امواج گرانشی چیست؟
امواج گرانشی مانند موج هایی در فضا – زمان هستند که ناشی از رویداده ای بسیار قدرتمند و پرانرژی در جهان هستند. آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ این امواج را در نظریه نسبیت عام خود پیش بینی کرد. براساس محاسبات اینشتین، هنگامی که اجرام بزرگ مانند ستاره های نوترونی یا سیاه چاله ها سرعت می گیرند، فضا – زمان را به هم می ریزند و امواجی ایجاد می کنند که از منبع به سمت بیرون حرکت می کنند. این امواج کیهانی با سرعت نور حرکت می کنند و اطلاعاتی را در مورد اینکه از کجا آمده اند باخود حمل می کنند و اشاراتی را در مورد خود گرانش می دهند.
قدرتمندترین امواج گرانشی زمانی اتفاق می افتند که چیزهایی مانند سیاه چاله ها با هم برخورد می کنند، ستاره های عظیم منفجر می شوند (ابرنواخترها)، یا ستاره های نوترونی به یکدیگر برخورد می کنند. همچنین ممکن است امواج ناشی از چرخش ستاره های نوترونی وجود داشته باشد که کره های کامل یا باقی مانده از تابش گرانشی ایجاد شده در طول انفجار بزرگ نیستند.
انیمیشن زیر نشان می دهد که چگونه امواج گرانشی از دو ستاره نوترونی به دور یکدیگر می چرخند و سپس به هم می پیوندند. لازم به ذکر است که امواج گرانشی را نمی توان دید، بلکه در این انیمیشن قابل مشاهده هستند تا نشان دهند چگونه از منبع دور می شوند.
اگرچه اینشتین امواج گرانشی را در سال ۱۹۱۶ پیش بینی کرده بود، اما ما تا سال ۱۹۷۴، ۲۰ سال پس از درگذشت او، مدرکی نداشتیم. در آن سال، ستاره شناسان راسل هولز و جوزف تیلور با استفاده از رصدخانه رادیویی آرسیبو در پورتوریکو، یک تپ اختر دوتایی در فاصله ۲۱۰۰۰ سال نوری پیدا کردند. این همان سیستمی بود که نسبیت عام می گفت باید امواج گرانشی منتشر کند. هولز و تیلور سیگنال های رادیویی ستاره ها را ردیابی کردند تا ببینند مدار آن ها در طول زمان چگونه تغییر می کند. تنها در چهار سال، آن ها شاهد تغییری بودند که تایید می کرد ستاره ها همان طور که نسبیت عام پیش بینی می کرد، نزدیک تر می شوند. در سال ۱۹۹۳، هولز و تیلور جایزه نوبل فیزیک را برای این کشف دریافت کردند.
از آن زمان تاکنون، بسیاری از ستاره شناسان تشعشعات رادیویی تپ اختر را مطالعه کرده اند و اثرات مشابهی یافته اند که وجود امواج گرانشی را تایید می کند. با این حال، این تاییدها همیشه غیر مستقیم یا ریاضی بودند، نه از طریق تماس مستقیم با یک ابزار.
همه چیز در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ تغییر کرد، زمانی که LIGO (رصدخانه موج گرانشی تداخل سنج لیزری)به صورت فیزیکی امواج فضا – زمان ناشی از امواج گرانشی دو سیاه چاله در فاصله ۱.۳ میلیارد سال نوری را شناسایی کرد. کشف اول لایگو یکی از بزرگ ترین دستاوردهای علمی بشریت محسوب می شود.
اگرچه رویدادهایی که امواج گرانشی ایجاد می کنند، خشن هستند، اما زمانی که به زمین می رسند، بسیار کوچک تر می شوند و مانند موج هایی در یک برکه کاهش می یابند. در واقع زمانی که LIGO در سال ۲۰۱۵ امواج گرانشی را شناسایی کرد، لرزش فضایی ناشی از آن ها هزار برابر کوچک تر از یک هسته اتم بود! LIGO برای انجام اندازه گیری های فوق العاده کوچک طراحی شده بود.
فرکانس امواج گرانشی چقدر است؟
این نوع وضعیت روی زمین دیده نمی شود، اما در سیستم های فضایی مختلف وجود دارد. انتظار می رود سیگنال های موج گرانشی در فرکانس های مختلف، از حدود ۱۰ تا ۱۷ هرتز برای امواج در زمینه کیهان شناسی تا حدود ۱۰۳ هرتز از ایجاد ستاره های نوترونی در انفجارهای ابرنواختر باشد.
امواج گرانشی زمینه ای(تصادفی)
امواج گرانشی تصادفی، امواج باقیمانده از مراحل اولیه کیهان هستند. مشابه پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB)، که احتمالاً نور باقیمانده از بیگ بنگ است، این امواج گرانشی ناشی از رویدادهای تصادفی متعددی هستند که در کنار هم قرار می‌گیرند و پس‌زمینه جهانی امواج گرانشی را تشکیل می‌دهند. بیگ بنگ منبع اصلی برای ایجاد فرآیندهای تصادفی مختلف مورد نیاز برای تولید امواج گرانشی تصادفی (و CMB) در نظر گرفته می شود.
بنابراین، این امواج ممکن است حاوی اطلاعاتی در مورد منشأ و تاریخ جهان باشد. اگر این امواج گرانشی واقعاً از بیگ بنگ سرچشمه می‌گرفتند، با انبساط جهان گسترش می‌یافتند و بینش‌هایی را در مورد ابتدای جهان ارائه می‌کردند. آنها تقریباً بین ۱۰^-۳۶ تا ۱۰^-۳۲ ثانیه پس از انفجار بزرگ تولید می شدند، در حالی که CMB حدود ۳۰۰۰۰۰ سال بعد تولید شد. صدای تولید شده توسط این امواج گرانشی یک نویز پیوسته (شبیه استاتیک) خواهد بود و از هر قسمت از آسمان یکسان خواهد بود (شبیه به CMB). پس‌زمینه‌های مشابهی نیز می‌تواند با ترکیبی از الهام‌های مختلف، انفجارها یا سیگنال‌های پیوسته از سراسر کیهان ایجاد شود.
امواج گرانشی و نسبیت عام انیشتین
در نظریه نسبیت عام، نیروهای گرانشی بین اجرام پرجرم، مانند سیارات یا ستارگان، به این دلیل اتفاق می‌افتند که فضازمان با حضور آنها منحنی می‌شود. این انحنای ناشی از تأثیر این اجسام عظیم است. امواج گرانشی اختلالاتی در انحنای فضازمان هستند که به سمت بیرون حرکت می کنند. آنها توسط فرآیندهای بسیار خشن و پر انرژی در جهان ایجاد می شوند. یک مقایسه رایج در نسبیت عام، گرانش را به جرم هایی که یک ورق لاستیکی را خم می کنند تشبیه می کند. توده های کوچکتر به سمت فرورفتگی های ایجاد شده توسط توده های بزرگتر کشیده می شوند که نشان دهنده نیروی جاذبه گرانش است. در این قیاس، امواج گرانشی مانند امواجی هستند که روی ورقه لاستیکی پخش می‌شوند، شبیه امواج روی سطح آب.
بر خلاف گرانش نیوتنی، که گرانش فوراً عمل می کند، طبق نسبیت خاص، هیچ برهمکنشی، از جمله گرانش، نمی تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند. به عنوان بخشی از نظریه نسبیت عام خود در سال ۱۹۱۶، اینشتین پیش بینی کرد که گرانش به صورت موجی از طریق تأثیر ذرات بی جرم به نام گراویتون که با سرعت نور حرکت می کنند، گسترش می یابد. این ذرات امواج گرانشی را تشکیل می دهند، همانطور که فوتون ها امواج نور را تشکیل می دهند.
زمان نسبی چیست؟
یکی از پیشگامانه ترین ایده های قرن بیستم این است که زمان برای همه یکسان نیست.
اگرچه همه ما از ثانیه ها، دقیقه ها، ساعت ها، روزها و هفته های یکسانی در زندگی خود پیروی می کنیم، زمان مطلق نیست. عبور آن به سرعت و میزان شتاب شما در هر لحظه بستگی دارد، نه به جایی که روی زمین هستید.
اما چگونه زمان می تواند همزمان کندتر و سریعتر باشد؟
آخرین قسمت از MinutePhysics توضیح می دهد که هر چه سریعتر حرکت کنید زمان کندتر می گذرد. این در مورد نحوه درک ما از زمان نیست، که تحقیقات اخیر نشان می دهد که در واقع به دلیل فراوانی فناوری در زندگی ما در حال افزایش سرعت است. در عوض، این در مورد سرعت واقعی زمان است، که آزمایش‌ها نشان داده‌اند با افزایش سرعت ذرات مانند میون و فوتون، سرعت آن کاهش می‌یابد.
در نظریه نسبیت انیشتین، اتساع زمان، تفاوت در زمان سپری شده بین دو رویداد را توصیف می‌کند که توسط ناظرانی که نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند یا بسته به نزدیکی آنها به یک جسم عظیم اندازه‌گیری می‌شود. به زبان ساده، این تئوری بیان می کند که هر چه سریعتر حرکت کنیم، زمان بیشتر تحت تأثیر قرار می گیرد.
با این حال، این ایده ممکن است کمی متناقض به نظر برسد اگر زمان به اندازه پیشنهاد نسبی باشد. همانطور که هنری از MinutePhysics اشاره می کند، تصور کنید دو نفر در فضا در جهت مخالف زوم می کنند. وقتی از کنار هم می گذرند، از دیدگاه یک نفر، به نظر می رسد که دیگری در حال حرکت است، بنابراین زمان برای آنها باید کندتر بگذرد. در عین حال، از دیدگاه طرف مقابل، به نظر می رسد که نفر اول در حال حرکت است، بنابراین زمان باید برای او کندتر بگذرد.
