في فبراير من عام 2016 ، قام العلماء العاملون في مرصد موجات التداخل بالليزر (LIGO) بأول اكتشاف على الإطلاق لموجات الجاذبية. منذ ذلك الوقت ، تم إجراء العديد من عمليات الكشف ، ويرجع الفضل في ذلك إلى حد كبير إلى التحسينات في الأدوات وزيادة مستويات التعاون بين المراصد. بالنظر إلى المستقبل ، من المحتمل أن المهام غير المصممة لهذا الغرض يمكن أيضًا أن تكون "ضوء القمر" ككاشفات موجات الجاذبية.
على سبيل المثال ، يمكن للمركبة الفضائية غايا - التي تنشغل في إنشاء الخريطة ثلاثية الأبعاد الأكثر تفصيلاً لدرب التبانة - أن تكون مفيدة أيضًا عندما يتعلق الأمر بأبحاث الموجات الجاذبية. هذا ما ادعى فريق من علماء الفلك من جامعة كامبريدج مؤخرًا. وفقا لدراستهم ، فإن القمر الصناعي Gaia لديه الحساسية اللازمة لدراسة موجات الجاذبية ذات التردد المنخفض للغاية التي تنتجها عمليات دمج الثقوب السوداء الهائلة.
ظهرت الدراسة التي تحمل عنوان "طريقة البحث الفلكية لمصادر موجات الجاذبية القابلة للحل بشكل فردي مع Gaia" مؤخرًا في رسائل المراجعة البدنية. بقيادة الفريق كريستوفر جيه مور ، الفيزيائي النظري من مركز العلوم الرياضية بجامعة كامبريدج ، ضم الفريق أعضاء من معهد كامبريدج لعلم الفلك ومختبر كافنديش ومعهد كافلي لعلم الكونيات.
للتلخيص ، فإن موجات الجاذبية (GWs) هي تموجات في الزمكان تم إنشاؤها بواسطة أحداث عنيفة ، مثل اندماجات الثقب الأسود ، وتصادمات بين النجوم النيوترونية ، وحتى الانفجار الكبير. تنبأت المراصد مثل نظرية النسبية العامة لأينشتاين في الأصل ، تكتشف المراصد مثل LIGO و Advanced Virgo هذه الموجات من خلال قياس الطريقة التي ينحني بها الزمكان ويضغط ردًا على مرور GWs عبر الأرض.
ومع ذلك ، فإن تمرير GWs سيؤدي أيضًا إلى تذبذب الأرض في موقعها فيما يتعلق بالنجوم. ونتيجة لذلك ، فإن التلسكوب الفضائي المداري (مثل Gaia) ، سيكون قادرًا على التقاط هذا من خلال ملاحظة التحول المؤقت في موقع النجوم البعيدة. تم إطلاق مرصد Gaia في عام 2013 ، وقد أمضى السنوات القليلة الماضية في إجراء ملاحظات عالية الدقة لمواقع النجوم في مجرتنا (المعروف أيضًا باسم قياس الفلك).
في هذا الصدد ، ستبحث Gaia عن عمليات إزاحة صغيرة في المجال الهائل للنجوم التي تراقبها لتحديد ما إذا كانت موجات الجاذبية قد مرت عبر جوار الأرض. للتحقيق في ما إذا كان Gaia على قدر المهمة أم لا ، أجرى Moore وزملاؤه حسابات لتحديد ما إذا كان تلسكوب Gaia الفضائي لديه الحساسية اللازمة للكشف عن GW ذات التردد المنخفض للغاية.
تحقيقا لهذه الغاية ، قام مور وزملاؤه بمحاكاة موجات الجاذبية الناتجة عن ثقب أسود فائق الكتلة - أي اثنين من SMBHs يدوران حول بعضهما البعض. ما وجدوه هو أنه عن طريق ضغط مجموعات البيانات بعامل يزيد عن 106 (قياس 100000 نجم بدلاً من مليار في المرة الواحدة) ، يمكن استعادة GWs من بيانات Gaia مع فقدان حساسية 1٪ فقط.
ستكون هذه الطريقة مماثلة لتلك المستخدمة في صفائف التوقيت النابض ، حيث يتم فحص مجموعة من النابض المللي ثانية لتحديد ما إذا كانت الموجات التثاقلية تعدل تردد نبضاتها. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، تتم مراقبة النجوم لمعرفة ما إذا كانت تتأرجح بنمط مميز ، بدلاً من النبض. من خلال النظر إلى حقل يحتوي على 100000 نجم في المرة الواحدة ، سيتمكن الباحثون من اكتشاف الحركات الظاهرة المستحثة (انظر الشكل أعلاه).
وبسبب هذا ، من المرجح أن يكون الإفراج الكامل عن بيانات Gaia (المقرر في أوائل 2020s) فرصة كبيرة لأولئك الذين يبحثون عن إشارات GW. كما أوضح مور في أ الفيزياء APS خبر صحفى:
"سيجعل Gaia قياس هذا التأثير احتمالًا واقعيًا لأول مرة. تساهم العديد من العوامل في جدوى النهج ، بما في ذلك دقة القياسات الفلكية وطول مدتها. سيراقب Gaia حوالي مليار نجم على مدى 5-10 سنوات ، وسيحدد موقع كل واحد منهم 80 مرة على الأقل خلال تلك الفترة. إن مراقبة الكثير من النجوم هو التقدم الرئيسي الذي قدمه Gaia ".
من المثير للاهتمام أيضًا ملاحظة أن احتمال اكتشاف GW كان شيئًا أدركه الباحثون عندما كان Gaia لا يزال قيد التصميم. أحد هؤلاء الأشخاص كان سيرجي أ. كليونر ، باحث من مرصد لورمان وزعيم مجموعة Gaia في TU Dresden. كما أشار في دراسته لعام 2017 ، "قياس الفلك وموجات الجاذبية الشبيهة بـ Gaia" ، يمكن لـ Gaia اكتشاف GWs الناتجة عن دمج SMBHs بعد سنوات من الحدث:
"من الواضح أن المصادر الأكثر واعدة لموجات الجاذبية للكشف الفلكي هي الثقوب السوداء الثنائية الفائقة الكتلة في مراكز المجرات ... يُعتقد أن الثقوب السوداء الفائقة الكتلة هي نتاج شائع نسبيًا للتفاعل ودمج المجرات في المسار النموذجي تطورها. يمكن أن يعطي هذا النوع من الأجسام موجات جاذبية مع ترددات وسعات محتملة في متناول علم الفلك الفضائي. علاوة على ذلك ، غالبًا ما يمكن اعتبار أن موجات الجاذبية الناتجة عن تلك الأجسام لها تردد واتساع ثابتين تقريبًا خلال كامل فترة المراقبة لعدة سنوات ".
ولكن بالطبع ، لا توجد ضمانات بأن غربلة بيانات Gaia ستكشف عن إشارات GW إضافية. لسبب واحد ، يعترف مور وزملاؤه بأن الموجات في هذه الترددات المنخفضة للغاية يمكن أن تكون ضعيفة جدًا حتى لا يستطيع Gaia اكتشافها. بالإضافة إلى ذلك ، سيكون على الباحثين أن يكونوا قادرين على التمييز بين GWs والإشارات المتضاربة التي تنتج عن التغيرات في اتجاه المركبة الفضائية - وهذا ليس تحديًا سهلاً!
ومع ذلك ، هناك أمل في أن تكون مهمات مثل Gaia قادرة على الكشف عن GWs التي لا يمكن رؤيتها بسهولة للكشف عن التداخلات الأرضية مثل LIGO و Advanced Virgo. تخضع مثل هذه الكواشف للتأثيرات الجوية (مثل الانكسار) التي تمنعها من رؤية موجات التردد المنخفضة للغاية - على سبيل المثال ، الموجات البدائية التي تنتج أثناء العصر التضخمي للانفجار الكبير.
وبهذا المعنى ، لا يختلف البحث عن موجة الجاذبية عن أبحاث الكواكب الخارجية والعديد من الفروع الأخرى لعلم الفلك. من أجل العثور على الأحجار الكريمة المخفية ، قد تحتاج المراصد إلى الفضاء للقضاء على التداخل في الغلاف الجوي وزيادة حساسيتها. من الممكن عندئذٍ إعادة تجهيز التلسكوبات الفضائية الأخرى لأبحاث GW ، وسيتم تركيب الجيل القادم من أجهزة الكشف عن GW على متن المركبات الفضائية.
في السنوات القليلة الماضية ، انتقل العلماء من إجراء أول اكتشاف لموجات الجاذبية إلى تطوير طرق جديدة وأفضل لاكتشافها. على هذا المعدل ، لن يمر وقت طويل قبل أن يتمكن علماء الفلك وعلماء الكونيات من تضمين موجات الجاذبية في نماذجنا الكونية. وبعبارة أخرى ، سيكون بمقدورهم إظهار التأثير الذي لعبته هذه الموجات في تاريخ الكون وتطوره.
