راهنمای کائنات برای مبتدیان
راهنمای کائنات برای مبتدیان
درباره نویسنده
مارکوس چٌن اخترشناس رادیویی موسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا بوده و اکنون به عنوان نویسنده و کارشناس علمی فعالیت میکند. او چندین کتاب در فیزیک نظری نوشته که آخرین آن -ظهور گرانش- برنده جایزه بهترین کتاب علمی سال ۲۰۱۷ نشریه ساندی تایمز شده است. او در برنامههای متعدد تلویزیونی و رادیویی شرکت داشته و برای تولید اپلیکیشن منظومه شمسی برای آیپد برنده جایزه نوآوری شده است.
موج گرانشی چیست؟
آیساک نیوتن بر این باور بود که بین زمین و خورشید "نیروی" جاذبه وجود دارد که باعث گردش زمین به دور خورشید میشود؛ انگار که یک کش از خورشید به زمین کشیده شده و زمین را برای همیشه در مدار خورشید نگه میدارد. انیشتین نشان داد که این تصور باطلی بیش نیست.
چنین نیرویی وجود ندارد، در عوض، خورشید "درهای" در فضا-زمان اطرافش ایجاد میکند و زمین در لبه این دره حرکت میکند، مثل توپی که در چرخ رولت کازینو میچرخد.
موج گرانشی، خمیدگی ساختار فضا-زمان است. وجود این امواج را آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ پیش بینی کرد اما سال بعد نظرش عوض شد و این پیشبینی را پس گرفت ولی دوباره آن را در سال ۱۹۳۶ مطرح کرد.
ما نمیتوانیم فضا-زمان را ببینیم چون فضا-زمان ترکیب یکپارچهای است از سه بعد فضا (طول، عرض و ارتفاع) و بعد زمان؛ فضا-زمان چهار بعدی است اما ما موجوداتی سه بعدی هستیم؛ به همین دلیل هم به نابغهای مثل انشتین نیاز بود.
وقتی از خمیدگی، تاب برداشتن یا چین خوردن فضا-زمان صحبت میکنیم (نسبیت عام)، درباره چیزی شبیه این حرف میزنیم. اجرام فضایی مثل زمین یا خورشید در ساختار فضا-زمان چین، تاب یا گودی ایجاد میکنند و وقتی که در مدار خود حرکت میکنند این تاب فضا-زمان هم حرکت میکند، بر خلاف نظر نیوتن که انگار نیرویی زمین را به سمت خورشید میکشد.
بر اساس فرضیه نسبیت عام، فضا-زمان پسزمینه منفعل رویدادهای عالم{ظرف عالم}نیست، بلکه خودش "چیزی" است که در حضور ماده میتواند خمیده شود، کش بیاید و تاب بردارد. اینشتین این بحث را مطرح کرد که اگر فضا-زمان میتواند اینگونه تاب بردارد پس میتواند مثل لرزانک هم بجنبد. وقتی چنین اتفاقی میافتد موجی در فضا-زمان گسترش پیدا میکند، مثل دایرههای هم مرکزی که انداختن سنگ در برکه ایجاد می کند، این موج همان موج گرانشی است.
امواج گرانشی چگونه به وجود میآیند؟
دستتان را در هوا تکان دهید. شما همین الان امواج گرانشی ایجاد کردید؛ چینی در فضا-زمان انداختید که مثل موج دور میشود. اکنون این امواج از کره زمین رفته و از ماه گذشتهاند. در واقع آنها اکنون در راه مریخ هستند. چهار سال دیگر به نزدیکترین منظومه ستارهای به منظومه شمسی خودمان میرسند.
ما میدانیم که سیارهای به دور یکی از سه ستاره آلفا قنطورس میگردد. اگر این سیاره، میزبان یک تمدن صاحب تکنولوژی باشد و تا ابتدای سال ۲۰۲۲ هم موفق شده باشد آشکارساز امواج گرانشی بسازد، امواج گرانشی را که شما با دستتان چند لحظه پیش ایجاد کردید، ردیابی خواهد کرد. البته توجه داشته باشید که این آشکارساز امواج گرانشی باید بیاندازه حساس باشد. امواج گرانشی وقتی سرعت جرم تغییر میکند، یا "شتاب" میگیرد، تولید میشوند و بینهایت ضعیف هستند، چون خود گرانش خیلی ضعیف است. به همین قیاس میتوان گفت که فضا-زمان خیلی سفت و محکم است.
فرض کنید پوست طبلی را با چیزی که یک ملیارد میلیارد بار محکمتر از آهن است عوض کنید. این استحکام فضا-زمان است. این سفتی بیحد، به این معناست که فقط شدیدترین حرکتها مثل ادغام دو جسم ابرچگال مثل ستارههای نوترونی و سیاهچالهها میتوانند امواج گرانشی قابل ملاحظه ایجاد کنند.
امواج گرانشی چگونه ردیابی می شوند؟
موج گرانشی در مسیر خود زمان را در یک جهت کش میدهد و در جهتی عمود بر آن، زمان را فشرده میکند و بالعکس؛ این مرتب تکرار میشود. تاثیر امواج حاصل از ادغام دو سیاهچاله بر کره زمین بیاندازه کوچک است، معمولا مثل این است که طول جسمی به اندازه یک میلیارد میلیاردیم خودش تغییر کند. برای اندازه گرفتن تاثیری به این کوچکی به یک خط کش بزرگ نیاز است و اینجاست که رصدخانه امواج گرانشی با تداخلسنج لیزری، لایگو LIGO وارد میشود؛ یکی از شگفتیهای فناوری قرن بیستم.
در هنفورد در ایالت واشنگتن یک خط کش چهارکیلومتری از جنس نور لیزر قرار دارد و یک خط کش کاملا مشابه سه هزار کیلومتر آن سوتر در لیوینگستون در ایالت لوئیزیانا.
دو رصدخانه امواج گرانشی (لایگو) در لیوینگستون و هنفورد ۳۲۰۰ کیلومتر با هم فاصله دارند. در این دو رصدخانه در دو تونل، دو لوله خلا به قطر ۱.۲ متر، عمود بر هم وجود دارد؛ خلا این لولهها حتی از فضا هم خالیتر است. در انتهای هر تونل، نور به یک آینه ۴۲ کیلوگرمی برخورد میکند، آینهها از فیبرهای نوری آویزانند که قطر آنها دو برابر موی انسان است. آینهها آنقدر بینقصند که ۹۹.۹۹۹ درصد نور را برمیگردانند. تکان جزئی این آینههای معلق است که از عبور موج گرانشی خبر می دهد.
در این رصدخانهها، نور لیزر دو قسمت شده و هر کدام به یک تونل ارسال میشود و بعد آینه ها آنها را بازمیتابند و در مسیر برگشت با هم دوباره ترکیب میشوند.
اگر بیشینه (قله) دو موج نور با هم تلاقی کند نور دریافت شده شدت پیدا میکند. اگر بیشینه یک موج با کمینه (قعر) موج دیگر منطبق شود، همدیگر را خنثی میکنند. بنابراین رصدخانه لایگو به تغییر طول یک خط کش به نسبت خط کش دیگر -در حد کسری از طول موج نور- حساس است. نوآوریهای بسیاری به کار گرفته شده و دقت این اندازهگیری را به صد هزارم قطر اتم رسانده است.
چهارده سپتامبر سال ۲۰۱۵، ساعت پنج و پنجاه و یک دقیقه صبح به وقت شرق آمریکا ابتدا در لیوینگستون و ۶.۹ هزارم ثانیه بعد در هنفورد، این خطکشها به اندازه صدهزارم قطر اتم درازتر و کوتاهتر شدند و به این ترتیب برای اولین بار امواج گرانشی مستقیما ردیابی شدند.
ابتدا یک "جیرجیر" رصد شد که تقریبا حدود ۱۵ هزارم ثانیه طول کشید. بعد وقتی فضا-زمان زیر فشار تاب برداشت و در هم پیچیده شد، فوران نهایی و پرقدرت امواج گرانشی رخ داد و دو سیاهچاله به هم بوسه زدند و در هم ادغام و تبدیل به یک سیاهچاله عظیم شدند.
تا به حال شش فوران امواج گرانشی رصد شده که پنج تای آن محصول ادغام سیاهچالهها بوده اما در ۱۷ اوت سال ۲۰۱۷، امواج گرانشی رصد شدند که ناشی از ادغام دو ستاره نوترونی بودند.
نیروی گرانشی ده میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد بار ضعیفتر از نیروی الکترومغناطیسی است که اتمها را کنار هم نگاه میدارد.
از ساخت اولین نمونه تلسکوپ لایگو در موسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا تا اولین ردیابی مستقیم موج گرانشی، ۴۴ سال طول کشید و اولین موج گرانشی که ۱۴ سپتامبر سال ۲۰۱۵ ردیابی شد ۱.۳ میلیارد سال در راه بود تا به زمین برسد.
پنج پژوهشگر امواج گرانشی تا به حال برنده جایزه نوبل شدهاند: راسل هالس، جوزف تیلور، رینر وایس، کیپ تورن و بری بریش.
منشا امواج گرانشی
ستارههای نوترونی و سیاهچالهها نهایت تکامل ستارههای بزرگجرم هستند. وقتی ابرنواخترها منفجر میشوند، هسته آنها، کاملا بر عکس، در خود فروفشرده میشود. اگر جرم هسته از حد مشخصی کمتر باشد -سفتی نوترونها که به اصلاح یک خاصیت کوانتومی است- میتواند این در خود جمعشدن را متوقف کند، درنتیجه ستارهای تقریبا به اندازه کوه اورست چنان فشرده میشود که تکهای از آن به اندازه یک حبه قند، به اندازه تمام نژاد بشر وزن خواهد داشت.( ستارههای نوترونی) اگر جرم هسته از حد مشخصی بیشتر باشد، هیچ نیرویی نمیتواند جلوی جمع شدن آن را بگیرد، ستاره در خود فرو میریزد و تبدیل به سیاهچاله میشود.
بیشتر ستارهها دوقلو متولد میشوند، اما خورشید ما استثنای نادری است. انتظار این است که بیشتر ستارههای بزرگجرم دوقلو در پایان عمر تبدیل شوند به: دو سیاهچاله یا دو ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله که دور یک ستاره نوترونی میگردد.
امواج گرانشی به ما چه میگویند؟
امواج گرانشی همچنین این قابلیت را دارند که رفتار ماده ابرچگال را در داخل ستاره نوترونی برای ما فاش کنند. آنها از تولد کائنات هم به ما میتوانند خبر دهند. در مدل استاندارد، کائنات در اولین کسرهای ثانیه بعد از به وجود آمدن، دچار انفجاری بیاندازه عظیم شده به نام تورم کیهانی. تورم کیهانی در کائنات امروز یک صدای پسزمینه از امواج گرانشی بینهایت کهن باقی گذاشته که ما ممکن است بتوانم آنها را رصد و رمزگشایی کنیم. امواج گرانشی انگار یک "حس" به حواس ما اضافه میکند. ما همیشه قادر بودهایم با چشم یا تلسکوپ کائنات را ببینیم اما اکنون برای اولین بار میتوانیم صدای آن را نیز بشنویم. امواج گرانشی "صدای فضا" هستند. آنچه تا به حال شنیدهایم صداهایی بودهاند در لبه مرز شنیدن. کسی نمیداند ارکستر کائنات چه صدایی دارد اما با بهترشدن حساسیت حسگرهایمان، امیدواریم چیزهایی را کشف کنیم که حتی کسی خوابش را هم ندیده است.
سیارات:
حدود یک سوم ستارههای نزدیک به ما سیاره دارند و پیرامون یک سوم دیگر را صفحات حلقوی (دیسک) غبار فرا گرفته که سیارات از جامد شدن همین ابرهای غبار بوجود میآیند. سیارههای سنگی (خاکی) مثل زمین و مریخ در مدارهای نزدیکتر و سیارات عظیم گازی مثل بهرام و کیوان در مدارهای دورتر. بسیاری از منظومههای ستارهای عجیب و غریب سیاراتی دارند که جرمشان بارها از جرم زمین بیشتر است.
جای خالی این "ابرزمینها" در منظومه شمسی مشهود است، البته ادعایی هست که منظومه شمسی چنین سیارهای دارد، سیارهای که به آن لقب سیاره نهم دادهاند و میگویند در جایی بسیار دورتر از آخرین سیاره یعنی نپتون قرار دارد. سیاراتی هستند که در جهت عکس دور ستاره خود میچرخند.
ستاره سیاره را میکشد اما سیاره هم ستاره را میکشد. این باعث میشود ستاره همیشه مختصری نوسان کند.
پدیده داپلر:
ستاره وقتی به ما دور یا نزدیک میشود بسامد (فرکانس) نورش به تناوب تغییر میکند. این "پدیده داپلر" معادل آژیر ماشین پلیس است؛ وقتی نزدیک میشود صدایش زیرتر (فرکانس بالاتر) و وقتی دور می شود صدایش بمتر (فرکانس پایینتر) میشود. پدیده داپلر مدتی را که سیاره طول میکشد دور ستارهاش بچرخد، اندازه مدار سیاره و حداقل جرمِ ممکن ستاره را هم آشکار میکند.
جنس ستارگان:
اتمها و مولکولها وقتی گرم شوند، با طول موج خاص (انرژی) خود نور ساطع میکنند اما در جو سرد ستاره، همان طول موج را جذب میکنند. این باعث ایجاد خطهای سیاه در طیف نور ستارگان میشود، مثل بارکدهای روی اجناس. به همین ترتیب وقتی یک برون سیاره از جلوی ستاره عبور می کند، نور ستاره در سر راه رسیدن به کره زمین، از جو برون سیاره عبور می کند و این امکان وجود دارد که بارکدهای خاص مواد موجود در جو سیاره را ببینیم. این روش تاکنون شماری از مواد مثل سدیم، مونواکسید کربن، دیاکسید کربن و آب را در جو برون سیارات نشان داده است. اگر مولکول اکسیژن که گازی ناپایدار است در جو یک برونسیاره ردیابی شود، نشانه تولید مستمر آن توسط موجودات زنده است.
سیاهچالهها:
سیاهچالهها جاهایی در فضا هستند که گرانش بقدری قوی است که هیچ چیز حتی نور نمیتواند از آن بگریزد، منشا سیاهی سیاهچاله همین است. تصور امروزی ما از سیاهچاله براساس نظریه نسبیت عام اینشتین شکل گرفته است. این نظریه میگوید اجرامی مثل خورشید در اطراف خود درهای در فضا-زمان ایجاد میکنند و اجرام دیگر هم درون آن میافتند. در این نظریه، سیاهچاله چاهی بیانتها است که نور نمیتواند بدون اینکه آخرین ذره انرژیاش را از دست بدهد از آن بگریزد.
به دلایلی که هنوز بدرستی آنها را نمیفهمیم، طبیعت دو نوع سیاهچاله ایجاد کرده است: سیاهچالههای ستاره-جرم و سیاهچالههای کلانجرم، که جرم آنها از میلیونها برابر جرم خورشید تا میلیاردها برابر آن متغیر است.
اگر ماده موجود در خورشید به حد کافی فشرده شود سیاهچالهای به قطر شش کیلومتر بوجود خواهد آمد. اگر ماده موجود در کره زمین بقدری فشرده شود که تشکیل سیاهچاله دهد قطر آن ۱.۸ سانتی متر خواهد بود.
تعداد سیاهچالههای کلانجرم در عالم هستی -یکی در مرکز هر کهکشان- دو تریلیون است.
سیاهچاله و کهکشان:
معمای مرغ و تخم مرغ است؛ آیا اول کهکشان ستارگان شکل میگیرد و بعد یک سیاه چاله کلان جرم در مرکز آن به وجود میآید؟ یا یک سیاه چاله کلانجرم وجود دارد و بعد کهکشان ستارگان حول آن شکل میگیرد؟
وقتی ماده در مسیری مارپیچ درون سیاهچاله سقوط میکند گرم میشود و یک صفحه حلقوی برافزوده ایجاد میکند که بیاندازه داغ است و میتواند صد برابر کهکشانی از ستارگان انرژی آزاد کند.
چرخه عمر ستاره:
تولد:
وقتی ابر سرد و تاریک گاز و غباری که بین ستارگان وجود دارد زیر فشار گرانش خود جمع شود، ستاره متولد میشود. هر چه این کره گازی فشرده و کوچکتر میشود دمایش بالاتر میرود و وقتی دمای هستهاش به بیش از ده میلیون درجه سانتیگراد برسد، واکنش هستهای آغاز میشود و کره گازی، بدل به ستارهای نورانی میشود.
از جوش خوردن هسته دو اتم هیدروژن -سبکترین عنصر- هلیم -دومین عنصر سبک در ستاره تولید میشود. طبق فرمول معروف انیشتین،E=mc2، تفاوت جرم مواد اولیه (دو هیدروژن) با محصول نهایی (یک هلیم) به شکل نور ظاهر میشود.
ستاره نوترونی :
سرانجام این تحولات به آهن ختم میشود. تشکیل اتم آهن انرژی اتمی هسته ستاره را میبلعد و باعث میشود هسته شروع به جمع شدن در خود کند، روندی که سریعتر و سریعتر میشود تا اینکه یک کره ریز بیاندازه چگال از نوترون شکل میگیرد که به آن ستاره نوترونی میگوییم. موادی که به مرکز فرو میریزند به هسته نوترونی برخورد میکنند و برمیگردند و فرو ریزش به برون رانش و انفجار تبدیل میشود. انفجار ابرنواختر که آنقدر درخشان است که نورش تمام کهکشان ستارگان را تحت شعاع قرار میدهد.
سیاهچاله:
اما اگر جرم هسته به اندازه کافی بزرگ باشد، هیچ نیرویی وجود ندارد که بتواند مانع گرانش شود که هسته ستاره را تا حد نابودی فشرده نکند. در واقع گرانش، هسته را آنقدر فشرده میکند که چگالی آن بینهایت میشود. به چگالی بینهایت تکینگی میگوییم. سیاهچاله همان تکینگی است که در دیواری غیر قابل نفوذ به نام افق رویداد محصور شده است.
توالی پایه:
بیشتر ستارگان واقعی و معمولی سیر تکاملی دارند که به آن توالی پایه میگویند. توالی پایه نود درصد عمر ستاره را تشکیل میدهد. ستاره تا وقتی که مقدار قابل توجهی از هیدروژن هستهاش مصرف نشده باشد تقریبا در همان اوایل توالی پایه باقی میماند - خورشید ما هم در همین مرحله است- و بعد به ستارهای نورانیتر تبدیل میشود. ستارگان پرجرم عمر کوتاهتری دارند و بعد از توالی پایه تبدیل به غول یا ابرغول میشوند و بعد به شکل ابرنواختر منفجر شده و نود درصد جرم آن به بیرون پرتاب میشود و هسته ستاره در خود فرو میریزد. بر حسب جرم هسته، ستاره یا تبدیل به ستاره نوترونی میشود یا سیاهچاله.
غول قرمز، کوتوله سفید و سیاه:
ستارگان کمجرم عمر طولانیتری دارند و پس از توالی پایه، تبدیل به غول قرمز میشوند. در نهایت لایه گازی بیرونی دفع شده و هسته ستاره در خود جمع میشود و کوتوله سفید به وجود میآید. بطور نظری ستاره میتواند سرد و تبدیل به کوتوله سیاه شود اما کائنات هنوز جوانتر از آن است که این را بتوان ثابت کرد.
عکاسی از سیاهچاله:
برای گرفتن عکس یک سیاهچاله، چالش ما عکسبرداری از افق رویداد کمان ای است، این مثل این است که بخواهیم از کره زمین، از یک گریپ فروت در کره ماه عکس بگیریم. آنچه اخترشناسان میخواهند بدانند این است که آیا افق رویداد همانطور که اینشتین پیشبینی کرده عمل میکند و اصلا آیا افق رویداد وجود دارد یا نه. اخیرا استیون هاوکینگ این فکر را مطرح کرد که شاید افق رویداد وجود نداشته باشد.
اجزای سیاهچاله:
وقتی یک ستاره بزرگ جرم بقدری جمع فشرده شود که سیاهچاله شکل بگیرد (تا جایی که فعلا میدانیم)، چیزی جز چاه بیانتهای فضا-زمان باقی نمیماند. سیاهچاله را افق رویداد احاطه میکند، یک غشای مجازی که نقطه بدون بازگشت را نشان میدهد، جایی که نور و ماده گریزی از افتادن به داخل سیاهچاله ندارد.
نسبیت عام اینشتین پیشبینی کرده که درون افق رویداد و در مرکز سیاهچاله، نقطهای با چگالی بی نهایت وجود دارد به نام تکینگی. اما وقتی به تکینگی میرسیم، نظریه اینشتین و هر نظریه دیگری فرو میریزد. شاید ما به یک نظریه کوانتومی گرانش جدید نیاز داریم که به ما بگوید واقعا چه چیزی آنجا وجود دارد.
رفتن به درون سیاهچاله:
فضانوردی را تجسم کنید که به سمت سیاهچاله میرود. وقتی در محیط دایره ای که ۱.۵ برابر محیط سیاهچاله است، گرانش چنان قوی است که نور را چنان خم می کند که سیاهچاله را دور میزند بنابراین فضانورد می تواند پشت سرش را ببیند.
بنا به پیشبینی نظریه انیشتین، زمان در گرانش قوی کندتر میگذرد. بنابراین اگر شما از فاصلهای امن بتوانید ببینید که فضانوردی به سیاهچاله پای میگذارد، حرکت او کند (اسلوموشن) و کندتر میشود و وقتی فضانورد به افق رویداد میرسد کاملا متوقف میشود.
اما در مورد سیاهچالههای چرخان یا کِر، موضوع کمی پیچ میخورد. این سیاهچاله ها در عمل دو افق رویداد دارند، وقتی فضانورد از اولی میگذرد و وارد ارگوسفر میشود، توفان پیچان فضا-زمان او را به هر سو خواهد کشاند. هنوز ممکن است فضانورد از چرخش سیاهچاله انرژی بگیرد و از سیاهچاله به بیرون پرتاب شود اما وقتی از افق رویداد داخلی گذشت دیگر بازگشتی وجود ندارد.