اكتشف علماء الفلك أن الكون ينبض بموجات الجاذبية

كشف اتحاد دولي للتعاون البحثي ، مساء الأربعاء ، عن أدلة دامغة على وجود همهمة منخفضة الصوت من موجات الجاذبية التي يتردد صداها عبر الكون.

يشك العلماء بشدة في أن موجات الجاذبية هذه هي صدى جماعي لأزواج من الثقوب السوداء الهائلة – الآلاف منها ، بعضها بحجم مليار شمس ، يجلس في قلوب المجرات القديمة التي تصل إلى 10 مليارات سنة ضوئية – لأنها بطيئة دمج وتوليد تموجات في الزمكان.

قال كزافييه سيمنز ، الفيزيائي في جامعة ولاية أوريغون ، وهو جزء من تعاون مرصد نانوهيرتز لموجات الجاذبية ، أو NANOGrav ، الذي قاد هذا الجهد: “أحب أن أفكر في الأمر كجوقة أو أوركسترا”. قال الدكتور سيمنز إن كل زوج من الثقوب السوداء الهائلة يولد نغمة مختلفة ، “وما نستقبله هو مجموع كل تلك الإشارات في وقت واحد.”

كانت النتائج متوقعة للغاية ، حيث جاءت بعد أكثر من 15 عامًا من بدء NANOGrav في أخذ البيانات. قال العلماء ، حتى الآن ، كانت النتائج متوافقة مع نظرية ألبرت أينشتاين للنسبية العامة ، والتي تصف كيف تعمل المادة والطاقة على تشوه الزمكان لخلق ما نسميه الجاذبية. مع جمع المزيد من البيانات ، يمكن أن يساعد هذا الطنين الكوني الباحثين على فهم كيفية تحقيق الكون لبنيته الحالية وربما يكشف عن أنواع غريبة من المادة التي ربما تكون موجودة بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم قبل 13.7 مليار سنة.

قالت كيارا مينجاريللي ، عالمة الفيزياء الفلكية في جامعة ييل وعضو NANOGrav: “كانت خلفية الموجة الثقالية دائمًا هي أعلى صوت يمكن العثور عليه وأكثرها وضوحًا”. “هذه في الحقيقة مجرد بداية لطريقة جديدة تمامًا لمراقبة الكون.”

قال الدكتور مينجاريللي إن موجات الجاذبية تنشأ عن أي جسم يدور ، مثل البقايا الدوارة للجثث النجمية ، أو التي تدور حول الثقوب السوداء أو حتى شخصان “يقومان بعمل دو سي دو”. ولكن على عكس الأنواع الأخرى من الموجات ، فإن هذه التموجات تتمدد وتضغط على نسيج الزمكان ذاته ، مما يؤدي إلى تشويه المسافات بين أي أجسام سماوية تمر بها.

قال الدكتور مينجاريللي: “يبدو الأمر من الخيال العلمي”. “لكنها حقيقية.”

تم اكتشاف موجات الجاذبية لأول مرة في عام 2016 على شكل غردات مسموعة بواسطة مرصد موجات الجاذبية بالليزر أو LIGO. عزز هذا الاختراق نظرية أينشتاين للنسبية العامة كنموذج دقيق للكون وحصل مؤسسي المشروع على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2017. لكن إشارات LIGO كانت في الغالب في نطاق تردد بضع مئات من هرتز ، وتم إنشاؤها بواسطة أزواج فردية من الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية التي كانت كتلتها من 10 إلى 100 كتلة مثل شمسنا.

في المقابل ، كان الباحثون المشاركون في هذا العمل يبحثون عن همهمة جماعية بترددات أقل بكثير – واحد على المليار من واحد هرتز ، أقل بكثير من النطاق المسموع – صادر من كل مكان دفعة واحدة.

قال الدكتور مينجاريللي: عند أدنى ترددات ، يكون هذا الطنين مرتفعًا جدًا “لدرجة أنه يمكن أن يأتي من مئات الآلاف ، أو ربما مليون ، من الإشارات المتداخلة من تاريخ الاندماج الكوني لثنائيات الثقوب السوداء الهائلة”.

تم اكتشاف الإشارة من خلال دراسة سلوك النجوم التي تدور بسرعة والتي تسمى النجوم النابضة ، وذلك باستخدام طريقة حصلت في عام 1993 على جائزة نوبل في الفيزياء لاثنين من العلماء لقياس تأثيرات موجات الجاذبية بشكل غير مباشر.

نشر فريق NANOGrav في وقت واحد أربع دراسات في مجلة The Astrophysical Journal Letters ، بالإضافة إلى ورقتين إضافيتين على خادم ما قبل الطباعة arXiv.org ، والتي توضح بالتفصيل جمع البيانات وتحليلها والتفسيرات المختلفة للنتيجة.

إذا كانت الإشارة قد نشأت من دوران أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة ، فإن دراسة خلفية موجة الجاذبية سوف تلقي الضوء على التاريخ التطوري لهذه الأنظمة والمجرات المحيطة بها. لكن خلفية الموجة الثقالية يمكن أن تأتي أيضًا من شيء آخر ، مثل الشقوق الافتراضية في الزمكان والمعروفة باسم الأوتار الكونية.

أو يمكن أن يكون من مخلفات الانفجار العظيم ، على غرار الخلفية الكونية الميكروية ، التي أدت إلى اكتشافات أساسية حول بنية الكون في غضون 400000 عام من بدايته. قال الدكتور مينجاريللي إن خلفية موجة الجاذبية ستكون مسبارًا بدائيًا أفضل ، لأنه كان من الممكن أن ينبعث على الفور تقريبًا.

لاكتشاف خلفية موجة الجاذبية ، حلل الباحثون الطبيعة الشبيهة بالمنارة للنجوم النابضة. تعمل هذه الأجسام مثل الساعات الكونية ، حيث تنبعث منها حزم من موجات الراديو التي يمكن قياسها بشكل دوري على الأرض. تتنبأ نظرية النسبية العامة لأينشتاين أنه عندما تجتاح موجات الجاذبية النجوم النابضة ، يجب أن توسع وتقليص المسافة بين هذه الأجسام والأرض ، وتغيير الوقت الذي تستغرقه إشارات الراديو للوصول إلى المراقبين. وإذا كانت خلفية موجة الجاذبية موجودة بالفعل في كل مكان ، فيجب أن تتأثر النجوم النابضة عبر الكون بطريقة مترابطة.

بدلاً من بناء أداة مخصصة ، استفاد فريق NANOGrav من التلسكوبات الراديوية الموجودة في جميع أنحاء العالم: المصفوفة الكبيرة جدًا في نيو مكسيكو ، وتلسكوب جرين بانك في فيرجينيا الغربية ومرصد أريسيبو في بورتوريكو (قبل الانهيار المشؤوم قبل ثلاث سنوات) .

في عام 2020 ، بعد أكثر من 12 عامًا من جمع البيانات ، أصدر فريق NANOGrav نتائج رصد توقيت 45 نجمًا نابضًا. قال الدكتور سيمنز إنه حتى في ذلك الوقت ، رأى الباحثون تلميحات محيرة لخلفية موجة الجاذبية ، لكنهم احتاجوا إلى تتبع المزيد من النجوم النابضة لفترات أطول من الوقت للتأكد من أنها مرتبطة بالفعل ، والمطالبة باكتشاف. لذلك تواصل فريق NANOGrav مع زملائه من خلال International Pulsar Timing Array – وهي منظمة شاملة تضم تعاونًا مقرها في الهند وأوروبا والصين وأستراليا – ونسق جهدًا للكشف عن خلفية موجة الجاذبية معًا.

تقديم سريع ليوم الأربعاء: ينشر كل تعاون الآن نتائج من بيانات تم جمعها بشكل مستقل ، وكلها تدعم وجود خلفية موجات الجاذبية. يمتلك فريق NANOGrav أكبر مجموعة بيانات ، مع 15 عامًا من القياسات من 67 نجمًا نابضًا ، تم رصد كل منها لمدة ثلاث سنوات على الأقل.

النتائج تحمل مستوى ثقة في نطاق 3.5 إلى 4 سيجما ، خجولة تمامًا من معيار 5 سيجما الذي يتوقعه الفيزيائيون عمومًا للادعاء باكتشاف مدفع تدخين. وهذا يعني أن احتمالات رؤية نتيجة كهذه بشكل عشوائي تبلغ حوالي 1 في 1000 عام ، كما قال الدكتور مينجاريللي. قالت: “هذا جيد بما يكفي بالنسبة لي ، لكن الآخرين يريدون مرة واحدة في كل مليون سنة”. “سنصل إلى هناك في النهاية.”

اعترف مارسيل سواريس سانتوس ، عالِمة الفيزياء الفلكية بجامعة ميتشيغان ، والتي لم تشارك في العمل ، أنه على الرغم من أن هذا كان دليلًا مبكرًا ، إلا أن النتائج كانت جذابة. وقالت: “هذا شيء كان المجتمع يتوقعه منذ فترة طويلة” ، مضيفة أن القياسات المستقلة من تعاونات توقيت النجوم النابضة الأخرى عززت النتائج.

ومع ذلك ، قال الدكتور سواريس سانتوس ، إنه من السابق لأوانه معرفة التأثير الذي قد تحدثه خلفية الموجة الثقالية على الأبحاث المستقبلية. إذا كانت الإشارة بالفعل من التصاعد البطيء الداخلي للثقوب السوداء الهائلة ، كما يعتقد العديد من المتعاونين في NANOGrav ، فإنها ستزيد مما يفهمه العلماء حول الطريقة التي اندمجت بها المجرات المبكرة ، وتشكل أنظمة أكبر من النجوم والغبار التي استقرت في النهاية في المجمع. الهياكل التي لوحظت اليوم.

ولكن إذا نشأت التموجات مع الانفجار العظيم ، فقد توفر بدلاً من ذلك نظرة ثاقبة حول توسع الكون أو طبيعة المادة المظلمة – الغراء غير المرئي الذي يعتقد العلماء أنه يربط الكون معًا – وربما حتى تكشف عن جسيمات أو قوى جديدة كانت موجودة في السابق. (لاحظ الخبراء أن خلفية الموجة الثقالية يمكن أن تنشأ أيضًا من مصادر متعددة ، وفي هذه الحالة سيكون التحدي هو فصل مقدار ما يأتي من أين).

يعمل فريق NANOGrav بالفعل على تحليل جميع البيانات من تعاونات الموجات الثقالية حول العالم ، بما يعادل 25 عامًا من القياسات من 115 نجمًا نابضًا. وقال الدكتور سيمنز إن هذه النتائج سيتم الكشف عنها في غضون عام أو نحو ذلك ، مضيفًا أنه يتوقع أن تتجاوز مستوى اكتشاف 5 سيجما.

ولكن قد تكون هناك حاجة لبضع سنوات أخرى لتأكيد مصدر خلفية موجة الجاذبية. بدأ الباحثون بالفعل في استخدام بياناتهم لتجميع خرائط الكون والبحث عن مناطق قريبة مكثفة لإشارات موجات الجاذبية التي تشير إلى ثنائي فردي للثقب الأسود فائق الكتلة. من هنا تبدأ المتعة ، كما قال الدكتور مينجاريللي ، الذي يتطلع إلى تحليل تلك الخرائط والبحث عن المزيد من الظواهر الغريبة ، مثل النفاثات المجرية أو الأوتار الكونية أو الثقوب الدودية.

قال الدكتور سواريس سانتوس: “يمكن أن يؤدي هذا إلى شيء جديد حقًا” ، مقارنته باكتشاف الخلفية الكونية الميكروية في الستينيات ، والتي غيرت منذ ذلك الحين معرفة الفيزيائيين عن الكون المبكر. “لا نعرف حتى الآن التأثير الذي سيكون له ، لكنه سيكون بالتأكيد فصلًا جديدًا في كتاب موجات الجاذبية. ويبدو أننا نشاهد كتابة هذا الكتاب “.

دينيس أوفرباي ساهم في إعداد التقارير.