رصد‌های آتی با استفاده از امواج گرانشی

مشاهده مستقیم امواج گرانشی، یعنی شکن‌هایی که در اثر حرکت اجرام در فضا – زمان پدید می‌آید، دریچه دیگری خواهد بود به درون جهان هستی. دست‌کم در پانزده سال گذشته، چند بار قول برنامه‌های پنج ساله برای آشکارسازی امواج گرانشی داده شده است، اما اخیراً در یک گردهمایی اعضای گروه‌هایی که روی این مسئله کار می‌کنند اعلام شد که گویا قرار است در شش سال آینده امیدها به داده‌های واقعی تبدیل شوند. این خوش بینی از اتفاق نظری سرچشمه می‌گیرد که در مورد براوردهای نظری شدت چشمه‌های کیهانی تابش گرانشی وجود دارد. دلیل دیگری برای امیدواری وجود دارد و آن اطمینان روزافزونی است که درباره تحقق پیشرفت‌های فنی لازم برای ساختن آشکارسازهای تداخلی با حساسیت کافی، ابراز می‌شود.
آشکار ساز تداخلی موج گرانشی اساساً تشکیل شده است از سه جرم معلق که در گوشه‌های یک L قرار گرفته‌اند. دو بازوی یک تداخل سنج مایکلسون، که با نصب آینه‌هایی بر جرم‌ها به وجود آمده‌اند، طول‌های نسبی دو ضلع L را اندازه می‌گیرند. عبور یک موج گرانشی از آشکارساز باعث می‌شود که جرم‌های یک بازو از هم دور و جرم‌های بازوی دیگر به هم نزدیک شوند و در نتیجه انتقالی در نقش فریزهای تداخل سنج پدیدار شود. برای مشخص کردن شدت برهم‌کنش موج از پارامتر h استفاده می‌کنند که به صورت نسبت اختلاف پدید آمده در طول دو بازو، به طول یکی از بازوها تعریف می‌شود. صرف رؤیت چشمه‌ها، احتمالاً مستلزم آشکارسازی مقادیری از h به کوچکی 20-10 است. برای به دست آوردن اطلاعات اختر فیزیکی مفید باید بتوان چیزی در حدود 22-10h≈ را اندازه‌گیری کرد. بدیهی است که مشکلات فنی کار بسیار زیاد است، زیرا حتی در حد 20-10h≈ باید بتوان در تداخل سنجی به طول بازوی یک کیلومتر تغییرات حدود 2-10 فرمی (حدود یک‌صدم شعاع هسته) را در طول بازوها اندازه‌گیری کرد. آشکارسازهای تداخلی در محدوده بسامدهایی در حدود چند هزار هرتز کار می‌کنند و با توجه به سطح اپتیکی مورد نظر، چشمه نوفه و آشکارساز فوتون به نور معمولی یا فروسرخ نزدیک محدود می‌شوند.
همان‌طور که کیپ ثورن (انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا یا کلتک) در این گردهمایی متذکر شد، چشمه‌های امواج گرانشی اغلب تک رویدادهایی هستند که مرتبط‌اند با رمبش هسته یک ستاره در انفجار ابر نواختری و یا به هم پیوستن اعضای یک منظومه دوتایی ستاره‌های فشرده نزدیک به هم. تولید امواج گرانشی به شدت تابع انحراف از تقارن کروی یا محوری است که در خلال رمبش گرانشی یک ستاره به هنگام تبدیل به ستاره نوترونی یا سیاه‌چاله، پدیدار می‌شود، و نامعین بودن اندازه انحرافات موجب عدم قطعیت در شار پیش‌بینی شده امواج گرانشی می‌شود. اگر حساسیت h از مرتبه 22-10 باشد، می‌توان سیاه‌چاله‌های در حال رمبشی را که جرمشان 100 برابر جرم خورشید است در سرتاسر جهان مرئی مشاهده کرد. رمبش‌های فاقد تقارن محوری ستاره‌های نوترونی را در کهکشان‌هایی به فاصله کهکشان‌های خوشه سنبله می‌توان دید؛ انتظار وقوع چندین رویداد از این نوع در هر سال می‌رود. یکی از برتری‌های آشکارسازهای تداخلی نسبت به آشکارسازهای میله – جامد تشدید کننده، امکان استخراج اطلاعات طیفی از آن‌ها است. محاسبات عددی اخیر رمبش گرانشی شکل‌های کاملاً مشخصی برای امواج ناشی از رمبش سیاه‌چاله‌ها و ستاره نوترونی به دست می‌دهد. در واقع آشکارسازهای مشخصه‌های موجی یک رمبش سیاه‌چاله‌ای احتمالاً تنها راه ممکن برای نشان دادن وجود سیاه‌چاله‌هاست. همچنین اگر نور ابر نواختر تولید کننده موج گرانشی نیز رؤیت شود، نسبت زمان رسیدن نور به زمان رسیدن موج گرانشی، آزمونی قوی برای نظریه‌های گرانش خواهد بود. نسبیت عام سرعت انتشار نور و امواج گرانشی را یکی می‌داند، در حالی که بعضی از نظریه‌های رقیب تفاوت‌هایی در حدود یک در 610 را پیشگویی می‌کنند. این رصدها می‌تواند حدودی از مرتبه یک در 1010 روی این نسبت بگذارد.
اگر حدود h به 22-10 رسانده شود، باید بتوان امواج گرانشی دو ستاره نوترونی را که گردهم می‌پیچند، از فاصله خوشه سنبله رصد کرد. زمینه تصادفی امواج گرانشی به جا مانده از زمان‌های آغاز جهان نیز ممکن است آشکار سازی شود و شاید از این راه بتوان به برخی دقایق دوران پلانک (s43-10t~) پی برد که مطابق بعضی براوردها دوران گسیختن پیوند امواج گرانشی از ماده جهان بوده است؛ یا به وسیله‌ای برای فهم دوران‌های بعدی جهان دست یافت که افت و خیزهای چگالی آن‌ها مالاً به تکوین کهکشان‌ها انجامیده است. چشمه‌های تناوبی منظم امروزی (نظیر تپ اخترهایی که به سرعت می‌چرخند) ممکن است با h بسیار کوچکتر از 22-10 مشاهده شوند زیرا اثرشان روی تعداد زیادی دوره تناوب جمع بسته می‌شود. ر.و.پ درور (کلتک و دانشگاه گلاسگو) روش‌های تجربی کم نقصی را توضیح داد که آشکارسازهای تداخلی را نامزدهای عملی مناسبی ساخته است. نخستین بار از این روش‌ها در 1971 در آزمایشگاه‌های مؤسسه هواپیماسازی هیوز استفاده شد. حساسیت آشکارساز با افزایش طول بازو زیاد می‌شود، طول مؤثر بازوها را می‌توان یا از طریق بازتاب‌های متوالیی زیاد کرد که مسیرهای موازی چندگانه‌ای در امتداد بازوها به دست می‌دهند و یا از طریق تبدیل بازوها به حفره‌های تشدید، که عملاً نور را در هر دوره تناوب موج گرانشی به دفعات بسیار به جلو و عقب منعکس می‌کنند. در برنامه‌ای که در آلمان در دست اجراست و و. وینکلر (از انستیتوی ماکس پلانک در گارخینگ) آن را توصیف کرد (نظیر برنامه انستیتوی تکنولوپی ماساچوست) از طرح مسیرهای چند گانه استفاده می‌شود؛ طول کل مسیر، که از سه بازو به شکل مثلث تشکیل شده است به 100 کیلومتر می‌رسد.
دستگاهی که هم اکنون در گلاسگو برپاست، بازویی به طول 10 متر دارد و بازوی دستگاهی که در کلتک سوارهم شده 40 متر است. در هر دو دستگاه برای تدارک ابزارهای بسیار بزرگتر، از روش حفره‌های تشدید استفاده می‌شود. سیستم کنترل servo – loopای که گروه درور، برای پایدار کردن بسامد لیزر در این تداخل سنج‌ها ابداع کرده است، به روش استانداردی برای پایدار کردن لیزرها در بسیاری کاربردهای دیگر منجر شده است – و این مطلب مطمئناً درس عبرتی است برای کسانی که در فواید فنی پرداختن به علوم محض به دیده تردید می‌نگرند.
روش جدیدی براساس استفاده از یک دستگاه مدوله‌گر پیشنهاد شده است. در این دستگاه از نور به کار رفته در تداخل سنج، به نحوی که باعث تقویت نور لیزر شود، مجدداً استفاده می‌شود. با این روش شاید بشود توان لیزر مورد نیاز را یکصد بار کاهش داد و به چیزی در حدود 20 تا 30 وات (توان تک عدد) رساند که هدف نامعقولی نخواهد بود.
روش مفیدتری نیز برای کاهش دادن توان لیزر مورد نیاز وجود دارد. این روش مبتنی بر پیشرفت‌هایی است که در امر ساختن آینه‌هایی با توان بازتاب زیاد – در حدود 99995ر0 گزارش شده است: امید می‌رود که در آینده دورتر بتوان اثرات نوفه فوتونی را با استفاده از روشی که چلاندن حالات نامیده شده و اخیراً کاراییش به طور تجربی در آزمایش‌گاه‌های بل به اثبات رسیده است کاهش داد. در این روش سعی بر آن است که با انتخاب دقیق کمیات مورد اندازه‌گیری، پاره‌ای از محدودیت‌هایی را که اصل عدم قطعیت اعمال می‌کند از راه بردارند.
احتمالاً نخستین رصدخانه‌های موج گرانشی حاصل کار گروه‌های تحقیق ایالات متحده و گلاسگو خواهد بود. پروژه ایالات متحده برای رصدخانه موج گرانشی با تداخل سنج لیزری منجر به پیدایش دو ابزار 4 کیلومتری، یکی در مین و دیگری در کالیفرنیا خواهد شد. در برنامه بریتانیا، وسیله‌ای 1 کیلومتری پیشنهاد شده است که مرحله اول آن تا شش سال دیگر شروع به کار خواهد کرد. اینها رصدخانه‌هایی واقعی خواهند بود و قسمت اعظم هزینه آن‌ها صرف تهیه لوله‌هایی چند کیلومتری خواهد شد که خلأ نسبتاً کاملی در آن‌ها ایجاد می‌شود و بازوهای تداخل سنج را تشکیل می‌دهند. قطر لوله‌ها حدود 1 متر خواهد بود و در خلئی بهتر از 8-10 توریچلی کار خواهد کرد.
در این گردهمایی ارزش همیاری‌های بین‌المللی در تحقیقات مربوط به موج گرانشی مورد توافق عام بود. گذشته از صرفه جویی‌های حاصل از مشارکت صنعتی نیازی واقعی به وجود چند آشکار ساز وجود دارد تا بتوان اطلاعاتی درباره جهت امواج به دست آورد و علائم مزاحم را از طریق بررسی همبستگی اطلاعات رسیده از مخل‌های مختلف حذف کرد. همان‌طور که بی. اف. شوتز از دانشگاه کاردیف متذکر شد، چهار آشکارساز عمده پیشنهاد شده را می‌توان طوری تعبیه کرد که آسمان را به خوبی بپوشانند و میزان آشکار سازی را بدواً به چند رویداد در سال برسانند.