كيف اجتذبت موجات الجاذبية جائزة نوبل

مفهوم الفنان للاصطدام بين اثنين من الثقوب السوداء ، حدث توقع نظريا لإنتاج موجات الجاذبية. وبالفعل تم اكتشاف هذه الموجات المراوغة - لأول مرة على الإطلاق - بواسطة مرصد موجة التداخل بالليزر (LIGO). صورة عبر مشروع SXS (محاكاة أوقات الفراغ القصوى)

بقلم إريك ثرين ، جامعة موناش ؛ بول لاسكي ، جامعة موناش ، ويوري ليفين ، جامعة موناش

بدأت جائزة نوبل للفيزياء لعام 2017 ، التي منحتها الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم ليلة أمس في السويد ، بمناقشة قبل 42 عامًا بين عالمين في غرفة فندق في واشنطن العاصمة.

ناقش كيب ثورن ، عالم فيزيائي نظري من جامعة كاليفورنيا للتكنولوجيا ، ورينر (راي) فايس ، عالم تجريبي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ما كان يمكن أن يبدو لمعظم علماء الفيزياء مثل فكرة مجنونة بعيدة الحدود ، هي: الكشف عن تموجات في نسيج الزمكان تسمى الجاذبية أمواج.

لكن الشابين كانا جادين. لقد كتب فايس ورقة تقنية مفصلة توضح اقتراحًا لتجربة من شأنها أن تصبح LIGO (مرصد موجة التداخل بالليزر).

اقرأ المزيد: وصول موجات الجاذبية إلى أوروبا

في هذه الأثناء ، كان ثورن قد فكر كثيرًا في المصادر المحتملة لموجات الجاذبية وطور تقديرًا عميقًا لمقدار اكتشافهم عن الأجسام الفلكية الفيزيائية الغريبة مثل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية.

كان هناك تعاون كبير في تلك الليلة. وسرعان ما تم تعزيزه بواسطة رونالد دريفر ، عالم فيزياء تجريبي لامع انضم إلى هيئة التدريس في جامعة كاليفورنيا للتكنولوجيا. الثلاثة جاءوا من خلفيات ثقافية مختلفة.

نشأ ثورن في عائلة مورمون في ولاية يوتا الأمريكية. وُلد فايس في برلين ، ألمانيا ، وعندما كان طفلاً ، هربت أسرته غير اليهودية من النازيين من خلال الانتقال إلى براغ أولاً ثم فروا من تشيكوسلوفاكيا قبل غزوها. نشأ دريفر من جلاسجو ، في اسكتلندا ، وكان لهجة اسكتلندية سميكة.

رونالد دريفر ، أحد مؤسسي LIGO. الصورة عن طريق الجمعية الفيزيائية الأمريكية.

لقد توحدوا بشغفهم "لسماع" الكون بموجات الجاذبية.

تنبعث موجات الجاذبية من بعض الأحداث الأكثر كارثية في الكون مثل النجوم المتفجرة والثقوب السوداء المتصادمة. كل مصدر ينبعث موجات الجاذبية بشكل مختلف. بالنسبة للمصادر التي يمكن اكتشافها بواسطة LIGO ، فإن هذه الموجات لها نفس الترددات مثل الموجات الصوتية التي يمكننا سماعها.

من خلال دراسة "الصوت" الدقيق لموجة الجاذبية ، من الممكن إعادة بناء الحدث الذي أنشأه. أنها توفر نافذة فريدة على الكون ، مما يسمح لنا بالتحقيق في الثقوب السوداء وغيرها من الأشياء المتطرفة.

قاموا معاً بتطوير الأفكار وراء LIGO ، وحصلوا على دعم Caltech و MIT ، وحصلوا على تمويل بحثي من المؤسسة الوطنية الأمريكية للعلوم. الأهم من ذلك ، أنها ألهمت جيلين من علماء الفيزياء في جميع أنحاء العالم لتكريس حياتهم للبحث عن موجات الجاذبية.

سمعت غرد حول العالم

استغرق الأمر سنوات عديدة من العمل الجماعي المتفاني لتحقيق رؤية LIGO. أخذ المختبر شكله تحت قيادة عالم الفيزياء التجريبي باري باريش ، وهو الآن أستاذ فخري في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

لقد أنشأ LIGO Scientific Collaboration ، وهو فريق دولي يضم الآن أكثر من 1000 عالم يعملون في جميع جوانب العلوم والتكنولوجيا من LIGO ، من فيزياء الليزر إلى خوارزميات تحليل البيانات إلى الفيزياء الفلكية.

كانت أستراليا شريكا دوليا مبكرا في الكونسورتيوم ، وقدم العلماء الأستراليون مساهمات مهمة في أدوات LIGO والنمذجة النظرية وتحليل البيانات.

الصك كان معقدًا لدرجة أنه كان لابد من بناؤه على مرحلتين. تم تشغيل المرحلة الأولى من LIGO خلال 2000s ، مما يدل على التكنولوجيا التي ستكون ضرورية للكشف عن موجات الجاذبية. ليس حتى المرحلة الثانية ، Advanced LIGO ، كانت المعدات الحساسة بما يكفي لاكتشاف موجات الجاذبية نفسها.

كان Advanced LIGO الذي تم تجديده حديثًا جاهزًا للرحيل في أواخر عام 2015. ثم ، في 14 سبتمبر من ذلك العام ، أي بعد أيام من تشغيل Advanced LIGO ، هزت موجة من موجات الجاذبية المرايا المستخدمة لمراقبة انحناء وقت الفراغ بمسافة حوالي واحد. - ألف من حجم البروتون.

على الرغم من أن هذا يبدو صغيراً بشكل لا يمكن تصوره ، فإن LIGO هي أداة من الحساسية التي لا يمكن تصورها. حتى من دون مساعدة خوارزمية الكمبيوتر ، يمكن للعلماء أن يروا في البيانات التوقيع الخفي لزوج دمج من الثقوب السوداء ، كل 30 مرة أكبر من الشمس.

يمكنهم أيضًا "سماعها": إشارة الموجة الجاذبية لدمج LIGO في الثقب الأسود ، المحولة إلى صوت ، تجعل صوت النقيق المميز.

صوت اثنين من الثقوب السوداء تصطدم.
LIGO163 KB (تنزيل)

عندما اندلعت أخبار الاكتشاف ، توجه هواة العلوم إلى وسائل التواصل الاجتماعي للاحتفال بعمليات التسليم الخاصة بهم.

بحلول وقت الإعلان الأول ، كان رون دريفر في دار لرعاية المسنين في اسكتلندا ، وكان مريضًا بالخرف. ومع ذلك ، فقد كان على دراية باكتشاف LIGO ، وكان قادرًا على الاستمتاع بزيارة Kip Thorne لمشاركة ذكريات LIGO في الأيام الأولى. توفي رون دريفر في مارس من هذا العام.

جائزة هذا العام ، إلى راينر فايس ، باري باريش وكيب ثورن ، "للمساهمات الحاسمة للكشف عن LIGO ومراقبة الأمواج الجاذبية" ، تواصل تقليد نوبل المتمثل في تكريم الاكتشافات الفلكية للظواهر الفلكية في التي النسبية العامة آينشتاين يلعب دورا رئيسيا.

واحد منا (ليفين) ، كان محظوظًا لإجراء بحث أطروحة تحت إشراف كيب ثورن. بقدر ما يجب أن يتذوق هذا الشرف العظيم لجائزة نوبل ، نحن على يقين من أن الشعور يتضاءل بالمقارنة مع اللحظة التي وضع فيها عينه على بيانات اكتشاف LIGO للمرة الأولى.

بعد قرن من تنبؤات ألبرت أينشتاين ، وبعد حياة من البحث ، كان هناك: موجات الجاذبية من فتحتين سوداء مشوهة.

حقبة جديدة في علم الفلك

هذا الاكتشاف هو معلم بارز في علوم القرن الحادي والعشرين. في حين أكد اكتشاف موجات الجاذبية نظرية آينشتاين ، فقد مثل أيضًا بداية طريقة جديدة للتحديق في السماء: علم فلك الموجة الجاذبية.

منذ الكشف الأول ، نشر التعاون على اكتشافات من المزيد من الثقوب السوداء ، ولم ينشر بعد جميع النتائج المثيرة من الجولة الثانية المتقدمة لرصد LIGO والتي انتهت في أواخر أغسطس.