في فبراير من عام 2016 ، صنع العلماء العاملون في مرصد موجات التداخل بالليزر (LIGO) التاريخ عندما أعلنوا عن أول اكتشاف على الإطلاق لموجات الجاذبية. منذ ذلك الوقت ، تم إجراء العديد من عمليات الكشف ، كما أن التعاون العلمي بين المراصد - مثل Advanced LIGO و Advanced Virgo - يسمح بمستويات غير مسبوقة من الحساسية ومشاركة البيانات.
لم يكن الاكتشاف لأول مرة لموجات الجاذبية إنجازًا تاريخيًا فحسب ، بل أدى إلى عهد جديد من الفيزياء الفلكية. ليس من المستغرب إذن لماذا حصل الباحثون الثلاثة الذين كانوا محوريين في الكشف الأول على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017. تم منح الجائزة بشكل مشترك لأساتذة كالتيك الفخريين كيب س.باريش ، إلى جانب أستاذ فخري في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا راينر فايس.
بكل بساطة ، إن موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان تتشكل من الأحداث الفلكية الكبرى - مثل اندماج زوج الثقب الأسود الثنائي. تم التنبؤ بها لأول مرة منذ أكثر من قرن من قبل نظرية آينشتاين للنسبية العامة ، والتي أشارت إلى أن الاضطرابات الهائلة ستغير بنية الزمكان. ومع ذلك ، لم يلاحظ لأول مرة دليل على هذه الموجات إلا في السنوات الأخيرة.
تم الكشف عن الإشارة الأولى من قبل مراصد ليجو التوأم - في هانفورد ، واشنطن ، و ليفينغستون ، لويزيانا ، على التوالي - وتم تتبعها إلى اندماج الخلد الأسود على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية. حتى الآن ، تم الكشف عن أربعة ، وكلها بسبب اندماجات أزواج الثقب الأسود. وقعت هذه في 26 ديسمبر 2015 و 4 يناير 2017 و 14 أغسطس 2017 ، وآخرها تم الكشف عنها بواسطة LIGO وكاشف موجة الجاذبية العذراء الأوروبية.
للدور الذي لعبوه في هذا الإنجاز ، تم منح نصف الجائزة بشكل مشترك إلى Caltech's Barry C. Barish - أستاذ رونالد وماكسين ليندي للفيزياء ، الفخري - وكيب إس ثورن ، أستاذ ريتشارد ب.فينمان للفيزياء النظرية ، فخري. تم منح النصف الآخر إلى Rainer Weiss ، أستاذ الفيزياء ، الفخري ، في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT).
كما قال رئيس Caltech Thomas F. Rosenbaum - الرئيس الرئاسي Sonja و William Davidow وأستاذ الفيزياء - في بيان صحفي لـ Caltech:
"يسعدني ويشرفني أن أهنئ كيب وباري ، وكذلك راي فايس من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، على الجائزة صباح هذا اليوم لجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017. أول ملاحظة مباشرة لموجات الجاذبية بواسطة LIGO هي عرض استثنائي للرؤية العلمية والمثابرة. من خلال أربعة عقود من تطوير أدوات حساسة للغاية - دفع قدرة خيالنا - أصبحنا الآن قادرين على إلقاء نظرة على العمليات الكونية التي لم يكن من الممكن اكتشافها سابقًا. إنها حقًا بداية حقبة جديدة في الفيزياء الفلكية. "
كان هذا الإنجاز أكثر إثارة للإعجاب بالنظر إلى أن ألبرت أينشتاين ، الذي تنبأ بوجوده لأول مرة ، يعتقد أن موجات الجاذبية ستكون أضعف من أن تدرسها. ومع ذلك ، بحلول الستينيات ، أدى التقدم في تكنولوجيا الليزر والرؤى الجديدة في المصادر الفيزيائية الفلكية المحتملة إلى استنتاج العلماء أن هذه الموجات قد تكون في الواقع قابلة للكشف.
قام جوزيف ويبر ، وهو أحد علماء الفيزياء الفلكية بجامعة ماريلاند ، ببناء أول كاشفات لموجات الجاذبية. تتكون كاشفاته ، التي تم بناؤها في الستينيات ، من أسطوانات ألمنيوم كبيرة يمكن دفعها للاهتزاز بتمرير موجات الجاذبية. وتبع ذلك محاولات أخرى ، ولكن جميعها باءت بالفشل ؛ مما يدفع إلى التحول نحو نوع جديد من الكاشف ينطوي على قياس التداخل.
تم تطوير أحد هذه الأدوات من قبل Weiss في MIT ، والتي اعتمدت على التقنية المعروفة باسم قياس التداخل بالليزر. في هذا النوع من الأجهزة ، يتم قياس موجات الجاذبية باستخدام مرايا متباعدة ومتباعدة بشكل كبير والتي تعكس أشعة الليزر لمسافات طويلة. عندما تتسبب موجات الجاذبية في تمدد الفضاء والضغط عليه بكميات متناهية الصغر ، فإنه يتسبب في تحول الضوء المنعكس داخل الكاشف بشكل طفيف.
في الوقت نفسه ، بدأ ثورن - مع طلابه وما بعد الدكتوراه في كالتيك - في العمل على تحسين نظرية موجات الجاذبية. وشمل ذلك تقديرات جديدة لقوة وتكرار الموجات التي تنتجها أجسام مثل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية والمستعرات الأعظمية. توج هذا في ورقة عام 1972 التي شاركها العرش في نشرها مع تلميذه ، بيل برس ، والتي لخصت رؤيتهم لكيفية دراسة موجات الجاذبية.
في نفس العام ، نشر Weiss أيضًا تحليلًا تفصيليًا لمقاييس التداخل وإمكاناتها للبحث الفيزيائي الفلكي. في هذه الورقة ، ذكر أن العمليات واسعة النطاق - قياس عدة كيلومترات أو أكثر - قد يكون لها طلقة في الكشف عن موجات الجاذبية. كما حدد التحديات الرئيسية للكشف (مثل الاهتزازات من الأرض) واقترح الحلول الممكنة لمواجهتها.
في عام 1975 ، دعا فايس ثورن للتحدث في اجتماع لجنة ناسا في واشنطن العاصمة ، وقضى الاثنان ليلة كاملة يتحدثان عن تجارب الجاذبية. نتيجة لمحادثاتهم ، عاد ثورن إلى كالته واقترح إنشاء مجموعة جاذبية تجريبية ، والتي ستعمل على مقاييس التداخل بالتوازي مع الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة جلاسكو وجامعة جارشنج (حيث يتم إجراء تجارب مماثلة).
بدأ التطوير على أول مقياس تداخل بعد ذلك بوقت قصير في Caltech ، مما أدى إلى إنشاء نموذج أولي بطول 40 مترًا (130 قدمًا) لاختبار نظريات فايس حول موجات الجاذبية. في عام 1984 ، اجتمعت جميع الأعمال التي تقوم بها هذه المؤسسات المعنية. شكلت Caltech و MIT ، بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) تعاون LIGO وبدأت العمل على مقاييس التداخل في هانفورد و Livingston.
كان بناء LIGO تحديًا كبيرًا ، من الناحية اللوجستية والفنية. ومع ذلك ، تمت مساعدة الأمور بشكل كبير عندما أصبح باري باريش (الذي كان حينها فيزيائي جسيمات كالتيك) الباحث الرئيسي (PI) ليجو في عام 1994. بعد عقد من المحاولات المتوقفة ، تم تعيينه أيضًا مدير ليجو وأعاد بنائه إلى المسار الصحيح . كما قام بتوسيع فريق البحث ووضع خطة عمل مفصلة لـ NSF.
كما أشار باريش ، فإن العمل الذي قام به مع LIGO كان شيئًا من حلم تحقق:
"أردت دائمًا أن أكون فيزيائيًا تجريبيًا وانجذبت إلى فكرة استخدام التقدم المستمر في التكنولوجيا لإجراء تجارب علمية أساسية لا يمكن القيام بها بطريقة أخرى. LIGO هو مثال رئيسي على ما لم يكن بالإمكان فعله من قبل. على الرغم من أنه كان مشروعًا واسع النطاق للغاية ، إلا أن التحديات كانت مختلفة تمامًا عن الطريقة التي نبني بها جسرًا أو ننفذ مشاريع هندسية كبيرة أخرى. بالنسبة لـ LIGO ، كان التحدي هو كيفية تطوير وتصميم الأجهزة المتقدمة على نطاق واسع ، حتى مع تطور المشروع ".
بحلول عام 1999 ، انتهى البناء في مراصد LIGO وبحلول عام 2002 ، بدأ LIGO في الحصول على البيانات. في عام 2008 ، بدأ العمل على تحسين أجهزة الكشف الأصلية ، والمعروفة باسم مشروع LIGO المتقدم. كانت عملية تحويل النموذج الأولي البالغ طوله 40 مترًا إلى مقاييس التداخل الحالية التي يبلغ طولها 4 كيلومترات (2.5 ميل) من LIGO مهمة ضخمة ، وبالتالي يلزم تقسيمها إلى خطوات.
حدثت الخطوة الأولى بين عامي 2002 و 2010 ، عندما قام الفريق ببناء واختبار مقاييس التداخل الأولية. في حين أن هذا لم يسفر عن أي عمليات كشف ، فقد أظهر المفاهيم الأساسية للمرصد وحل العديد من العقبات التقنية. سمحت المرحلة التالية - المسماة Advanced LIGO ، التي تم وضعها بين عامي 2010 و 2015 - للكاشفات بتحقيق مستويات جديدة من الحساسية.
سمحت هذه الترقيات ، التي حدثت أيضًا تحت قيادة باريش ، بتطوير العديد من التقنيات الرئيسية التي جعلت في النهاية الكشف الأول ممكنًا. كما أوضح باريش:
"في المرحلة الأولى من LIGO ، من أجل عزل الكواشف عن حركة الأرض ، استخدمنا نظام تعليق يتكون من مرايا كتلة الاختبار معلقة بسلك البيانو واستخدم مجموعة متعددة المراحل من ممتصات الصدمات السلبية ، على غرار تلك في سيارتك. علمنا أن هذا ربما لن يكون جيدًا بما يكفي للكشف عن موجات الجاذبية ، لذلك قمنا في مختبر LIGO بتطوير برنامج طموح لـ LIGO المتقدم يتضمن نظام تعليق جديد لتثبيت المرايا ونظام عزل زلزالي نشط لاستشعارها وتصحيحها من أجل حركات الأرض. "
بالنظر إلى مدى أهمية ثورن وويس وباريش في دراسة موجات الجاذبية ، تم التعرف على الثلاثة جميعًا بحق كمستلمين هذا العام لجائزة نوبل في الفيزياء. تم إخطار كل من ثورن وباريش بأنهما فازا في الساعات الأولى من صباح يوم 3 أكتوبر 2017. وردا على الأخبار ، كان العلماء على يقين من الاعتراف بالجهود الجارية لـ LIGO ، والفرق العلمية التي ساهمت في ذلك ، و جهود Caltech و MIT في إنشاء وصيانة المراصد.
"تنتمي الجائزة بحق إلى مئات من علماء ومهندسي LIGO الذين قاموا ببناء وإتقان مقاييس التداخل المعقدة لموجات الجاذبية ، والمئات من علماء LIGO و Virgo الذين وجدوا إشارات موجات الجاذبية في بيانات LIGO الصاخبة واستخرجوا معلومات الموجات ، قال ثورن. "من المؤسف أنه بسبب النظام الأساسي لمؤسسة نوبل ، يجب ألا تذهب الجائزة إلى أكثر من ثلاثة أشخاص ، عندما يكون اكتشافنا الرائع هو عمل أكثر من ألف شخص."
قال باريش: "أشعر بالتواضع والفخر لاستلام هذه الجائزة". "إن اكتشاف موجات الجاذبية هو حقًا انتصار للفيزياء التجريبية الحديثة واسعة النطاق. على مدار عدة عقود ، طور فريقنا في Caltech و MIT LIGO ليصبح جهازًا حساسًا بشكل لا يصدق حقق الاكتشاف. عندما وصلت الإشارة إلى LIGO من اصطدام ثقبين أسودين ممتازين حدث قبل 1.3 مليار سنة ، كان التعاون العلمي LIGO القوي المكون من 1000 عالم قادرًا على تحديد الحدث المرشح في غضون دقائق وإجراء التحليل التفصيلي الذي أثبت بشكل مقنع أن موجات الجاذبية يوجد."
بالنظر إلى المستقبل ، من الواضح أيضًا أن Advanved LIGO و Advanced Virgo والمراصد الأخرى لموجات الجاذبية حول العالم بدأت للتو. بالإضافة إلى اكتشاف أربعة أحداث منفصلة ، أشارت الدراسات الحديثة إلى أن الكشف عن موجة الجاذبية يمكن أن يفتح أيضًا آفاقًا جديدة للبحث الفلكي والكوني.
على سبيل المثال ، اقترحت دراسة حديثة أجراها فريق من الباحثين من مركز موناش للفيزياء الفلكية مفهومًا نظريًا يُعرف باسم "الذاكرة اليتيمة". وفقًا لأبحاثهم ، لا تسبب موجات الجاذبية موجات في الزمكان فحسب ، بل تترك تموجات دائمة في هيكلها. من خلال دراسة "أيتام" الأحداث الماضية ، يمكن دراسة موجات الجاذبية عند وصولها إلى الأرض وبعد فترة طويلة من مرورها.
بالإضافة إلى ذلك ، تم إصدار دراسة في أغسطس من قبل فريق من علماء الفلك من مركز علم الكونيات في جامعة كاليفورنيا إيرفين ، أشار إلى أن عمليات دمج الثقب الأسود أكثر شيوعًا بكثير مما كنا نعتقد. بعد إجراء مسح للكون يهدف إلى حساب وتصنيف الثقوب السوداء ، قرر فريق UCI أنه يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى 100 مليون ثقب أسود في المجرة.
أشارت دراسة حديثة أخرى إلى أن شبكة LIGO المتقدمة و GEO 600 و Virgo للكشف عن موجات الجاذبية يمكن استخدامها أيضًا للكشف عن موجات الجاذبية الناتجة عن المستعرات الأعظمية. من خلال اكتشاف الموجات التي أنشأها النجم والتي تنفجر بالقرب من نهاية عمرهم ، يمكن لعلماء الفلك رؤية داخل قلوب النجوم المنهارة للمرة الأولى واستكشاف آليات تشكيل الثقب الأسود.
جائزة نوبل في الفيزياء هي واحدة من أعلى الجوائز التي يمكن منحها للعالم. ولكن أكبر من ذلك هو المعرفة بأن الأشياء العظيمة نتجت عن عمل المرء. بعد عقود من بدء ثورن وويس وباريش باقتراح دراسات موجات الجاذبية والعمل على إنشاء أجهزة كشف ، يقوم العلماء من جميع أنحاء العالم باكتشافات عميقة تحدث ثورة في طريقة تفكيرنا في الكون.
وكما سيشهد هؤلاء العلماء بالتأكيد ، فإن ما رأيناه حتى الآن هو مجرد قمة جبل الجليد. يمكن للمرء أن يتصور أنه في مكان ما ، ينتشر آينشتاين بكل فخر. كما هو الحال مع الأبحاث الأخرى المتعلقة بنظريته عن النسبية العامة ، تظهر دراسة موجات الجاذبية أنه حتى بعد قرن من الزمان ، كانت تنبؤاته لا تزال تضرب!
وتأكد من الاطلاع على هذا الفيديو الخاص بالمؤتمر الصحفي Caltech حيث تم تكريم باريش وتورن لإنجازهما:
