ادغام ستاره‌ها؛ محکی برای نظریه‌های گرانش و انرژی تاریک

هنگامی که دانشمندان موج‌دار شدن فضا-زمان را ثبت کردند، برای اولین بار شاهد ادغام همراه با انفجار دو ستارهٔ نوترونی بودند. این اتفاق ۲ ثانیه پس از انفجار نوری بود که به وسیلهٔ چندین تلسکوپ در سراسر دنیا مشاهده شد.

ادغام ستاره ها

این پدیدهٔ شگفتانگیز کیهانشناسی در آگوست ۲۰۱۷ اتفاق افتاد که بازتابهایی نیز روی زمین داشت: گروهی از نظریههای انرژی تاریک که گرانش را توضیح میدادند رد کرد و ردهٔ بزرگی از نظریهها را به چالش کشید.

انرژی تاریک که باعث انبساط شتابدار جهان است یکی از بزرگترین اسرار فیزیک است. این ماده حدود ۶۸درصد تمام جرم و انرژی جهان را تشکیل میدهد و به عنوان نوعی ضدجاذبه عمل میکند، اما ما هنوز توضیح مناسبی برای آن پیدا نکردهایم. به عبارت سادهتر، گرانش مواد را به یکدیگر میکشاند در حالی که انرژی تاریک آنها را از یکدیگر میراند.

ستارههای ادغامشوندهٔ نوترونی در فضازمان امواج گرانشیای تولید کردند که حدود ۱۳۰میلیون سال نوری در فضا حرکت کردهاند و این امواج تقریباً هنگامی که نور پرانرژی از ستارههای ادغامشونده بیرون زدهاست به زمین رسیدهاند. این امواج، اعوجاجی در ساختار فضازمان هستند، مانند سنگی که به درون دریاچهای پرتاب شدهاست و به اطرافش موج میفرستد.

اثرات امواج گرانشی به وسیلهٔ شبکهای از آشکارسازهای روی زمین به نام LIGO  و VIRGO شناسایی و اولین انفجار نور به وسیلهٔ تلسکوپ اشعهٔ گامای Fermi مشاهده شد.

این رسیدن تقریباً همزمان یک محک بسیار مهم برای تئوریهای مربوط به انرژی تاریک و گرانش است.

میگوئل زومالاکاراگو، فیزیکدان تئوری، عضو کانون فیزیک کیهانشناسی برکلی در بخش انرژی آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و UC Berkeley، میگوید :

نتایج ما باعث پیشرفت چشمگیری در شفافسازی طبیعت انرژی تاریک بودهاست. سادهترین تئوریها باقی ماندند. موضوع واقعاً در مورد زمانبندی است.

او و خوره ماریا ازکویاگاپژوهشگر دکتری مهمان در کانون فیزیک کیهانشناسی در این پژوهش شرکت کردند که در دسامبر ۲۰۱۸ در مجلهٔ physical review letters چاپ شد.

با این حال  تئوری ۱۰۰سالهٔ ثابت کیهانشناسی که آلبرت انیشتین آن را معرفی کرد که در مورد نسبیت عام و چند تئوری دیگر که از نسبیت عام میباشدمتقاعدکنندهاند، زیرا آنها انرژی تاریک را به عنوان یک ثابت در فضا و زمان معرفی میکنند. امواج گرانشی و امواج نوری به صورت یکسان به وسیلهٔ انرژی تاریک تحت تأثیر قرار میگیرند و به همین دلیل با سرعت یکسان در فضا حرکت میکنند.

وی افزود:

بهترین توضیح همین ثابت کیهانی است که سادهترین فرض است.

چندین تئوری پیچیده و عجیب وجود دارند که با آزمایشی که به وسیلهٔ اندازهگیریهای ستارههای ادغامشونده مطرح شدهاست، همخوانی دارند؛ برای مثال درستی نظریهٔ گرانش سنگین (نظریهای دربارهٔ گرانش که به ذرهٔ بنیادی فرضی به نام گراویتون جرم نسبت میدهد) اگر گراویتونون جرم ناچیزی داشته باشد، همچنان احتمال اندکی دارد.

برخی تئوریهای دیگر با رسیدن غیرهمزمان اموج گرانشی و اثرات امواج نوری که از ستارهٔ ادغامشونده گسیل میشود که دورههای تناوب بسیار طولانی دارند دورههایی که به میلیونها سال نیز به طول میانجامدبرقرار هستند؛ با این وجود آنچه مشاهده شدهاست را توضیح نمیدهند و باید اصلاح یا دور انداخته شوند.

این پژوهش ذکر میکند که دستهای از نظریهها، که به عنوان نظریههای اسکالرتانسور شناخته میشوند، مشخصاً به وسیلهٔ مشاهدات ستارهٔ ادغامشوندهٔ نوترونی به چالش کشیده شدهاند؛ از جمله انیشتیناتر، MOND (مربوط به اصلاح نظریهٔ دینامیک نیوتونی)، گالیلهای و نظریههای هارندسکی.

زومالاکاراگو گفت:

با ترفندهایی تعدادی از این نظریهها میتوانند از جدیدترین آزمایش ستارهٔ ادغامشونده جان سالم به در ببرند؛ با این حال آنها کمی از سادگیشان را در این روند از دست میدهند.

زومالاکاراگو سال گذشته به مرکز کیهانشناسی پیوست و با ماریا اسکودواسکیکوری که متخصص پژوهشهای گرانش و مادهٔ تاریک است، همکاری میکند.

در فوریهٔ ۲۰۱۶ به دنبال اعلام خبر اینکه دو حسگر امواج گرانشی به نام LIGO (رصدخانهٔ تداخلسنج لیزری امواج گرانشی) اولین اندازهگیری مورد تأیید امواج گرانشی را انجام دادهاند، او پژوهشهایش را در مورد اینکه آیا امواج گرانشی میتوانند محک مناسبی برای مادهٔ تاریک فراهم کنند، شروع کرد. دانشمندان باور دارند آن امواج به علت ادغام دو سیاهچاله و تشکیل یک سیاهچالهٔ بزرگ به وجود آمدهاند.

اما اینگونه اتفاقات هیچ فورانی از نور ایجاد نمیکنند. زومالاکاراگو گفت :

شما به هردوی آنها احتیاج دارید، تنها امواج گرانشی به آزمایش نظریههای گرانشی و انرژی تاریک کمکی نمیکنند.

پژوهش دیگری که او در آپریل ۲۰۱۷ توسط ازکویاگا و دیگران منتشر کرد، شرایط نظریای که تحت آن امواج گرانشی بتوانند با سرعتی به غیر از سرعت نور حرکت کنند را بیان کرد.

پیامد دیگر این زمینهٔ پژوهشی این است که با جمعآوری امواج گرانشی از این پدیده و احتمالاً پدیدههای کیهانی دیگر، امکان دارد که از اثرات آشکار و مشخص آنها به عنوان «آژیر استاندارد» برای محاسبهٔ سرعت انبساط جهان استفاده کرد.

این مشابه کاری است که دانشمندان از اثرات مشابه نور برای اشیاءمثلاً گونهای از ستارههای درحال انفجار به نام Type la supernovae و ستارههای ضرباندار که با نام cephid شناخته شدهاندبه عنوان «شمع استاندارد» استفاده میکنند تا فاصلهشان را بسنجند.

کیهانشناسان از مجموعهای از این اندازهگیریها استفاده میکنند تا برای سنجیدن اینکه شیئی در چه فاصلهای از زمین است، چیزی به نام نردبان فاصله بسازند؛ اما اختلافات حل نشدهای وجود دارد که احتمالاً به دلیل حضور فضا و عدم دقت در محاسبات است.

جمع آوری اطلاعات از پدیدههایی که هم امواج گرانشی و هم نوری تولید میکنند نیز میتواند به حل این مسئلهٔ اختلاف در اندازهگیری ثابت هابل کمک کنند. ثابت هابل معیار مشهور سرعت انبساط جهان است.

زومالاکاراگو متذکر شد:

ثابت هابلی که به وسیلهٔ اندازهگیریهای فاصلهٔ ابرنواختر کالیبره شد، با ثابت هابلی که  که از مشاهدات کیهانشناسی دیگر به دست آمدهاست، فرق میکند. بنابراین یافتن آژیرهای استاندارد دیگر مانند ستارههای نوترونی ادغامشونده ممکن است بتوانند اندازهگیری فواصل را بهبود بخشند.

او گفت:

پدیدهٔ ادغام ستارهٔ نوترونی که در آگوست رخ داد، شانسی غیرمنتظره ولی بسیار خوشآمد ارائه داد. من برای سالهای آینده بسیار هیجانزدهام. حداقل بعضی از این مدلهای غیراستاندارد انرژی تاریک میتوانند این تفاوت در نرخ هابل را توضیح دهند.

او افزود:

ممکن است ما برخی حوادث را دست کم گرفته یا چیزی را در نظر نگرفته باشیم، که یعنی ما باید استانداردهای کیهانشناسی جهان را بازبینی کنیم. اگر این استاندارد برقرار بماند، ما به ایدههای نظری ریشهای جدیدی نیاز داریم که از نظر آزمایشگاهی تأیید آنها مشکل است، مانند جهانهای چندگانه. با این وجود اگر این استاندارد شکست بخورد، ما راههای آزمایشگاهی بیشتری خواهیم داشت تا آن ایدهها را آزمایش کنیم.

ابزار های جدید و و نقشههای آسمان به صورت آنلاین درآمدهاند تا درک ما را نسبت به انرژی تاریک بهتر کنند، مثل پروژهٔ ابزار طیفسنجی انرژی تاریک آزمایشگاه برکلی که برنامهریزی شدهاست تا در ۲۰۱۹ شروع به کار کند. و دانشمندان پدیدههای دیگری را مطالعه میکنند مانند کژپندارههای نوری در فضا که به دلیل همگرایی امواج گرانشیاثری که توسط گرانش ایجاد میشود و باعث میشود نور اشیاء دوردست خم شود و دور اشیاء نزدیکتر بپیچدایجاد میشوند که در اندازه گیریهای دقیقتر مفید خواهند بود.

زومالاکاراگو گفت:

این میتواند طرز فکر ما دربارهٔ جهان و محل زندگیمان را تغییر دهد. این موضوع به ایدههای جدید نیاز پیدا خواهد کرد

درباره نویسنده