یک آشکارساز امواج گرانشی را تصور کنید که در بخش قابلِ‌ملاحظه‌ای از کهکشان ما گسترده شده باشد. به طور خلاصه این آشکارساز، رصدخانۀ امواج گرانشی نانوهرتز در آمریکای شمالی (NANOGrav) است که بااستفاده‌از شبکه‌ای از ستاره‌های ساعت‌مانند، که تپ‌اختر نامیده می‌شوند، فواصل دوردست در همسایگی کیهانی ما را بررسی و کنترل می‌کند. گروه NANOGrav در اواخر سال ۲۰۲۰ نوساناتی در زمان تیک‌های تپ‌اختر گزارش کرد که می‌توانست شواهدی از امواج گرانشی در فرکانس‌های نانوهرتز باشد^۱. منبع چنین امواجی با دروه‌های کُند می‌تواند ادغام‌های سیاه‌چاله‌ای باشد، اما چندین پژوهش نظری جدید – که همه در Physical Review Letters آمده است – پیشنهاد می‌کند که اجرام شگفت‌انگیز دیگری می‌تواند این مشاهده را توجیه کند. یک احتمال این است که توزیع گسترده در یک بعد فوقِ‌چگال،‌ که ریسمان‌های کیهانی نامیده می‌شوند، این تابش‌های کیهانی را از طریق ارتعاشات حلقه‌های نواری ایجاد کنند^۲و۳. ایدۀ دیگر این است که این امواج در طی تولد سیاه‌چاله‌های اصطلاحاً اولیه ایجاد شده‌اند، که تصور می‌شود در اخگرهای مهبانگ تشکیل شده‌اند^۴و۵. اگر سیگنال NANOGrav ناشی از امواج گرانشی باشد، رصدهای تپ‌اختر بیشتر در پنج سال آینده می‌تواند تفاوت‌ منابع مختلف را مشخص کند.

تپ‌اختر ستارۀ نوترونی چرخان بسیار سریعی است که پرتوهای رادیویی تابشی آن در فواصل زمانی منظم زمین را جاروب می‌کند، مانند نور یک فانوس دریایی. ارتباط آنها با امواج گرانشی به سال ۱۹۷۴ برمی‌گردد، وقتی راسل هالس و ژوزف تیلور، فیزیک‌دان، کاهش سرعت تپ‌اختر را درنتیجۀ انتشار پرتوهای گرانشی توصیف کردند. آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی در سال ۲۰۱۶ انجام شد، وقتی که آزمایش LIGO تغییرات کوچک و ناشی از موج را در طول بازوهای تداخل‌سنج عظیم خود نشان داد. NANOGrav به دنبال آثار واپیچش فضایی مشابه در فاصلۀ ۱۰۰۰ سال نوری در ۴۵ تپ‌اختری است که در سراسر آسمان گسترده شده است. اگر امواج گرانشی از میان زمین و یکی از تپ‌اخترها در آرایه بگذرد، تغییر فاصله بر زمان چشمک‌های رادیویی تپ‌اختر تأثیر می‌گذارد، که تقریباً هر یک میلی‌ثانیه یک‌بار به زمین می‌رسند. ژوزف سایمون از گروه همکاری NANOGrav می‌گوید: «نوع دقت زمان‌بندی‌ای که می‌توانید از یک تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای ببینید واقعاً با دقت یک ساعت اتمی برابری می‌کند.»

نتایج NANOGrav در سال ۲۰۲۰ برپایۀ تجزیه‌وتحلیل داده‌های ۱۲.۵ سال، نوسانات زمانی بیش از چند سال در بازه‌های زمانی را نشان می‌دهد. این نوسانات در همۀ تپ‌اخترها رخ داده که استدلالی علیه وجود نوفه‌های ذاتی در انتشار تپ‌اختر است. سایمون می‌گوید: «تپ‌اخترها برای صحبت کردن با یکدیگر جهت هماهنگی رفتار هیچ راهی ندارند». بلکه نوسانات مشترک می‌تواند ناشی از پس‌زمینۀ تصادفیِ – یا «همهمه»ی - امواج گرانشی باشد. کای اشمیتز از سرن در سوییس می‌گوید: «آشکارسازی پس‌زمینۀ تصادفی در امواج گرانشی یکی از موردِانتظارترین و مهم‌ترین نقاط عطف نجومِ امواج گرانشی است.

نتایج NANOGrav هنوز جای تردید دارد. سایمون می‌گوید: «من مطمئنم که خودِ سیگنال واقعی است.» اما تصدیق می‌کند که تفسیر امواج گرانشی نیازمند شواهد بیشتری است. به‌ویژه، امواج گرانشی باید یک الگوی همبستگی بسیار دیده‌نشده در میان تپ‌اخترها ثبت کنند: نوسانات تپ‌اخترهایی که در آسمان نزدیک به یکدیگرند باید همبسته‌تر از تپ‌اخترهایی باشد که جدایی زاویه‌ای دارند.

اگر سیگنال به درستی ناشی از امواج گرانشی باشد، یک توضیح طبیعی مثل ادغام سیاه‌چاله‌ خواهد داشت. سیاه‌چاله‌های ادغام‌شده برای تولید امواج با فرکانس‌های نانوهرتز باید وزنی میلیون‌ها برابرِ وزن سیاه‌چاله‌ای با وزن منظومه شمسی که LIGO و Virgo آشکارسازی کرده‌اند، داشته باشد. اخترشناسان می‌دانند که سیاه‌چاله‌های ابَرپرجرم در مرکز بیشتر کهکشان‌ها قرار دارند. منطقی است که با ادغام کهکشان‌ها، سیاه‌چاله‌های اَبَرپرجرم نیز ادغام شوند. اشمستز می‌گوید اما چندین عدمِ قطعیت در این سناریو وجود دارد، مانند این که آیا سیاه‌چاله‌ها می‌توانند یک دوتایی چرخان مقید به هم، که برای تولید امواج گرانشی لازم است، تشکیل دهند.

ریسمان¬های کیهانی که به حلقه‌هایی بسته شده‌اند می‌توانند امواج گرانشی را در طیف وسیعی از فرکانس‌ها تولید کنند که شامل امواجی که NANOGrav کاوش می‌کند نیز می‌شود.

منابع جایگزین امواج گرانشی محتمل است. اشمستز و همکارانش نشان دادند که ریسمان¬های کیهانی چگال، اجرامی تک‌بعدی‌ای که پیش‌بینی می‌شود طی گذار فاز در میدان‌های پُرکننده فضا در جهان اولیه ایجاد شوند، می‌تواند داده‌های NANOGrav را بازتولید کند^۲. این ریسمان¬ها شبکه‌ای متقاطع در سراسر فضا تشکیل می‌دهند. با گذشت زمان این ریسمان‌ها با یکدیگر برخورد می‌کنند یا یکدیگر را دو نیم می‌کنند و حلقه‌های بسته‌ای ایجاد می‌کنند که با نوسان خود امواج گرانشی تولید می‌کنند. مدل‌ها نشان می‌دهد که چنین حلقه‌هایی در طول تاریخ جهان شکل گرفته‌اند، جدیدترین حلقه‌ها در مقیاس‌های سال نوری کشیده شده‌اند و امواج گرانشی با طول‌موج کوتاه تولید می‌کنند. مارِک لوویسکی از دانشگاه ورشو در لهستان می‌گوید: «اگر سیگنال موجی در فرکانس نانوهرتز ببینید، احتمالاً ریسمان¬های کیهانی مسئول آن‌اند». او و جان الیس، از کالج سلطنتی لندن، زمینۀ امواج گرانشی ریسمان¬های کیهانی را مدل‌سازی کرده‌اند و تطابق نتایج را با نتایج کار اشمیتز و همکاران ارائه کرده‌اند^۳.

هر دو مدل پیش‌بینی می‌کنند که ریسمان‌های کیهانی امواج گرانشی را در گسترۀ وسیعی از فرکانس‌ها تولید کرده‌اند. این طیف وسیع با طیف حاصل از سیاه‌چاله‌های ابَرپرجرم ادغام‌شده، که انتظار می‌رود با شدت به سمت فرکانس‌های میلی‌هرتز برود، فرق دارد. لویسکی می‌گوید دانشمندان باید بتوانند با LISA، یک آشکارساز امواج گرانشی بر پایۀ فضا که قرار است سال ۲۰۳۴ پرواز کند، این مناطقِ با فرکانس بالاتر را جاروب کنند.

توجیه سومْ سیاه‌چاله‌های اولیه را دربر می‌گیرد. این اجرام فرضی می‌توانستند در همان جهان اولیه در فرایندهایی که تابش گرانشی نیز تولید می‌کند، تشکیل شده باشند. گابریل فرانسیولینی، از دانشگاه جنوا، توضیح می‌دهد که فرکانس امواج گرانشی با جرم سیاه‌چاله مرتبط است. سیگنال نانوهرتزی که NANOGrav مشاهده کرده مربوط به سیاه‌چاله‌های با جرم ۰٫۱ -۰٫۰۱ برابر جرم منظومه شمسی است. فرانسیولینی و دیگر اعضاء گروه آنتونیو ریوتو در جنوا سناریویی تصور کرده‌اند که در آن سیاه‌چاله‌های اولیه در محدوده جرم بسیار وسیعی، از جرم خورشید تا جرم سیارک‌ها، ایجاد شده‌اند^۴. یک جنبه جذاب این طرح این است که نه‌فقط می‌توان آن را به حساب رصدهای NANOGrav گذاشت بلکه می‌تواند ماده تاریک هم باشد. فرانسیولینی می‌گوید:‌ «پنجره‌ای وجود دارد که از آن می‌توانید ۱۰۰درصد ماده تاریک را به شکل سیاه‌چاله‌های اولیه ببینید». دیگر محققان در اسپانیا و استونی مدل مشابهی ارائه کرده‌اند که محدوده جرم سیاه‌چاله‌های آن بالاتر و بین هزاران و میلیون‌ها برابر جرم خورشید است^۵. جنین اجرامی نمی‌توانند ماده تاریک باشند، اما ممکن است بتوانند معمای چگونگی تشکیل سیاه‌چاله‌های ابَرپُرجرم را حل کنند.

تصویر نشان‌دهنده سیاه‌چاله ابَرپُرجرمی در نزدیکی مرکز کهکشان M87 است. سیاه‌چاله‌هایی با این اندازه می‌توانند در خلال ادغام‌هایشان امواج گرانشی با فرکانس نانوهرتز تولید کنند. دیگر سناریوهای تولیدکننده این امواج سیاه‌چاله‌های اولیه را درنظر می‌گیرند که ممکن است در جهان اولیه تشکیل شده باشند و می‌توانند بذر اولیه سیاه‌چاله‌های ابَرپُرجرم باشند.

فرانسیولینی می‌گوید:‌ «الان چیزهای هیجان‌انگیز زیادی وجود دارد زیرا اگر سیگنال NANOGrav سیاه‌چاله اولیه باشد، می‌توانیم نظریه‌های جهان اولیه را مانند نظریات ذرات بنیادی، محدود کنیم». مشخصات طیف امواج گرانشی می‌تواند اطلاعاتی درباره تاریخچه انبساط جهان و فیزیک ذرات بنیادی با انرژی‌های غیرقابل دسترس با برخورددهنده‌های فعلی ذرات فراهم کند. اما ممکن است بررسی‌های طیفی مورد نیاز ده‌ها سال از هم فاصله داشته باشند.

گروه NANOGrav در کوتاه‌مدت قصد دارد صحت سیگنال خود را بسنجد. این گروه همکاری در ماه دسامبر گذشته، وقتی تلسکوپ رادیویی Arecibo در پورتوریکو ازبین رفت، با شکستی مواجه شد. سایمون می‌گوید: «تقریباً نیمی از حساسیت کار ما را Arecibo تشکیل می‌داد، به این ترتیب ازدست دادن آن واقعا تأثیرگذار است». NANOGrav در حال کار با همکاران بین‌المللی است تا تلسکوپ‌هایی بیایند که بتوانند جای خالی Arecibo را پر کنند. ضمناً گروه در حال کار بر روی مقایسه داده‌های خود با دیگر پروژه‌های آرایه زمان‌بندی تپ‌اخترها در اروپا و استرالیا است. سایمون می‌گوید: «شما باید طی شش یا نُه ماه آینده انتظار تأیید – یا رد – سیگنال را داشته باشید». او انتظار دارد که اگر سیگنال واقعی باشد، اخترشناسان طی پنج سال آینده تصویر واضح‌تری از شکل سیگنال داشته باشند، که تفاوت‌های میان مدل‌ها را مشخص خواهد کرد.

منبع:

https://physics.aps.org/articles/v14/15

نویسنده: Michael Schirber، از ویراستاران Physics در لیون فرانسه است.

مراجع:

1.

Z. Arzoumanian et al., “The NANOGrav 12.5 yr data set: Search for an isotropic stochastic gravitational-wave background,” Astrophys. J. Lett. 905, L34 (2020).

2.

S. Blasi et al., “Has NANOGrav found first evidence for cosmic strings?” Phys. Rev. Lett. 126, 041305 (2021).

3.

J. Ellis and M. Lewicki, “Cosmic string interpretation of NANOGrav pulsar timing data,” Phys. Rev. Lett. 126, 041304 (2021).

4.

V. De Luca et al., “NANOGrav data hints at primordial black holes as dark matter,” Phys. Rev. Lett. 126, 041303 (2021).

5.

V. Vaskonen and H. Veermäe, “Did NANOGrav see a signal from primordial black hole formation?” Phys. Rev. Lett. 126, 051303 (2021).