گذر امواج گرانشی از ستاره باعث ایجاد تغییراتی در مکان ظاهری آن می‌شود و این حرکت ها با تلسکوپ فضایی Gaia (گایا) قابل‌آشکارسازی است.

مطالعه ستارگان. یک موج گرانشی با فرکانس پایین که از نزدیکی زمین می‌گذرد، می‌تواند باعث جابه‌جایی مکان ستاره (نقاط سیاه) از دید ناظر زمینی شود. این الگو دامنه، ‌فرکانس و قطبیدگی امواج را نشان می‌دهد. در اینجا، جابه‌جایی به صورت اغراق‌آمیز نشان داده شده است.

رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌ لیزری (LIGO) به خاطر آشکارسازی امواج گرانشی با استفاده از تداخل‌سنج‌های بزرگ، برنده جایزه نوبل فیزیک امسال شد؛ اما روش‌های دیگری نیز برای این کار وجود دارد. یکی از این روش‌ها، اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های کوچک ستارگان نزدیک زمین است که امواج گرانشی از آنها می‌گذرد. محاسبات جدید نشان داده که آشکارسازی باید بااستفاده از داده‌های با وضوح بالا درباره مکان ستارگان انجام شود که این اطلاعات توسط تلسکوپ فضایی Gaia فراهم می‌شود. این روش نسبت به امواج با فرکانس بسیار پایین که از ادغام دو ابرسیاه‌چاله یا حتی مهبانگ تولید شده است، حساس خواهد بود.

امواج گرانشی (GW) براثر رخدادهای سهمگینی مثل برخورد سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی، اجرامی که چگالی‌های بسیار بالای آنها در فضازمان اطراف آشفتگی ایجاد می‌کند، تولید می‌شود.  LIGO یک موج گرانشی که باعث کشش و فشردگی فضا زمان شده، آشکارسازی کرده است، اما یک موج گرانشی گذرنده می‌تواند باعث نوسان زمین در مکان خود نسبت به ستارگان شود. بنابراین ستاره‌های دوردست، که از زمین یا تلسکوپ‌های فضایی دیده می‌شوند، باید با رفتاری قابل پیش‌بینی در مکان خود جابه‌جا شوند.

در دهه ۱۹۹۰ [1,2]، آشکارسازی امواج گرانشی با رصد اجرام فراکهکشانی، به‌جای ستارگان، پیشنهاد شد. شبکه وسیعی از ستاره‌شناسان آماده آشکارسازی امواج گرانشی بااستفاده از آثار آن بر تابش‌های رادیویی تپ‌اخترها شدند، ‌زیرا فرکانس جریان بسیار منظم پالس‌های سریع بر اثر عبور امواج گرانشی تغییرات بسیار کوچکی پیدا می‌کند [3]. (see 12 May 2017 Q&A). حال Christopher Moore (کریستوفر مور) ستاره‌شناسی از دانشگاه کمبریج بریتانیا و همکارانش، آثار ناشی از امواج گرانشی میدان بزرگ ستاره‌های رصدشده توسط تلسکوپ فضایی Gaia آژانس فضایی اروپا (ESA) را پیش‌بینی کرده‌اند. این رصدخانه در اواخر سال ۲۰۱۳ به‌منظور انجام رصدهای بسیار دقیق مکان ستارگان در کهکشان خودی، به فضا پرتاب شد.

داده‌های Gaia در اویل سال ۲۰۲۰ منتشر خواهد شد. مور می‌گوید: «برای اولین بار،  Gaia اثر یک پیش‌بینی واقع‌گرایانه را اندازه‌گیری خواهد کرد.» هنگام طراحی Gaia محققان متوجه شدند که آشکارسازی امواج گرانشی یکی از کاربردهای بالقوه این وسیله است [4]. عوامل زیادی در کاربردی‌شدن این رویکرد مشارکت دارند که شامل دقت و زمان طولانی اندازه‌گیری‌های نجومی است. Gaia طی ۵ تا ۱۰ سال حدود یک میلیارد ستاره را رصد خواهد کرد که هر کدام از آنها طی این دوره حداقل ۸۰ بار رصد خواهد شد. طبق گفته مور، رصد این همه ستاره برتری مهم Gaia محسوب می‌شود.

مور و همکارانش نشان دادند که امواج گرانشی الگوی تغییر مشخصی در مکان همه ستارگان ایجاد می‌کند. محققان موج گرانشی ناشی از دو ابرسیاه‌چاله چرخان به دور یکدیگر را شبیه‌سازی کردند و نشان دادند که این موج باید در اندازه‌گیری و بررسی ۱۰۰۰۰۰ ستاره توسط Gaia قابل آشکارسازی باشد. (تجزیه‌وتحلیل یک میلیارد ستاره نیازمند محاسبات زیادی است.) این روش برای امواج گرانشی با فرکانس بسیار پایین، فرکانس چند میکروهرتز تا نانوهرتز، موثر است، به این مفهوم که یک نوسان تکی می‌تواند سال‌ها طول بکشد.

بااین‌حال، موفقیت این روش تضمین‌شده نیست. طبق گفته مور «آشکارسازی امواج با این فرکانس‌های بسیار ضعیف حتی برای Gaia نیز مشکل است.» مور می‌گوید احتمالا منبع امواج گرانشی قابل‌دیدن برای Gaia، دو ابرسیاه‌چاله است که با دوره تناوب تقریبا یک ‌سال به دور یکدیگر می‌چرخند و در مرکز یکی از کهکشان‌های بزرگ و نسبتا نزدیک به ما قرار دارد. چنین اجرامی، بین ۱۰ میلیون تا ۱۰۰ میلیون برابر خورشد ما جرم دارند.

کارل گویین (Carl Gwinn) اخترفیزیک‌دان دانشگاه کالیفرنیا در سنتا باربارا، می‌گوید: «این یک ایده عالی است و ارزش کارکردن دارد.» وی می‌گوید ازبین‌بردن سیگنال‌های مخالف اثرات ناشی از دستگاه‌ها و ابزارها، مانند نوسان در جهت‌گیری فضاپیماها، چالش‌برانگیز خواهد بود.

Jos de Bruijne، معاون پروژه علمی ماموریت Gaia در ESA، تایید کرده است که طرح‌های پیشنهادی و نتایج شبیه‌سازی با قابلیت‌های ابزار سازگار است. طبق گفته Gwinn از آنجا که که شکست موج در جو زمین مانع رصد آنها توسط تلسکوپ‌های زمینی می‌شود، یک ابزار فضایی باید چنین آثاری را رصد کند.

De Bruijne می‌گوید احتمالا این روش می‌تواند منابع امواج گرانشی راکه به‌راحتی با آشکارسازهای تداخل‌سنجی مثل LIGO دیده نمی‌شوند، نشان دهد که شامل امواج گرانشی اولیه ناشی از دوره تورمی مهبانگ است. Gwinn می‌افزاید Gaia می‌تواند امواج گرانشی ناشی از ادغام ستاره با ابرسیاه‌چاله مرکزی کهکشان خود را نیز ببیند که باید یک رخداد نسبتا شایع باشد.

تهیه خبر: سمانه نوروزی

نویسنده:

Philip Ball PPhilip Ballhilip Ball

منابع

1. V. B. Braginsky, N. S. Kardashev, A. G. Polnarev, and I. D. Novikov, “Propagation of Electromagnetic Radiation in a Random Field of Gravitational Waves and Space Radio Interferometry,” Nuovo Cimento B 105, 1141 (1990); https://link.springer.com/article/10.1007/BF02827323.
2. T. Pyne, “Gravitational Radiation and Very Long Baseline Interferometry,” Astrophys. J. 465, 566 (1996).
3. J. A. Ellis, F. A. Jenet, and M. A. McLaughlin, “Practical Methods for Continuous Gravitational Wave Detection Using Pulsar Timing Data,” Astrophys. J. 753, 96 (2012).
4. S. A. Klioner, “Gaia-like Astrometry and Gravitational Waves,” arXiv:1710.11474.