موجات الجاذبية

تموجات في الزمكان

تصف نظرية النسبية العامة لأينشتاين الجاذبية لا بوصفها قوة شدّ، بل انحناءً في المكان والزمان المندمجين معًا في الزمكان. فالأجسام الثقيلة تحني الزمكان، وتتبع الأجسام الأخرى تلك الانحناءات.

وحين تتحرك الأجسام الهائلة وتتسارع، يمكنها أن ترسل موجات عبر الزمكان، كما يرسل قارب تموجات على سطح بحيرة. هذه هي موجات الجاذبية. وعند مرور إحداها تمطّ المكان في اتجاه وتضغطه في الاتجاه الآخر، مرارًا، بسرعة الضوء.

الأثر ضئيل جدًا. فحتى موجة صادرة عن تصادم ثقبين أسودين تغيّر المسافة بين الأرض والشمس بأقل من عرض ذرة. ولا تنتج موجاتٍ يمكننا أن نأمل في قياسها إلا أعنف الأحداث في الكون.

من التنبؤ إلى الإثبات

توصّل أينشتاين عام 1916 إلى أن موجات الجاذبية يجب أن توجد، لكنه ظن أنها أضعف بكثير من أن تُرصد. وطوال عقود جادل كثير من الفيزيائيين حتى في كونها حقيقية.

جاء دليل غير مباشر عام 1974، حين اكتشف راسل هالس وجوزيف تايلور زوجًا من النجوم النيوترونية يدور أحدهما حول الآخر. ومع السنين تقلص مدارهما بالمعدل المتوقع تمامًا لو كانا يفقدان الطاقة على شكل موجات جاذبية. ونال هذا الاكتشاف جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1993.

أما التقاط موجة مباشرة على الأرض فاستغرق 40 عامًا أخرى وبعضًا من أدق الأجهزة التي صُنعت على الإطلاق.

كيف تعمل مراصد LIGO وVirgo وKAGRA

يملك LIGO، أي مرصد موجات الجاذبية بالتداخل الليزري، كاشفين في الولايات المتحدة، في هانفورد بولاية واشنطن وليفينغستون بولاية لويزيانا. وكل منهما على شكل حرف L بذراعين طول كل منهما نحو 4 كم.

يُقسم شعاع ليزر ويُرسل عبر الذراعين، فينعكس عن مرايا ثم يُعاد دمجه. وفي العادة يلغي الشعاعان أحدهما الآخر. فإذا مطّت موجة جاذبية ذراعًا وضغطت الأخرى، يختل تزامن الشعاعين قليلًا ويظهر وميض خافت من الضوء. ويقل التغير في الطول عن جزء من عشرة آلاف من عرض البروتون.

يساعد وجود عدة كواشف متباعدة على استبعاد الاهتزازات المحلية، مثل الشاحنات أو الزلازل، ويتيح للعلماء تحديد موقع المصدر في السماء. ويعمل LIGO مع Virgo في إيطاليا وKAGRA، وهو كاشف تحت الأرض في اليابان، فيشكّلون معًا شبكة عالمية.

الرصد الأول

في 14 سبتمبر 2015 سجّل كاشفا LIGO كلاهما إشارة قصيرة، صفيرًا متصاعدًا دام جزءًا من الثانية. وقد صدرت عن ثقبين أسودين كتلتاهما نحو 36 و29 ضعف كتلة الشمس، دارا حلزونيًا واندمجا على بُعد نحو 1.3 مليار سنة ضوئية.

في تلك اللحظة الأخيرة تحوّلت كتلة تعادل نحو ثلاث شموس إلى طاقة موجات جاذبية. وأُعلنت النتيجة في فبراير 2016، وفي عام 2017 نال راينر فايس وباري باريش وكيب ثورن جائزة نوبل في الفيزياء لدورهم في LIGO.

وبنهاية دورة الرصد الرابعة في أواخر 2025، كانت الشبكة قد سجّلت أكثر من 300 إشارة مرشحة. ومعظمها اندماجات لثقوب سوداء، وعدد أقل يتضمن نجومًا نيوترونية.

ما الذي تخبرنا به موجات الجاذبية

في أغسطس 2017 التقطت الكواشف موجات من تصادم نجمين نيوترونيين. وفي غضون ثوانٍ رصدت تلسكوبات فضائية دفقة من أشعة غاما، ثم تابعت مراصد حول العالم الوهج المتلاشي المسمى كيلونوفا. واحتوى الحطام على عناصر ثقيلة، وهو دليل قوي على أن تصادمات كهذه تصوغ كثيرًا من ذهب الكون وبلاتينه.

تكشف موجات الجاذبية ثقوبًا سوداء كانت ستظل خفية، وتبيّن أن كتلها أكثر تنوعًا مما كان متوقعًا. وتتيح للعلماء اختبار النسبية العامة حيث تكون الجاذبية في أشدها، بل توفر طريقة مستقلة لقياس سرعة تمدد الكون.

ولأن الموجات تعبر الغبار والغاز دون أن تتأثر تقريبًا، فإنها تنقل المعلومات مباشرة من قلب أحداث لا يستطيع الضوء إظهارها.

الإنصات من الفضاء: LISA

تلتقط الكواشف الأرضية إشارات عالية التردد من أجسام صغيرة نسبيًا. ولالتقاط الموجات البطيئة العميقة الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مراكز المجرات، يحتاج الكاشف إلى أذرع أطول بكثير من أي ذراع على الأرض.

اعتمدت وكالة الفضاء الأوروبية عام 2024 مهمة LISA التي تُبنى بالتعاون مع ناسا. وستطير ثلاث مركبات فضائية في مثلث طول كل ضلع فيه نحو 2.5 مليون كم، تربطها أشعة الليزر، وتتبع الأرض في مدارها حول الشمس. وحتى عام 2026 يُخطط للإطلاق نحو عام 2035.

وفي الأثناء يستخدم علماء الفلك الراديوي مصفوفات توقيت النجوم النابضة، فيراقبون النبضات المنتظمة لعدد كبير منها، وقد أعلنوا عام 2023 عن أدلة على طنين خلفي خافت من موجات جاذبية طويلة جدًا. لا يمكن رؤية موجات الجاذبية بالتلسكوب، لكن خدمات تنبيه عامة تنشر الرصدات الجديدة، وغالبًا في غضون دقائق.