ليفينغستون ، لوس أنجليس. - على بعد ميل ونصف من مبنى كبير للغاية يمكنك رؤيته من الفضاء ، كل سيارة على الطريق تتباطأ إلى الزحف. يعرف السائقون أن يأخذوا حد السرعة البالغ 10 ميلاً في الساعة (16 كم / ساعة) على محمل الجد: ذلك لأن المبنى يضم كاشفًا ضخمًا يبحث عن الاهتزازات السماوية على أصغر نطاق حاول على الإطلاق. ليس من المستغرب ، أنها حساسة لجميع الاهتزازات الأرضية حولها ، من قعقعة سيارة مارة إلى الكوارث الطبيعية على الجانب الآخر من العالم.
ونتيجة لذلك ، يجب على العلماء الذين يعملون في أحد أجهزة رصد LIGO (مرصد موجات التداخل بالليزر) أن يذهبوا إلى أطوال استثنائية للبحث عن وإزالة جميع المصادر المحتملة للضوضاء - إبطاء حركة المرور حول الكاشف ، ومراقبة كل هزة صغيرة في الأرض ، حتى تعليق المعدات من نظام البندول الرباعي الذي يقلل من الاهتزازات - كل ذلك في محاولة لخلق أكثر بقعة اهتزازية "صامتة" على الأرض.
قالت جانين رومي ، رئيس مجموعة هندسة الكاشف في كاشف ليجو في لويزيانا: "كل شيء يتعلق بصيد الضجيج".
لماذا يهتم فيزيائي LIGO بالتخلص من الضوضاء وخلق أكثر الأماكن الخالية من الاهتزازات على هذا الكوكب؟ لفهم ذلك ، تحتاج إلى معرفة موجات الجاذبية وكيف يكتشفها LIGO في المقام الأول. وفقًا للنسبية العامة ، يعد المكان والزمان جزءًا من نفس السلسلة ، التي أطلق عليها أينشتاين الزمكان. وفي الزمكان ، يمكن أن تؤدي الأجسام الضخمة التي تتسارع بسرعة إلى إنتاج موجات جاذبية ، والتي تبدو مثل التموجات التي تشع إلى الخارج عندما يتم إسقاط الحصاة على سطح البركة ، وتكشف هذه الموجات عن تمدد وتقلص نسيج الكون نفسه.
كيف تقيس التغييرات في الزمكان نفسه ، عندما يواجه أي جهاز قياس هذه التغييرات نفسها؟ الحل المبتكر هو ما يعرف بمقياس التداخل. يعتمد على حقيقة أن موجات الجاذبية تمتد إلى الزمكان على طول اتجاه واحد ، بينما تتقلص على طول الاتجاه العمودي. فكر في عوامة على الماء: عندما تمر الموجة ، فإنها تنطلق لأعلى ولأسفل. في حالة وجود موجة جاذبية تنتشر عبر الأرض ، يتأرجح كل شيء قليلاً للأمام والخلف ، بدلاً من صعودا وهبوطا.
يتكون كاشف LIGO من مصدر ضوء ليزر ومقسّم شعاع والعديد من المرايا وكاشف للضوء. يترك الضوء الليزر ، وينقسم إلى شعاعين متعامدين بواسطة مكشاف الشعاع ، ثم ينتقل لمسافات متساوية أسفل أذرع مقياس التداخل إلى مرآتين ، حيث ينعكس الضوء إلى أسفل الذراعين. ثم تضغط العوارض على الكاشف ، الذي يتم وضعه مقابل إحدى المرايا العاكسة. عندما تمر موجة الجاذبية من خلال مقياس التداخل ، فإنها تجعل أحد الذراعين أطول قليلاً ، والأخرى أقصر قليلاً ، لأنها تمدد الفضاء على طول اتجاه واحد أثناء ضغطه على طول اتجاه آخر ، ويسجل هذا التغيير الصغير للغاية في نمط الضوء الذي يضرب الضوء كاشف. مستوى حساسية LIGO يعادل "قياس المسافة إلى أقرب نجم (حوالي 4.2 سنة ضوئية) إلى دقة أصغر من عرض شعرة الإنسان" ، وفقًا لموقع LIGO التعاوني.
وقال كارل بلير ، باحث ما بعد الدكتوراه في LIGO الذي يدرس الميكانيكا الضوئية ، أو تفاعل الضوء مع الأنظمة الميكانيكية ، حتى يتمكن من اكتشاف موجة عرض الشعر ، يذهب العلماء إلى أقصى الحدود للتخلص من أي اضطرابات محتملة في هذا الإعداد المضبوط بدقة.
للبدء ، توجد الأذرع التي يبلغ طولها 2.5 ميل (4 كيلومترات) في واحدة من أكثر الفراغات مثالية في العالم ، مما يعني أنها خالية من الجزيئات تقريبًا ، لذلك لا يمكن أن يتداخل أي شيء مع مسار الشعاع. كما أن أجهزة الكشف محاطة بجميع أنواع الأجهزة (أجهزة قياس الزلازل ، وأجهزة قياس المغناطيسية ، والميكروفونات وأجهزة كشف أشعة جاما ، على سبيل المثال لا الحصر) التي تقيس الاضطرابات في البيانات وتزيلها.
وقال بلير إن أي شيء يمكن أن يتداخل مع أو يفسر بشكل خاطئ على أنه إشارة موجات جاذبية يجب ملاحقته والقضاء عليه. يتضمن ذلك عيوبًا داخل الكاشف نفسه - ما يُعرف بالضوضاء - أو الاضطرابات غير الفيزيائية التي يتم التقاطها بواسطة الجهاز - ما يُعرف بالخلل. يجب على الفيزيائيين حتى مراعاة اهتزازات الذرات التي تتكون منها مرآة الكاشف والتقلبات العشوائية للتيار في الإلكترونيات. على نطاق أوسع ، يمكن أن تكون مواطن الخلل أي شيء من قطار شحن عابر إلى غراب متعطش.
ويمكن أن تكون مواطن الخلل صعبة حقًا. عندما انضم أرنود بيليه إلى فريق هندسة الكاشف في LIGO ، تم تكليفه بمعرفة من أين يأتي اضطراب مزعج بشكل خاص: الأدوات التي تقيس حركة الأرض حول كاشفات موجات الجاذبية تسجل ارتفاعًا ثابتًا ، ولا أحد عرف لماذا. بعد عدة أشهر من التملق الجائر ، وجد الجاني: صخرة متواضعة تقع بين الأرض وبعض الينابيع الميكانيكية تحت نظام تهوية. بسبب الصخور ، لم تستطع الينابيع منع اهتزاز جهاز التنفس من الظهور في الكاشف ، مما تسبب في إشارة غامضة. قال بيليه: "إنه حقًا جزء ممتع من عملي ، أقوم بهذه الأشياء البوليسية". "في معظم الأحيان ، إنها حلول بسيطة." في البحث عن اهتزازات صغيرة لا متناهية من الأطراف البعيدة للكون ، يمكن أن يكون العمل الحقيقي إلى الأرض.
الأهم ، ربما ، هناك ثلاثة مكشافات: إلى جانب المكشاف في لويزيانا ، هناك مكشاف في هانفورد ، واشنطن ، وثالث في إيطاليا: "إذا كان هناك شيء حقيقي فيجب أن يبدو متشابهًا في جميع المكشافات" ، قال عضو متعاون في LIGO. سالفاتور فيتالي أستاذ مساعد الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. إذا كان قطار شحن أو صخرة مثبتة تحت زنبرك ، فلن يظهر إلا في أحد أجهزة الكشف الثلاثة.
مع كل هذه الأدوات وبعض الخوارزميات المعقدة للغاية ، يتمكن العلماء من تحديد احتمالية أن الإشارة هي بالفعل موجة جاذبية. يمكنهم حتى حساب معدل الإنذار الكاذب لاكتشاف معين ، أو احتمال ظهور الإشارة الدقيقة عن طريق الصدفة. أحد الأحداث التي وقعت في وقت سابق من هذا الصيف ، على سبيل المثال ، كان لديه معدل إنذار كاذب أقل من مرة واحدة في 200،000 سنة ، مما يجعله مرشحًا مقنعًا للغاية. ولكن سيتعين علينا الانتظار حتى صدور الحكم النهائي.
تم دعم كتابة هذا المقال جزئيًا بمنحة من مؤسسة العلوم الوطنية.
