.

من خلال اكتشاف المزيد من الأحداث التي تخلق موجات الجاذبية ، سيكون هناك المزيد من الفرص لعلماء الفلك لمراقبة الضوء الناتج عن تلك الأحداث نفسها. توفر رؤية حدث من خلال قنوات متعددة للمعلومات ، وهو نهج يسمى علم الفلك متعدد الرسائل ، لعلماء الفلك فرصًا نادرة ومرغوبة للتعرف على الفيزياء بعيدًا عن نطاق أي اختبار معمل.

تموجات في الزمكان

وفقًا لنظرية أينشتاين للنسبية العامة ، فإن الكتلة والطاقة تشوه شكل المكان والزمان. يحدد انحناء الزمكان كيف تتحرك الأجسام فيما يتعلق ببعضها البعض – ما يختبره الناس كجاذبية.

يتم إنشاء موجات الجاذبية عندما تندمج الأجسام الضخمة مثل الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية مع بعضها البعض ، مما ينتج عنه تغيرات كبيرة ومفاجئة في الفضاء. ترسل عملية الثني والانثناء في الفضاء تموجات عبر الكون مثل الموجة عبر بركة ساكنة. تنتقل هذه الموجات في جميع الاتجاهات من اضطراب ، مما يؤدي إلى انحناء الفضاء بدقة أثناء قيامهم بذلك ، ويغيرون المسافة بين الأشياء في طريقهم بشكل طفيف.

على الرغم من أن الأحداث الفلكية التي تنتج موجات الجاذبية تتضمن بعضًا من أضخم الأجسام في الكون ، فإن تمدد وتقلص الفضاء صغير للغاية. يمكن لموجة جاذبية قوية تمر عبر درب التبانة أن تغير قطر المجرة بأكملها بمقدار ثلاثة أقدام (متر واحد).

أول ملاحظات موجات الجاذبية

على الرغم من توقع أينشتاين لأول مرة في عام 1916 ، لم يكن لدى العلماء في تلك الحقبة أمل كبير في قياس التغيرات الطفيفة في المسافة التي افترضتها نظرية موجات الجاذبية.

في حوالي عام 2000 ، انتهى العلماء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعات أخرى حول العالم من بناء ما هو في الأساس أكثر المسطرة دقة على الإطلاق – مرصد ليجو.

يتكون LIGO من مرصدين منفصلين ، أحدهما يقع في هانفورد ، واشنطن ، والآخر في ليفينغستون ، لويزيانا. يتشكل كل مرصد على شكل حرف L عملاق وذراعان طولهما 2.5 ميل (أربعة كيلومترات) يمتدان من وسط المنشأة بزاوية 90 درجة لبعضهما البعض.

لقياس موجات الجاذبية ، يقوم الباحثون بتسليط الليزر من مركز المنشأة إلى قاعدة L. هناك ، يتم تقسيم الليزر بحيث ينتقل شعاع إلى أسفل كل ذراع ، وينعكس على المرآة ويعود إلى القاعدة. إذا مرت موجة جاذبية عبر الذراعين أثناء تألق الليزر ، فإن الشعاعين سيعودان إلى المركز في أوقات مختلفة قليلاً. من خلال قياس هذا الاختلاف ، يمكن للفيزيائيين تمييز أن موجة الجاذبية مرت عبر المنشأة.

بدأ LIGO العمل في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، لكنه لم يكن حساسًا بدرجة كافية لاكتشاف موجات الجاذبية. لذلك ، في عام 2010 ، قام فريق LIGO بإغلاق المنشأة مؤقتًا لإجراء ترقيات لتعزيز الحساسية. بدأت النسخة المطورة من LIGO في جمع البيانات في عام 2015 واكتشفت على الفور تقريبًا موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج ثقبين أسودين.

منذ عام 2015 ، أكمل LIGO ثلاث جولات مراقبة. الأول ، تشغيل O1 ، استمر حوالي أربعة أشهر ؛ الثاني ، O2 ، حوالي تسعة أشهر ؛ والثالث ، O3 ، استمر لمدة 11 شهرًا قبل أن يجبر جائحة COVID-19 المنشآت على الإغلاق. بدءًا من التشغيل O2 ، ظل LIGO يراقب بشكل مشترك مع مرصد إيطالي يسمى Virgo.

بين كل شوط ، قام العلماء بتحسين المكونات المادية للكاشفات وطرق تحليل البيانات. بحلول نهاية الجولة O3 في مارس 2020 ، اكتشف باحثون في LIGO و Virgo حوالي 90 موجة جاذبية من اندماج الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية.

لم تحقق المراصد حتى الآن أقصى حساسية تصميم لها. لذلك ، في عام 2020 ، تم إغلاق كلا المرصدين لإجراء ترقيات مرة أخرى.

إجراء بعض الترقيات

كان العلماء يعملون على العديد من التحسينات التكنولوجية.

تضمنت إحدى التحديثات الواعدة بشكل خاص إضافة تجويف ضوئي بطول 1000 قدم (300 متر) لتحسين تقنية تسمى الضغط. يسمح الضغط للعلماء بتقليل ضوضاء الكاشف باستخدام الخصائص الكمومية للضوء. مع هذه الترقية ، يجب أن يكون فريق LIGO قادرًا على اكتشاف موجات الجاذبية الأضعف بكثير من ذي قبل.

أنا وزملائي علماء بيانات في تعاون LIGO ، ونحن نعمل على عدد من الترقيات المختلفة للبرامج المستخدمة لمعالجة بيانات LIGO والخوارزميات التي تتعرف على علامات موجات الجاذبية في تلك البيانات. تعمل هذه الخوارزميات من خلال البحث عن الأنماط التي تتطابق مع النماذج النظرية للملايين من أحداث اندماج الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية المحتملة. يجب أن تكون الخوارزمية المحسّنة قادرة على التقاط الإشارات الباهتة لموجات الجاذبية من ضوضاء الخلفية في البيانات بسهولة أكبر من الإصدارات السابقة من الخوارزميات.

حقبة عالية الدقة في علم الفلك

في أوائل مايو 2023 ، بدأ LIGO تجربة قصيرة – تسمى التشغيل الهندسي – للتأكد من أن كل شيء يعمل. في 18 مايو ، اكتشف ليجو موجات ثقالية من المحتمل أن تكون ناتجة عن اندماج نجم نيوتروني في ثقب أسود.

ستبدأ عملية المراقبة 04 لـ LIGO لمدة 20 شهرًا رسميًا في 24 مايو ، وسينضم إليها لاحقًا برج العذراء ومرصد ياباني جديد – كاشف الموجات الثقالية Kamioka ، أو KAGRA.

في حين أن هناك العديد من الأهداف العلمية لهذا المدى ، إلا أن هناك تركيزًا خاصًا على اكتشاف موجات الجاذبية وتحديد موقعها في الوقت الفعلي. إذا تمكن الفريق من تحديد حدث موجات الجاذبية ، ومعرفة مصدر الموجات وتنبيه علماء الفلك الآخرين إلى هذه الاكتشافات بسرعة ، فإنه سيمكن علماء الفلك من توجيه التلسكوبات الأخرى التي تجمع الضوء المرئي أو موجات الراديو أو أنواع أخرى من البيانات في مصدر موجة الجاذبية. إن جمع قنوات متعددة من المعلومات حول حدث واحد – الفيزياء الفلكية متعددة الرسائل – يشبه إضافة اللون والصوت إلى فيلم صامت بالأبيض والأسود ويمكن أن يوفر فهمًا أعمق بكثير للظواهر الفيزيائية الفلكية.

لاحظ علماء الفلك حدثًا واحدًا فقط في كل من موجات الجاذبية والضوء المرئي حتى الآن – اندماج نجمين نيوترونيين شوهد في عام 2017. ولكن من هذا الحدث الفردي ، تمكن الفيزيائيون من دراسة توسع الكون وتأكيد أصل بعض أكثر الأحداث نشاطا في الكون والمعروفة باسم انفجارات أشعة جاما.

مع تشغيل O4 ، سيتمكن علماء الفلك من الوصول إلى مراصد موجات الجاذبية الأكثر حساسية في التاريخ ونأمل أن يجمعوا بيانات أكثر من أي وقت مضى. نتمنى أنا وزملائي أن تسفر الأشهر القادمة عن رصد واحد – أو ربما العديد – متعدد الرسائل التي ستدفع حدود الفيزياء الفلكية الحديثة.