تقدير معاملات الموجات الثقالية

مترجم فوري في قاعة يتحدث فيها شخصان: عليه أن يواكب المعنى والنبرة معًا، لكن إذا كان الكلام سريعًا جدًا، لا يبقى سوى إعادة صياغة. هكذا يشعر العلماء تقريبًا عندما يتزايد تدفق الموجات الثقالية من اندماجات الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، بينما لا تواكب الحسابات الدقيقة للإشارات.

نحات يشكل الجبال من المجالات المغناطيسية والحرارة، لكن الحجر يقاوم. النجم النيوتروني — بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم — في نظام ثنائي يسحب المادة من النجم المجاور. هذه المادة الساقطة تسخن قشرة النجم بشكل غير متساوٍ، بينما يسحبها المجال المغناطيسي من الداخل.

في مكان ما في أعماق الفضاء، يدور ثقبان أسودان فائقا الكتلة ثقب أسود حول بعضهما البعض. رقصتهما ليست سلسة — فالمدار بيضاوي الشكل، كحبل مطاطي يتمدد تارة وينكمش تارة أخرى. كل دورة من هذا القبيل تولد تموجات في نسيج الزمكان — موجات ثقالية. تنتشر هذه الموجات في كل الاتجاهات، وبعد ملايين السنين تصل إلى الأرض، فتمدّدها وتضغطها بمقدار أصغر من نواة الذرة.

في نهاية حياة نجم ضخم، تنهار نواته خلال أجزاء من الثانية، مولدة وميض مستعر أعظم. هذه الكارثة تهز نسيج الزمكان نفسه، فتبعث موجات ثقالية، تموجات تجري عبر الكون. لم نتمكن بعد من التقاط هذه التموجات مباشرة، لكنها وحدها القادرة على إخبارنا بما يحدث في قلب الجحيم، حيث لا يستطيع أي تلسكوب النظر.

عندما يغادر الضوء محيط جرم ضخم، يفقد طاقة: تتمدد موجاته وينزاح لونه نحو الأحمر. هذا هو الانزياح الأحمر الثقالي — وهو تأثير تنبأت به أعمال أينشتاين.

الجاذبية ليست مجرد قوة تُبقينا على الأرض. على نطاق الكون، هي التي تقود المجرات، وتُحدّب أشعة الضوء، وتحدد مصير كل شيء. قبل مئة عام، وصفها ألبرت أينشتاين بأنها انحناء في المكان والزمان. ولكن ماذا لو كانت هذه الصورة تحتاج إلى لمسة إضافية — تأثير المادة نفسها؟ هذا هو الاحتمال الذي اختبره فريق من الباحثين.

في محيط الكون، كل عاصفة من ولادة أو اندماج ثقوب سوداء فائقة الكتلة تولد تموجاً — موجات ثقالية تنتشر بسرعة الضوء. على مدى مليارات السنين، تتراكب هذه الموجات وتندمج في همهمة منخفضة التردد، كأنها أمواج متكسرة بعيدة.

استخلاص إشارة من زوج واحد من الثقوب السوداء فائقة الكتلة يشبه تمييز خطوات راقص في هدير إعصار. في مكان ما من الكون، يدور هذان الوحشان في رقصة جاذبية بطيئة، يشوهان الزمكان نفسه. إن أمواج الجاذبية الخاصة بهما ليست دفقات حادة كما في LIGO، بل تنفس عميق للقياس المتري، ممتد على مدى سنوات.

إن صورة الكون المألوفة لنا من كتب أينشتاين، هي لوحة رباعية الأبعاد ملساء. لكن نظرية الأوتار تضيف إطاراً من أبعاد إضافية — غير مرئية، لكن محسوسة بالنسبة للجاذبية. تخيّل كوننا كغشاء يرتجف تحت ضغط الطبقات الخفية. عندما يظهر على هذه اللوحة ثقب أسود — قمع لا قرار له من الزمكان — يترك شد الغشاء أثراً خافتاً على ظله.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يعيش ثقب أسود فائق الضخامة — عملاق صامت تدور حوله النجوم والغاز وثقوب سوداء أخرى أصغر حجمًا. بين الحين والآخر، ينحرف أحد هذه الأجسام عن مداره ويبدأ بالسقوط نحو الوحش المركزي في حلزون يتقلص باستمرار. يستمر هذا السقوط لسنوات، وطوال هذه المدة يصدر النظام موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تنتشر عبر الكون.

تعمل الموجات الثقالية الناتجة عن سقوط جسم صغير على ثقب أسود كصورة بالأشعة السينية، لكنها لا تصور العظام بل الزمكان المنحني نفسه.

تخيّل أوركسترا يعزف كل عازف فيها دوره، بينما يحاول قائد الأوركسترا التقاط إيقاع خافت بالكاد يُسمع، مشترك بين الجميع. هكذا تقريباً يبحث علماء الفلك عن الموجات الثقالية الصادرة عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة (بكتلة تعادل مليارات الشموس) التي تدور حول بعضها في مجرات بعيدة.

الضوء، عند مروره بجانب ثقب أسود، يلتف كما يلتف الماء حول فتحة التصريف في الحوض. الأمر الأكثر إثارة هو الحلقة الرقيقة حيث يمكن للأشعة أن تدور إلى الأبد، دون أن تسقط إلى الداخل أو تهرب بعيدًا. هذه هي الفوتونات الكروية — وهي حدود غير مرئية ترسم ظل الثقب في السماء.

نقطتان على سطح بالون منفوخ — هذا كل ما تحتاجه عندما تحاول فهم كيف يتمدد. هكذا تقريبًا يعيد علماء الكون بناء تاريخ تمدد الكون. لكن بدلاً من النقاط، لديهم موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج أجسام فائقة الكثافة: النجوم النيوترونية والثقوب السوداء. تسمى هذه الأحداث "الصفارات القياسية" — تشبيهًا بالصوت الذي يحدد جهارة صوته بدقة المسافة إلى المصدر.

في ستينيات القرن العشرين، حاول الفيزيائي جوزيف ويبر التقاط الموجات الثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تنبأت بها النظرية النسبية العامة — باستخدام أسطوانات من الألومنيوم. كانت الفكرة بسيطة: يجب أن تجعل الموجة الأسطوانة تهتز، مثل شوكة رنانة، بترددها الرنيني الذاتي.

الأوركسترا تعزف، لكن الموسيقيين لا يسمعون بعضهم البعض: كلٌّ يعزف نوتته بإيقاعه الخاص، بينما يحاول قائد الأوركسترا جمع الأصوات المتفرقة في لحن واحد. هذا تقريبًا ما يبدو عليه حساب الموجات الثقالية الصادرة عن نظام يدور فيه جسم صغير مدمج — مثل نجم نيوتروني — حول ثقب أسود فائق الكتلة.

تعزف السيمفونية، لكن في النوتة الموسيقية نغمة كاذبة بالكاد تُلحظ. هكذا تقريبًا يبحث الفيزيائيون عن انحرافات عن النظرية النسبية العامة في "أصوات" الكون — الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء.

ارتعاش الفضاء يعزف كأوركسترا. الموجات الثقالية التي تلتقطها كاشفات LIGO وVirgo تحكي عن اصطدامات الثقوب السوداء. أحيانًا تُسمع في الموسيقى نغمات نشاز — انحرافات طفيفة عن نوتات أينشتاين. قد تهمس هذه الانحرافات عن فيزياء جديدة أو مجرد غبار على الأقواس. في الدراسة الجديدة، بحث العلماء عن خلل خاص — خلل يعتمد على كتلة الأجسام المتصادمة.

متزلج فني يدور على الجليد، يمدّ ذراعيه. إذا كان مساره دائرة شبه مثالية، فإن وصف حركته يكون سهلاً. لكن عندما ينطلق في مسار بيضاوي شديد التفلطح، فإنه يكاد يتجمد عند الطرف البعيد، بينما ينطلق بسرعة هائلة عند الطرف القريب. هذا تقريبًا ما يحدث لنجمين في مدارٍ شديد الاستطالة. يصدران موجات ثقالية — ارتجاجًا في نسيج الزمكان نفسه، يمكن التقاطه بكاشفات حساسة.

تعزف أوركسترا بعيدة سيمفونية، لكن التسجيل مليء بالتشويش. اللحن مكتوب لآلتين، ولكن من بين الضوضاء يبدو أن صوتًا ثالثًا ينفذ — هادئًا وغير مألوف. هكذا يستمع الفيزيائيون الفلكيون إلى موجات الجاذبية محاولين التقاط أدنى انحرافات عن تنبؤات أينشتاين.

تخيل بركة ماء هادئة تمامًا: أدنى نسمة هواء تُحدث تموجات على سطحها. تلعب بلورة مسطحة من الذرات المشحونة - الأيونات - المحتجزة في مصيدة كهرومغناطيسية دور هذه البركة.

النيوترينو هي أكثر الجسيمات كتلةً انتشارًا في الكون. تمر عبرنا تريليونات منها كل ثانية، لكنها لا تترك أثرًا تقريبًا. جاذبيتها الكلية، وإن كانت ضئيلة، قادرة على التأثير في حركة مجرات بأكملها. شخصان يتقاربان في شارع مزدحم؛ المارة غير المرئيين يغيرون سرعتهما. هكذا الحال مع أزواج المجرات: تلعب النيوترينو دور العابرة الخفية، فتُشوّه حركتها قليلًا.

يحتفظ ألبوم يضم مئات الصور العائلية بالكثير من الحكايات. إذا تأملت كل صورة على حدة، قد تظن بسهولة أن العمّ عملاق حقيقي: ففي ذلك اليوم كان يقف على درجة أعلى من البقية. لكن بمجرد أن تقلّب الألبوم كاملًا، يتضح أن طوله عادي تمامًا، وأن الدرجة ظهرت في بضع لقطات فقط. على نحو مماثل تعمل كاشفات الموجات الثقالية.

إن اندماج ثقبين أسودين يشبه رقصة تنتهي بموجة قوية — موجة ثقالية. تحمل هذه الموجة بصمة كيفية انحناء الزمكان حول الأجسام. لو كانت الهندسة مختلفة عما نعرفه — كما لو كانت كرة تتدحرج ليس على أرضية مستوية بل على مشمع متموج — لكانت الإشارة مختلفة.

ثقبان أسودان يدوران حول بعضهما بسرعة متزايدة حتى يندمجا في ثقب واحد. هذا الرقص يهز الفضاء نفسه: تنطلق من موقع الحدث موجات تشبه الدوائر التي تتشكل عند رمي حجر في الماء. أحيانًا، يصاحب الاندماج وميض ضوئي. إذا التقطنا الموجات والوميض معًا، يمكننا قياس المسافة إلى الحدث مرتين — وكأننا نقيس المسافة نفسها بالصوت وبالضوء.

الموجات الثقالية هي تموجات في نسيج الزمكان، تنشأ مثلاً عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تدور حول بعضها البعض. لالتقاطها، يراقب العلماء النجوم النابضة — وهي نجوم ميتة تُصدر نبضات راديوية بدقة الساعات. الموجة، أثناء مرورها عبر الفضاء، تضغط وتمد مسار الإشارة بالتناوب، فتصل النبضات أبكر أو أحدث قليلاً.

كل اندماج لـ ثقوب سوداء يولّد موجات الجاذبية — تموجات في نسيج الكون — تنبأ بها أينشتاين وسُجلت لأول مرة بمساهمة رئيسية من كيب ثورن. كدقات جرس عملاق، تحمل هذه الموجات معلومات عن الكتلة: معظم التصادمات تتجمع حول ثلاث قيم — 10 و18 و33 كتلة شمسية.