أول رصد للموجات الثقالية

GW150914
تسميات أخرى	GW150914
نوع الحدث	موجات ثنطقية
التاريخ	14 سبتمبر 2015
المدة الزمنية	0.2 ثانية
جهاز الرصد	مرصد الليزر المتطور لقياس تداخل الموجات الثنطقية (ليغو)
البعد	440+160; −180 ميجا بارسيك
انزياح أحمر	0.093+0.030; −0.036
إجمالي الطاقة	3.0+0.5; −0.5 × c2
يليه	GW151226
	وسائط كومنز
	[عدل في ويكي بيانات ]

أول عملية رصد للأمواج الثنطقية تم إجراؤها في 14 سبتمبر 2015، أعرب عنها مرصد الليزر المتطور لقياس تداخل الموجات الثنطقية (ليغو) بالتعاون مع مقياس التداخل فيرجوفي 11 فبراير 2016.

يتوافق شكل الموجة المرصودة من قبل مراصد ليغومع تنبؤات النسبية العامةلموجة ثنطقية منبعثة من داخل دوامة اندماج زوج من الثقوب السوداء كتلتهما 36 و29 كتلة شمسية. ومع رنين الثقب الأسود المنفرد الناتج عن الاندماج. تم تسمية الإشارة GW150914 (من "Gravitational Wave" وتاريخ الرصد 2015-09-14).وهي أيضا أول عملية يتم فيها رصد اندماج ثقب أسود ثنائي مما يشير على وجود أنظمة الثقب الأسود الثنائية، وحقيقة حتى مثل هذه الاندماجات يمكن حتى تحدث في عمر الكون الحالي.

نشر خبر هذة الملاحظة الأولى في جميع أنحاء العالم باعتبارها إنجازا رائعا لأسباب عديدة.وكانت الجهود الرامية إلى إثبات وجود مثل هذه الموجات بشكل مباشر جارية منذ أكثر من خمسين عاما، والأمواج الثفالية قليلة جدا لدرجة حتى ألبرت أينشتاين نفسه شكك في إمكانية اكتشافها.

يؤكد الرصد آخر تنبؤات النسبية العامة التي لم تُكشف بشكل مباشر وتؤكد صحة تنبؤات النظرية للتشوه نسيج «الزمكان» في سياق الأحداث الكونية الكبيرة جدًا (المعروفة باسم اختبارات المجال القوي للنسبية العامة). وقد بدأ الرصد حقبةً جديدة من فهم فلك الموجات الثنطقية، الذي سيمكننا من رصد أحداث الفيزياء الفلكية العنيفة وهوأمرٌ لم يكن ممكنًا من قبل، وربما سيسمح برصد تاريخ الكون المبكر جدًا بشكل مباشر. في 15 يونيو2016، أُعلن عن اكتشافين آخرين للموجات الثنطقية، أُجريا في أواخر عام 2015. أُجريت ثماني عمليات رصد أخرى في عام 2017، بما في ذلك «جي دابليو170817»، وهوأول رصدٍ لاندماج نجمٍ نيوتروني ثنائي، والذي رُصد إشعاعه الكهرومغناطيسي أيضًا.

الرصد

يمكن رصد الموجات الثنطقية بشكل غير مباشر -من خلال رصد الظواهر السماوية الناجمة عن الموجات الثنطقية- أوبشكل مباشر بدرجة أكبر عن طريق أدوات مثل مرصد «ليغو» (مرصد الموجات الثنطقية بالتداخل الليزري) الأرضي أومرصد «ليزا» (هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي) المُخطط له.

الرصد غير المباشر

استُنتجت أولى الأدلة غير المباشرة على الموجات الثنطقية في عام 1974 من خلال حركة نظام النجم النيوتروني الثنائي المُسمى «بّي إس آر 1913+16» (أوثنائي هالس وتايلور)، إذ إذا أحد النجمين هونجم نباض يبعث نبضات كهرومغناطيسية ضمن تردد موجات الراديوبفترات زمنية دقيقة ومنتظمة بالتناوب. أظهر جميع من «راسل هولس» و«جوزيف تايلور»، اللذان اكتشفا النجمين، أنه مع مرور الوقت، ينخفض تردد النبضات، وأن النجمان يقتربان تدريجيًا من بعضها بشكلٍ حلزوني ويفقدان طاقةً تتفق بشكل وثيق مع الطاقة الصادرة عن الموجات الثنطقية المُتنبئ بها. تكريمًا لجهودهما، حصل هولس وتايلور على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1993. تتفق الملاحظات الإضافية لهذا النجم النباض وغيرها في الأنظمة المتعددة، مثل نظام النباض الثنائي «بّي إس آر جاي 0737-3039»، مع النسبية العامة بدقة عالية.

الرصد المباشر

لم يكن الرصد المباشر للموجات الثنطقية ممكنًا لعدة عقود بعد التنبؤ بها بسبب التأثير الضئيل الذي يجب اكتشافه وفصله عن خلفية الاهتزازات الموجودة في جميع مكان على الأرض. اقتُرحت تقنية تسمى قياس التداخل في الستينيات، وتطورت التقنية في نهاية المطاف بشكل كافي لجعلها قابلة للتطبيق.

في النهج الحالي الذي يستخدمه مرصد ليغو، تُفصل حزمة من الليزر ويُعاد جمع نصفيها بعد تحركهما في مسارين مختلفين. تظهر التغييرات التي تطرأ على طول المسارات أوالزمن الذي تستغرقه الحزمتان المنقسمتان، الناجمة عن تأثير مرور الموجات الثنطقية، على شكل نبضات عند وصولهما إلى نقطة تجمعهما. هذه التقنية حساسة للغاية للتغيرات الصغيرة في المسافة أوالزمن المُستغرقان لاجتياز المسارين. نظريًا، يمكن لمقياس تداخل بذراعين يبلغ طولهما أربعة كيلومترات تقريبًا حتى يكشف التغيرات في نسيج الزمكان -التي تعادل جزءً صغيرًا جدًا من قطر بروتون واحد- على شكل موجة ثنطقية قادمة من مكان آخر وقوية بما يكفي أثناء مرورها عبر الأرض. يمكن رصد هذا التأثير فقط بواسطة مقاييس التداخل الأخرى ذات الحجم المماثل، مثل مرصد «فيرجو» و«جيو600» بالإضافة لمرصدي «كاجرا» (مرصد كاميوكا للموجات الثنطقية) و«إنيجو» (المبادرة الهندية لرصد الموجات الثنطقي) المُخطط لهما. عمليًا، يحتاج الأمر مقياسي تداخل على الأقل، لأن أي موجة ثنطقية تمر ستُرصد من قِبلهما بنفس الوقت لكن أنواع التشويش الأخرى لن تكون موجودة في كليهما، مما يسمح بتمييز الإشارة المطلوبة عن الضجيج. جرى تأسيس هذا المشروع في نهاية المطاف في عام 1992 تحت اسم مرصد الموجات الثنطقية بالتداخل الليزري «ليغو». جرت ترقية أدوات المرصد الأصلية بين عامي 2010 و2015 ليصبح اسمه مرصد «ليغوالمتقدم»، ما زاد حساسيته الأصلية بحواليعشرة أضعاف.

الأصل الفيزيائي الفلكي للرصد

سقط هذا الحدث على مسافة ضياء تبلغ 440 (+160/ -180) مليون فرسخ فلكي (جرى تحديدها من خلال مطال الإشارة)، أي 0.6 ± 1.4 مليار سنة ضوئية، مع انزياحٍ نحوالأحمر قدره 0.093 (+0.03/-0.036) (فترات موثوقة بنسبة 90%). اقترح تحليل الإشارة إلى جانب الانزياح الأحمر المُستنتج أنها نتجت عن اندماج ثقبين أسودين بكتلة تبلغ 35 (+5/-3) و30 (+3/-4) ضعف كتلة الشمس (بالنسبة لإطار المصدر المرجعي)، ما أدى لتكوين ثقب أسود بكتلة شمسية تعادل 62 (+4/-3). جرى إشعاع الطاقة والكتلة المكافئة للكتلة المفقودة، التي تعادل 0.5 ± 3.0 كتلة شمسية، على شكل موجات ثنطقية بعيدًا عن الثقب الأسود.

خلال فترة الاندماج البالغة 20 مللي ثانية، وصلت ذروة قدرة الموجات الثنطقية إلى حوالي 3.6*10⁴⁹ واط أو526 ديسيبل ميلي واط – أي أكبر بـ 50 مرة من مجموع قدرة الضوء الصادر عن جميع النجوم في الكون المرصود.

خلال مدة كشف الإشارة التي استغرقت 0.2 ثانية، زادت السرعة المماسية (المدارية) النسبية للثقبين الأسودين من 30% إلى 60% من سرعة الضوء. يشير التردد المداري البالغ 75 هرتز (نصف تردد الموجة الثنطقية) حتى الثقبين الأسودين كانا يدوران حول بعضهما من على مسافة 350 كيلومتر فقط عند اندماجها. سمحت التغييرات في طور استقطاب الإشارة بحساب التردد المداري للثقبين الأسودين، وبجمع هذه المعلومات مع مطال ونمط الإشارة، فقد سمحت بحساب كتلتيهما وبالتالي سرعتيهما القصوى النهائية والفصل المداري (المسافة بينهما) عند لحظة الاندماج. أظهرت تلك المعلومات حتى هذين الجُرمين هما ثقبان أسودان بالعمل، لأن حجم أي نوع آخر من الأجرام المعروفة بهذه الكتل سيكون أكبر وبالتالي ستندمج قبل تلك النقطة، أولن تصل إلى مثل هذه السرعات في مثل هذا المدار الصغير. بلغت أعلى كتلة لنجم نيوتروني مرصود كتلتان شمسيتان، وحتى مع اعتبار الحد الأعلى لكتلة النجم النيوتروني المستقر البالغة ثلاث كتل شمسية، لن يتمتع النجمان النيوترونيان بكتلة كافية لإنتاج الكتلة المندمجة (ما لم توجد بدائل غريبة، على سبيل المثال، النجوم البوزونية) في حين حتى ثقبًا أسودًا سيندمج مع نجمٍ نيوتروني في وقتٍ أقل، لنقد يكون التردد المداري النهائي الناتج مرتفعًا جدًا.

كان اضمحلال الشكل الموجي بعد حتى وصل إلى ذروته متسقًا مع التذبذبات المُخمدة للثقب الأسود أثناء إكماله الاندماج النهائي. على الرغم من إمكانية وصف الحركة الحلزونية الداخلية للجرمين الثنائيين المندمجان باستخدام «توسعات الميكانيكا النيوتونية اللاحقة»، لا يمكن حل فترة الاندماج ذات حقل الجاذبية القوي إلا بشكل عام عن طريق عمليات محاكاة النسبية العددية بشكلٍ واسع النطاق.

في النموذج والتحليل المُحسنين، تبين حتى الجرم الناتج عن الاندماج هو«ثقب كير أسود دوار» ذي معامل دوران يساوي 0.68 (+0.05/-0.06)، أي أنه يتمتع بثلثي القيمة القصوى للزخم الزاوي لكتلته.

من المُرجح حتى النجمين اللذين شكلا الثقبين الأسودين قد تكونا بعد ملياري عام تقريبًا من الانفجار العظيم بكتلتين تتراوحان بين 40 و100 ضعف كتلة الشمس.

مراجع

↑ The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration (3 June 2016). "An improved analysis of GW150914 using a fully spin-precessing waveform model". arXiv:1606.01210 [gr-qc].
^ Abbott, Benjamin P.; et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). "Properties of the binary black hole merger GW150914". Physical Review Letters. 116 (24): 241102. arXiv:1602.03840. Bibcode:2016PhRvL.116x1102A. doi:10.1103/PhysRevLett.116.241102. PMID 27367378.
↑ Abbott, Benjamin P.; et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger". Phys. Rev. Lett. 116 (6): 061102. arXiv:1602.03837. Bibcode:2016PhRvL.116f1102A. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. PMID 26918975. مؤرشف من الأصل في 25 أكتوبر 2019. ضع ملخصا (PDF). "نسخة مؤرشفة". Archived from the original on 25 أكتوبر 2019. اطلع عليه بتاريختسعة ديسمبر 2019. صيانة CS1: BOT: original-url status unknown (link)
^ Castelvecchi, Davide; Witze, Alexandra (11 February 2016). "Einstein's gravitational waves found at last". Nature News. doi:10.1038/nature.2016.19361. مؤرشف من الأصل في 09 سبتمبر 2019.
^ The Editorial Board (16 February 2016). "The Chirp Heard Across the Universe". نيويورك تايمز. مؤرشف من الأصل في 18 يونيو2018.
^ Pretorius, Frans (2005). "Evolution of Binary Black-Hole Spacetimes". Physical Review Letters. 95 (12): 121101. arXiv:gr-qc/0507014. Bibcode:2005PhRvL..95l1101P. doi:10.1103/PhysRevLett.95.121101. ISSN 0031-9007. PMID 16197061.
^ Campanelli, M.; Lousto, C. O.; Marronetti, P.; Zlochower, Y. (2006). "Accurate Evolutions of Orbiting Black-Hole Binaries without Excision". Physical Review Letters. 96 (11): 111101. arXiv:gr-qc/0511048. Bibcode:2006PhRvL..96k1101C. doi:10.1103/PhysRevLett.96.111101. ISSN 0031-9007. PMID 16605808.
^ Baker, John G.; Centrella, Joan; Choi, Dae-Il; Koppitz, Michael; van Meter, James (2006). "Gravitational-Wave Extraction from an Inspiraling Configuration of Merging Black Holes". Physical Review Letters. 96 (11): 111102. arXiv:gr-qc/0511103. Bibcode:2006PhRvL..96k1102B. doi:10.1103/PhysRevLett.96.111102. ISSN 0031-9007. PMID 16605809.
^ Castelvecchi, Davide (23 March 2016). "The black-hole collision that reshaped physics". تخصصر (مجلة). 531 (7595): 428–431. Bibcode:2016Natur.531..428C. doi:10.1038/531428a. PMID 27008950. مؤرشف من الأصل في 26 يوليو2019. "نسخة مؤرشفة". Archived from the original on 26 يوليو2019. اطلع عليه بتاريخ 24 سبتمبر 2017. صيانة CS1: BOT: original-url status unknown (link)
^ Naeye, Robert (11 February 2016). "Gravitational Wave Detection Heralds New Era of Science". Sky and Telescope. مؤرشف من الأصل في 21 أبريل 2019.
^ Pais, Abraham (1982), "The New Dynamics, section 15d: Gravitational Waves", Subtle is the Lord: The science and the life of Albert Einstein, Oxford University Press, صفحات 278–281, ISBN CS1 maint: ref=harv (link)
^ Blum, Alexander; Lalli, Roberto; Renn, Jürgen (12 February 2016). "The long road towards evidence". جمعية ماكس بلانك. مؤرشف من الأصل في 24 يونيو2018.
^ Ghosh, Pallab (11 February 2016). "Einstein's gravitational waves 'seen' from black holes". BBC News. مؤرشف من الأصل فيثمانية أغسطس 2019. اطلع عليه بتاريخ 19 فبراير 2016. With gravitational waves, we do expect eventually to see the Big Bang itself.
^ CNN quoting Prof. Martin Hendry (University of Glasgow, LIGO) – "Detecting gravitational waves will help us to probe the most extreme corners of the cosmos – the event horizon of a black hole, the innermost heart of a supernova, the internal structure of a neutron star: regions that are completely inaccessible to electromagnetic telescopes." "نسخة مؤرشفة". Archived from the original on 23 نوفمبر 2019. اطلع عليه بتاريخ 31 يناير 2020. صيانة CS1: BOT: original-url status unknown (link)
^ Staats, Kai; Cavaglia, Marco; Kandhasamy, Shivaraj (8 August 2015). "Detecting Ripples in Space-Time, with a Little Help from Einstein". Space.com. مؤرشف من الأصل في 23 نوفمبر 2019. اطلع عليه بتاريخ 16 فبراير 2016.
^ Weisberg, J. M.; Nice, D. J.; Taylor, J. H. (2010). "Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16". Astrophysical Journal. 722 (2): 1030–1034. arXiv:1011.0718. Bibcode:2010ApJ...722.1030W. doi:10.1088/0004-637X/722/2/1030.
^ Weisberg, J. M.; Taylor, J. H.; Fowler, L. A. (October 1981). "Gravitational waves from an orbiting pulsar". Scientific American. 245 (4): 74–82. Bibcode:1981SciAm.245d..74W. doi:10.1038/scientificamerican1081-74.
^ Stairs, Ingrid H. (2003). "Testing General Relativity with Pulsar Timing". Living Reviews in Relativity. 6 (1): 5. arXiv:astro-ph/0307536. Bibcode:2003LRR.....6....5S. doi:10.12942/lrr-2003-5. PMC 5253800. PMID 28163640.
^ Kramer, M.; et al. (14 September 2006). "Tests of general relativity from timing the double pulsar". Science (نشرستة October 2006). 314 (5796): 97–102. arXiv:astro-ph/0609417. Bibcode:2006Sci...314...97K. doi:10.1126/science.1132305. PMID 16973838.
^ , مؤرشف من الأصل في 23 ديسمبر 2019, اطلع عليه بتاريخ 16 فبراير 2016 CS1 maint: ref=harv (link)
^ Castelvecchi, Davide (16 February 2016). "Gravitational waves: How LIGO forged the path to victory". Nature (نشر 18 February 2016). 530 (7590): 261–262. Bibcode:2016Natur.530..261C. doi:10.1038/530261a. PMID 26887468.
^ Roston, Michael (11 February 2016). "Scientists Chirp Excitedly for LIGO, Gravitational Waves and Einstein". نيويورك تايمز. ISSN 0362-4331. مؤرشف من الأصل فيثمانية أكتوبر 2019. اطلع عليه بتاريخ 13 فبراير 2016.
^ Strom, Marcus (12 February 2016). "Gravitational waves: how they sound and why scientists are going nuts". سيدني مورنينغ هيرالد. مؤرشف من الأصل في ثلاثة فبراير 2017.
^ Drake, Nadia (12 February 2016). "Gravitational Waves Were the Worst-Kept Secret in Science". National Geographic. مؤرشف من الأصل فيعشرة يناير 2018.
^ Cho, Adrian (11 February 2016). "Here's the first person to spot those gravitational waves". ساينس. doi:10.1126/science.aaf4039. مؤرشف من الأصل في 23 نوفمبر 2019.
^ Abbott, Benjamin P.; et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). "Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO and Advanced Virgo". Living Reviews in Relativity. 19 (1): 1. arXiv:1304.0670. Bibcode:2016LRR....19....1A. doi:10.1007/lrr-2016-1. PMC 5256041. PMID 28179853.

وصلات خارجية

GW150914 data release by the LIGO Open Science Center
Gravitational wave modelling of GW150914 by the Max Planck Institute for Gravitational Physics
"First detection!" (PDF). LIGO Magazine. العدد 8. March 2016. مؤرشف من الأصل (PDF) في 03 أبريل 2019.
Video: GW150914 discovery press conference (71:29) by the مؤسسة العلوم الوطنية (11 February 2016)
Video: "The hunters – the detection of gravitational waves" (11:47) by the Max Planck Institute for Gravitational Physics (22 February 2016)
Video: "LIGO Hears Gravitational Waves Einstein Predicted" (4:36) by Dennis Overbye, نيويورك تايمز