علم فلك الموجات الثقالية

علم فلك الموجات الثقالية هو فرع من فروع علم الفلك يهتم بالكشف عن الموجات الثقالية المنبعثة من مصادر فيزيائية فلكية ودراستها. ^{[ 1 ]}

الموجات الثقالية هي تشوهات أو تموجات دقيقة في نسيج الزمكان ناتجة عن تسارع الأجسام الضخمة. وتنتج هذه الموجات عن أحداث كارثية مثل اندماج الثقوب السوداء الثنائية ، وتكتل النجوم النيوترونية الثنائية ، وانفجارات المستعرات العظمى ، وعمليات أخرى حدثت في الكون المبكر بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة . ويُتيح دراستها طريقة جديدة لرصد الكون، مما يوفر رؤى قيّمة حول سلوك المادة في ظل ظروف قاسية. وكما هو الحال في الإشعاع الكهرومغناطيسي (مثل موجات الضوء، وموجات الراديو، والأشعة تحت الحمراء، والأشعة السينية) الذي ينقل الطاقة عبر انتشار تقلبات المجال الكهرومغناطيسي، فإن الإشعاع الثقالي ينطوي على تقلبات في مجال الجاذبية الأضعف نسبيًا. تم اقتراح وجود موجات الجاذبية لأول مرة من قبل أوليفر هيفسايد في عام 1893، ثم افترض هنري بوانكاريه في عام 1905 أنها المكافئ الجاذبي للموجات الكهرومغناطيسية قبل أن يتنبأ بها ألبرت أينشتاين في عام 1916 كنتيجة لنظريته النسبية العامة .

في عام ١٩٧٨، قدّم راسل آلان هولس وجوزيف هوتون تايلور الابن أول دليل تجريبي على وجود موجات الجاذبية من خلال رصد نجمين نيوترونيين يدوران حول بعضهما البعض، وحصلا على جائزة نوبل في الفيزياء عام ١٩٩٣ تقديرًا لجهودهما. وفي عام ٢٠١٥، بعد قرابة قرن من تنبؤ أينشتاين، أكّد أول رصد مباشر لموجات الجاذبية كإشارة ناتجة عن اندماج ثقبين أسودين وجود هذه الظاهرة المراوغة، وفتح بذلك عهدًا جديدًا في علم الفلك. وشملت الاكتشافات اللاحقة اندماجات الثقوب السوداء الثنائية، واصطدامات النجوم النيوترونية، وغيرها من الأحداث الكونية العنيفة. ويتم رصد موجات الجاذبية حاليًا باستخدام قياس التداخل الليزري ، الذي يقيس التغيرات الطفيفة في طول ذراعين متعامدين ناتجة عن مرور الموجات. تستخدم مراصد مثل ليغو (مرصد موجات الجاذبية بالتداخل الليزري)، وفيرجو ، وكاغرا ( كاشف موجات الجاذبية كاميوكا) هذه التقنية لالتقاط الإشارات الخافتة من الأحداث الكونية البعيدة. وقد مُنح المؤسسون المشاركون لمرصد ليغو، باري سي. باريش ، وكيب إس. ثورن ، وراينر فايس ، جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017 لإسهاماتهم الرائدة في علم فلك موجات الجاذبية.

عند رصد الأجرام السماوية البعيدة باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية، تتسبب ظواهر مختلفة كالتشتت والامتصاص والانعكاس والانكسار وغيرها في فقدان بعض المعلومات. توجد مناطق عديدة في الفضاء لا تخترقها الفوتونات إلا جزئيًا، مثل باطن السدم، وسحب الغبار الكثيفة في مركز المجرة، والمناطق القريبة من الثقوب السوداء، وغيرها. يمتلك علم الفلك الثقالي إمكانية استخدامه بالتوازي مع علم الفلك الكهرومغناطيسي لدراسة الكون بدقة أعلى. في نهج يُعرف بعلم الفلك متعدد الوسائط ، تُدمج بيانات الموجات الثقالية مع بيانات من أطوال موجية أخرى للحصول على صورة أكثر شمولًا للظواهر الفيزيائية الفلكية. يُساعد علم الفلك الثقالي على فهم الكون المبكر ، واختبار نظريات الجاذبية ، والكشف عن توزيع المادة المظلمة والطاقة المظلمة . على وجه الخصوص، يُمكنه المساعدة في إيجاد ثابت هابل ، الذي يصف معدل تسارع تمدد الكون. كل هذا يفتح آفاقًا جديدة لفهم فيزياء تتجاوز النموذج القياسي .

تشمل التحديات المتبقية في هذا المجال تداخل الضوضاء، ونقص الأجهزة فائقة الحساسية، ورصد الموجات منخفضة التردد. وتواجه أجهزة الكشف الأرضية مشاكل تتعلق بالاهتزازات الزلزالية الناتجة عن الاضطرابات البيئية، ومحدودية طول أذرعها بسبب انحناء سطح الأرض. في المستقبل، سيسعى مجال علم فلك الموجات الثقالية إلى تطوير أجهزة كشف مُحسّنة ومراصد من الجيل التالي، إلى جانب أجهزة كشف فضائية محتملة مثل LISA (هوائي التداخل الليزري الفضائي ). سيتمكن LISA من رصد مصادر بعيدة مثل الثقوب السوداء فائقة الكتلة المدمجة في مركز المجرة والثقوب السوداء البدائية، بالإضافة إلى مصادر الإشارات الحساسة منخفضة التردد مثل اندماج الأقزام البيضاء الثنائية ومصادر من الكون المبكر. ^{[ 2 ]}

الموجات الثقالية هي موجات ذات شدة جاذبية ناتجة عن كتل متسارعة في نظام ثنائي مداري، وتنتشر كموجات خارجية من مصدرها بسرعة الضوء . وقد اقترحها أوليفر هيفسايد لأول مرة عام 1893، ثم هنري بوانكاريه عام 1905، باعتبارها موجات مشابهة للموجات الكهرومغناطيسية ولكنها مكافئة لها من حيث الجاذبية.

تنبأ ألبرت أينشتاين لاحقًا بوجود موجات الجاذبية عام 1916، استنادًا إلى نظريته النسبية العامة، باعتبارها تموجات في الزمكان . ثم رفض لاحقًا قبول وجودها. ^{[ 3 ]} تنقل موجات الجاذبية الطاقة على شكل إشعاع جاذبي، وهو شكل من أشكال الطاقة الإشعاعية يشبه الإشعاع الكهرومغناطيسي . ولا ينص قانون نيوتن للجاذبية الكونية ، وهو جزء من الميكانيكا الكلاسيكية ، على وجودها، إذ يقوم هذا القانون على افتراض أن التفاعلات الفيزيائية تنتشر آنيًا (بسرعة لا نهائية)، مما يُظهر أحد أوجه قصور أساليب الفيزياء النيوتونية في تفسير الظواهر المرتبطة بالنسبية.

ظهر أول دليل غير مباشر على وجود موجات الجاذبية عام 1974 من خلال رصد انحلال مدار النجم النابض الثنائي هولس-تايلور ، والذي تطابق مع الانحلال الذي تنبأت به النسبية العامة نتيجة فقدان الطاقة على شكل إشعاع جاذبي. وفي عام 1993، حصل راسل أ. هولس وجوزيف هوتون تايلور الابن على جائزة نوبل في الفيزياء لاكتشافهما هذا.

لم تُجرَ مراقبة مباشرة للموجات الثقالية حتى عام 2015، عندما استقبلت أجهزة كشف الموجات الثقالية التابعة لمرصد ليغو في ليفينغستون، لويزيانا، وهانفورد، واشنطن، إشارةً ناتجةً عن اندماج ثقبين أسودين. وفي عام 2017، مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لكلٍّ من راينر فايس ، وكيب ثورن، وباري باريش، تقديرًا لدورهم في الكشف المباشر عن الموجات الثقالية.

في علم فلك الموجات الثقالية، تُستخدم رصدات الموجات الثقالية لاستنتاج بيانات حول مصادرها. تشمل المصادر التي يمكن دراستها بهذه الطريقة أنظمة النجوم الثنائية المكونة من الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية والثقوب السوداء ؛ وأحداثًا مثل المستعرات العظمى ؛ وتكوين الكون المبكر بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة .

يساعد التعاون بين أجهزة الكشف في جمع معلومات فريدة وقيمة، وذلك بفضل اختلاف مواصفات وحساسية كل منها.

تردد منخفض

تُعدّ مصفوفات توقيت النبضات (PTAs) وسيلةً بديلةً للرصد . وتوجد ثلاث اتحادات، هي: مصفوفة توقيت النبضات الأوروبية (EPTA)، ومرصد أمريكا الشمالية للموجات الثقالية النانوهرتزية (NANOGrav)، ومصفوفة باركس لتوقيت النبضات (PPTA)، والتي تتعاون جميعها تحت مسمى مصفوفة توقيت النبضات الدولية . تستخدم هذه المصفوفات التلسكوبات الراديوية الموجودة، ولكن نظرًا لحساسيتها للترددات في نطاق النانوهرتز، فإن رصد الإشارة يتطلب سنوات عديدة من الرصد، وتتحسن حساسية الكاشف تدريجيًا. وتقترب الحدود الحالية من تلك المتوقعة للمصادر الفيزيائية الفلكية. ^{[ 11 ]}

في يونيو 2023، قدمت أربعة تعاونات تابعة لمشروع مصفوفة توقيت النبضات (PTA)، وهي الثلاثة المذكورة أعلاه بالإضافة إلى مصفوفة توقيت النبضات الصينية، أدلة مستقلة ولكنها متشابهة على وجود خلفية عشوائية من موجات الجاذبية النانوهرتزية. ^{[ 14 ]} وقد قدم كل تعاون منها قياسًا أوليًا مستقلًا لمنحنى هيلينغز-داونز النظري ، أي الارتباط الرباعي بين نجمين نابضين كدالة لفصلهما الزاوي في السماء، وهو مؤشر واضح على أن الخلفية المرصودة ناتجة عن موجات الجاذبية. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} ولا تزال مصادر هذه الخلفية غير محددة، على الرغم من أن الثنائيات المكونة من ثقوب سوداء فائقة الكتلة هي المرشحة الأرجح. ^{[ 19 ]}

لطالما اعتمد علم الفلك على الإشعاع الكهرومغناطيسي . فمع تطور التكنولوجيا، وبدءًا من نطاق الضوء المرئي، أصبح من الممكن رصد أجزاء أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي ، من موجات الراديو إلى أشعة غاما . وقد أتاح كل نطاق ترددي جديد منظورًا جديدًا للكون، وبشر باكتشافات جديدة. ^{[ 21 ]} وخلال القرن العشرين، وفرت القياسات غير المباشرة، ثم المباشرة لاحقًا، للجسيمات عالية الطاقة والضخمة نافذة إضافية على الكون. وفي أواخر القرن العشرين، أسس اكتشاف النيوترينوات الشمسية مجال علم فلك النيوترينوات ، مما أتاح فهمًا أعمق لظواهر كانت عصية على الفهم سابقًا، مثل العمليات الداخلية للشمس . [ ^{22 ] [ 23 ] كما} يوفر رصد موجات الجاذبية وسيلة أخرى لإجراء عمليات الرصد الفلكي.

حصل راسل هولس وجوزيف تايلور على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1993 لإثباتهما أن التحلل المداري لزوج من النجوم النيوترونية، أحدهما نجم نابض، يتوافق مع تنبؤات النسبية العامة للإشعاع الثقالي. ^{[ 24 ]} لاحقًا، رُصدت العديد من النجوم النابضة الثنائية الأخرى (بما في ذلك نظام نجم نابض مزدوج واحد)، وجميعها تتوافق مع تنبؤات الموجات الثقالية. ^{[ 25 ]} في عام 2017، مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لراينر فايس وكيب ثورن وباري باريش لدورهم في أول اكتشاف للموجات الثقالية. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

تُقدّم موجات الجاذبية معلوماتٍ مُكمّلة لتلك التي تُوفّرها الوسائل الأخرى. فمن خلال الجمع بين رصد حدثٍ واحد باستخدام وسائل مختلفة، يُمكن الحصول على فهمٍ أشمل لخصائص المصدر. يُعرف هذا بعلم الفلك متعدد الوسائط . كما يُمكن استخدام موجات الجاذبية لرصد أنظمةٍ غير مرئية (أو يكاد يكون من المستحيل رصدها) بأي وسيلة أخرى. فعلى سبيل المثال، تُوفّر طريقةً فريدةً لقياس خصائص الثقوب السوداء.

يمكن أن تنبعث موجات الجاذبية من العديد من الأنظمة، ولكن لإنتاج إشارات قابلة للكشف، يجب أن يتكون المصدر من أجسام ضخمة للغاية تتحرك بسرعة تُقارب سرعة الضوء . المصدر الرئيسي هو نظام ثنائي يتكون من جسمين متراصين . ومن أمثلة هذه الأنظمة:

• تتكون الأنظمة الثنائية المدمجة من جسمين نجميين يدوران في مدارات متقاربة، مثل الأقزام البيضاء أو النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء . أما الأنظمة الثنائية الأوسع، ذات الترددات المدارية المنخفضة، فتُعدّ مصدرًا لأجهزة الكشف مثل LISA . ^{[ 29 ] [ 30 ]} بينما تُنتج الأنظمة الثنائية الأقرب إشارة لأجهزة الكشف الأرضية مثل LIGO . ^{[ 31 ]} ويمكن لأجهزة الكشف الأرضية رصد الأنظمة الثنائية التي تحتوي على ثقب أسود متوسط ​​الكتلة يبلغ عدة مئات من كتل الشمس. ^{[ 32 ] [ 33 ]}
• تتكون الثنائيات من ثقوب سوداء فائقة الكتلة ، تتراوح كتلتها بين 10⁵ ^و10⁹ كتلة شمسية ^. توجد هذه الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مركز المجرات. عند اندماج المجرات، يُتوقع اندماج ثقوبها السوداء فائقة الكتلة المركزية أيضًا. ^{[ 34 ]} تُعدّ هذه الثنائيات مصدرًا محتملاً لأقوى إشارات الموجات الثقالية. تُعتبر الثنائيات الأكثر ضخامة مصدرًا لموجات التذبذب القطبي (PTAs) . ^{[ 35 ]} أما الثنائيات الأقل ضخامة (حوالي مليون كتلة شمسية) فتُعتبر مصدرًا لأجهزة الكشف الفضائية مثل مرصد LISA . ^{[ 36 ]}
• أنظمة ذات نسب كتل متطرفة لجسم مضغوط ذي كتلة نجمية يدور حول ثقب أسود فائق الكتلة. ^{[ 37 ]} تُعد هذه الأنظمة مصادر لكاشفات مثل LISA . ^{[ 36 ]} تُصدر الأنظمة ذات المدارات شديدة الانحراف دفقة من الإشعاع الجاذبي عند مرورها بنقطة أقرب اقتراب؛ ^{[ 38 ]} أما الأنظمة ذات المدارات شبه الدائرية، والمتوقع ظهورها قرب نهاية عملية الاقتراب الحلزوني، فتُصدر إشعاعًا مستمرًا ضمن نطاق تردد LISA. ^{[ 39 ]} يمكن رصد عمليات الاقتراب الحلزوني ذات نسب الكتل المتطرفة على مدارات عديدة. وهذا ما يجعلها أدوات ممتازة لدراسة هندسة الزمكان الخلفية ، مما يسمح بإجراء اختبارات دقيقة للنسبية العامة . ^{[ 40 ]}

بالإضافة إلى الملفات الثنائية، هناك مصادر محتملة أخرى:

• تُنتج المستعرات العظمى دفعات عالية التردد من موجات الجاذبية التي يمكن رصدها بواسطة LIGO أو Virgo . ^{[ 41 ]}
• تُعدّ النجوم النيوترونية الدوّارة مصدراً لموجات عالية التردد مستمرة إذا كانت تمتلك عدم تناظر محوري. ^{[ 42 ] [ 43 ]}
• عمليات الكون المبكر، مثل التضخم أو الانتقال الطوري . ^{[ 44 ]}
• قد تُصدر الأوتار الكونية إشعاعًا جاذبيًا إذا كانت موجودة بالفعل. ^{[ 45 ]} إن اكتشاف هذه الموجات الجاذبية سيؤكد وجود الأوتار الكونية.

تتفاعل موجات الجاذبية بشكل ضعيف مع المادة، وهذا ما يجعل رصدها صعباً. كما يعني ذلك أنها تنتقل بحرية عبر الكون، ولا تُمتص أو تتشتت كالإشعاع الكهرومغناطيسي. ولذلك، يُمكن رؤية مركز الأنظمة الكثيفة، مثل نوى المستعرات العظمى أو مركز المجرة . كما يُمكن الرؤية إلى أبعد من ذلك في الزمن مقارنةً بالإشعاع الكهرومغناطيسي، لأن الكون المبكر كان معتماً للضوء قبل إعادة التركيب ، ولكنه كان شفافاً لموجات الجاذبية. ^{[ 46 ]}

إن قدرة موجات الجاذبية على التحرك بحرية عبر المادة تعني أيضاً أن أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية ، على عكس التلسكوبات ، لا تُوجَّه لرصد مجال رؤية واحد ، بل لرصد السماء بأكملها. وتكون هذه الأجهزة أكثر حساسية في بعض الاتجاهات من غيرها، وهذا أحد أسباب أهمية وجود شبكة من أجهزة الكشف. ^{[ 47 ]} كما أن دقة تحديد الاتجاه ضعيفة، نظراً لقلة عدد أجهزة الكشف.

لا يزال علم فلك الموجات الثقالية، باعتباره مجالاً بحثياً حديثاً، قيد التطوير؛ ومع ذلك، هناك إجماع داخل مجتمع الفيزياء الفلكية على أن هذا المجال سيتطور ليصبح مكوناً راسخاً في علم الفلك متعدد الوسائط في القرن الحادي والعشرين . ^{[ 50 ]}

تُكمّل رصدات موجات الجاذبية الرصدات في الطيف الكهرومغناطيسي . ^{[ 51 ] [ 50 ]} كما تُبشّر هذه الموجات بتقديم معلومات بطرقٍ لا يُمكن الحصول عليها عبر رصد وتحليل الموجات الكهرومغناطيسية. إذ يُمكن امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية وإعادة إشعاعها بطرقٍ تُصعّب استخلاص المعلومات حول مصدرها. أما موجات الجاذبية، فتتفاعل بشكلٍ ضعيف مع المادة، ما يعني أنها لا تتشتت ولا تُمتص. وهذا من شأنه أن يُتيح لعلماء الفلك رؤية مركز المستعر الأعظم، والسدم النجمية، وحتى النوى المجرية المتصادمة، بطرقٍ جديدة.

قدمت أجهزة الكشف الأرضية معلومات جديدة حول مرحلة الاقتراب الحلزوني واندماج الأنظمة الثنائية المكونة من ثقبين أسودين ذوي كتلة نجمية ، واندماج نجمين نيوترونيين . كما يمكنها رصد إشارات من المستعرات العظمى الناتجة عن انهيار النوى ، ومن مصادر دورية مثل النجوم النابضة ذات التشوهات الطفيفة. وإذا صحت التكهنات حول أنواع معينة من التحولات الطورية أو الانفجارات المفاجئة من الأوتار الكونية الطويلة في بدايات الكون (في أزمنة كونية تتراوح بين 10 ^و25 ثانية)، فقد يكون من الممكن رصدها أيضًا. ^{[ 52 ]} من المتوقع أن ترصد أجهزة الكشف الفضائية مثل LISA أجسامًا مثل الأنظمة الثنائية المكونة من قزمين أبيضين ، ونجوم AM CVn ( قزم أبيض يكتسب المادة من شريكه الثنائي، وهو نجم هيليوم منخفض الكتلة)، وأن ترصد أيضًا اندماج الثقوب السوداء فائقة الكتلة واقتراب الأجسام الأصغر حجمًا (بين كتلة شمسية واحدة وألف كتلة شمسية ) من هذه الثقوب السوداء. ينبغي أن يكون مرصد LISA قادراً أيضاً على الاستماع إلى نفس أنواع المصادر من الكون المبكر التي تستمع إليها أجهزة الكشف الأرضية، ولكن بترددات أقل وبحساسية أعلى بكثير. ^{[ 53 ]}

يُعدّ رصد الموجات الثقالية المنبعثة مهمةً بالغة الصعوبة. فهي تتطلب استخدام ليزرات فائقة الاستقرار وعالية الجودة، وكواشف مُعايرة بحساسية لا تقل عن 2 × 10⁻²² ^{هرتز⁻¹}  / ^²، كما هو موضح في الكاشف الأرضي GEO600. ^{[ 54 ]} وقد طُرحت أيضًا فرضية مفادها أنه حتى في الأحداث الفلكية الضخمة، مثل انفجارات المستعرات العظمى، من المرجح أن تتلاشى هذه الموجات إلى اهتزازات صغيرة بحجم قطر الذرة. ^{[ 55 ]}

يُعدّ تحديد موقع مصدر موجات الجاذبية تحديًا بحد ذاته. لكنّ استخدام الموجات المنحرفة بفعل عدسة الجاذبية، بالإضافة إلى تقنيات التعلّم الآلي، قد يُسهّل هذه العملية ويجعلها أكثر دقة. ^{[ 56 ]} وكما رُصد ضوء المستعر الأعظم ريفسدال للمرة الثانية بعد عام تقريبًا من اكتشافه الأول، نتيجةً لعدسة الجاذبية التي غيّرت مسار جزء من الضوء عبر الكون، يُمكن تطبيق النهج نفسه على موجات الجاذبية. ^{[ 57 ]} ورغم أنّ هذه التقنية لا تزال في مراحلها الأولى، إلا أنّ تقنية مشابهة لتقنية التثليث التي تستخدمها الهواتف المحمولة لتحديد موقعها بالنسبة لأقمار نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، ستساعد علماء الفلك على تتبّع مصدر هذه الموجات. ^{[ 58 ]}

• البحث عن موجات الجاذبية باستخدام التداخل الأرضي
• خلفية موجات الجاذبية
• مرصد موجات الجاذبية
• قائمة برصد موجات الجاذبية
• مرشح مطابق#علم فلك الموجات الثقالية

• التعاون العلمي لـ LIGO
• AstroGravS: أرشيف مصادر موجات الجاذبية الفيزيائية الفلكية
• فيديو (04:36) – اكتشاف موجة جاذبية ، دينيس أوفرباي ، نيويورك تايمز (11 فبراير 2016).
• فيديو (71:29) – مؤتمر صحفي يعلن عن الاكتشاف: "LIGO يكتشف موجات الجاذبية" ، المؤسسة الوطنية للعلوم (11 فبراير 2016).
• علم فلك الموجات الثقالية