ستعمل ليزا ، وهي مرصد موجة الجاذبية بقيمة 1.6 مليار دولار على إطلاق العقد المقبل ، ثورة في الطريقة التي نرى بها موجات الجاذبية – الاضطرابات اللانهائية للفضاء المتوقعة لأول مرة منذ أكثر من قرن واكتشفت فقط قبل ثماني سنوات.
في الخريف ، نشرنا غوصًا عميقًا في تصميم ليزا والعقبات الهندسية التي يجب التغلب عليها للحصول على الفضاء المستقبلي. الآن ، سألنا العلماء عن البيانات الفعلية التي ستجمعها ليزا – ما هي الأفكار التي يمكن أن تسفر عنها البيانات وكيف ستؤدي هذه الأفكار إلى تغيير فهمنا للكون ، من مصادر تموجات الجاذبية إلى الطريقة التي تشكل بها تلك الصدى الكون.
ليزا: بسيطة لكنها دقيقة
تعني ليزا هوائي مساحة التداخل بالليزر ، وتتألف من ثلاثة مركبة فضائية تدور حول الشمس في تكوين ثلاثي الثلث. ليزا هي مقياس تداخل ، مما يعني أن المهمة ستستنشق موجات الجاذبية باستخدام قياس التداخل بالليزر – حيث يتطلب المسافات بين الجماهير باستخدام عوارض ليزر دقيقة بشكل لا يصدق حوالي 5 ملايين ميل (8 ملايين كيلومتر) ، مع كل ذراع من مثلث ليزا الذي تضم حوالي 1.6 مليون ميل (2.5 مليون كم) من هذا الطول.
تعد الليزر حاسمة ولكن جزءًا واحدًا فقط من تصميم ليزا – فهي مجرد عصي قياس للمسافات بين ثلاثة مكعبات معدنية ، واحدة في كل من المركبة الفضائية ليزا الثلاثة. المكعبات مصنوعة من سبيكة ذهبية البلاتين لتقليل المغناطيسية التي يمكن أن تعمل عليها. مرة أخرى ، فإن هدف ليزا هو التجول عبر الفضاء مع أي شيء إيجابي لم لمس هذه المكعبات ولكن الفضاء والموجات الجاذبية التي ركبت عليها.
وقال سافيك فورد ، عالم الفيزياء الفلكية في المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي ، في مكالمة مع جيزمودو: “الفكرة الأساسية وراء التصميم هي أننا نطلق هذه المكعبات”. “نريدهم فقط أن يجلسوا هناك ويختبرون فرحة وقت الفضاء دون أي قوى أخرى تعمل عليها ، وهذا الجزء الأخير هو الجزء الصعب.”
وأضاف فورد: “تحتاج إلى مناورة الحرفة لأن الجماهير (مكعبات الذهب-البلاتين) تتساقط ، للتأكد من أن المركبة الفضائية نفسها لا تنجرف إلى الجماهير وتضربها ، والتي ستكون فظيعة”.
بقدر ما يمسك بتعقيد ليزا ، فإن طالب الدراسات العليا في فورد آنذاك جيك بوستجليون لديه تشبيه: التحدي التقني يشبه إطلاق ليزر من نيويورك إلى لوس أنجلوس (إذا كانت الأرض مسطحة) ، ومحاولة ضرب مقلة الفاكهة معها. ويتحرك كل من الليزر وذبابة الفاكهة مع تطور هذه العملية.
قال فورد ، إن حجم التحدي الهندسي هو “بصراحة في التفكير” ، وأنا سعيد للغاية لأنه ليس قسمي “.
توفر ناسا عدة عناصر من أجهزة LISA ، بما في ذلك نظامها بالليزر وأنظمة التلسكوب والأجهزة التي ستدير مستويات الشحن الكهربائي على مكعبات الاختبار.
يتم تحديد تواتر كائنات المدارات من خلال عدد مرات إكمال مدار كامل حول بعضها البعض. إن أجهزة الكشف عن الموجات الجاذبية لدينا جيدة في اكتشاف ترددات معينة لأسباب متنوعة ، ولكن كل كاشف حالي له قيود رئيسية واحدة: إنها عالقة على الأرض.
أوراكل قائم على الفضاء للثقوب السوداء القديمة
تختلف أجهزة الكشف عن الموجات الجاذبية في أنواع الترددات المدارية التي يكتشفونها. إن أجهزة الكشف عن الأرض-أي تعاون Ligo-Virgo-Kagra-رائعة في اكتشاف الترددات العالية ، والتي تتوافق مع كتل أصغر مثل الثقوب السوداء بحجم النجوم. ولكن عندما تصبح هذه الجماهير أكبر قليلاً – على سبيل المثال ، أكثر من مائتي ضعف كتلة شمسنا – تكون الترددات المدارية الخاصة بهم نطاقًا مشابهًا للضوضاء التي ينتجها كوكبنا.
وقال فورد: “هناك تردد في الأساس حيث تكون الأرض نفسها صاخبة لدرجة أن الأرض هي مشكلتك”. “لا يمكنك فعل ذلك حرفيًا. عليك أن تذهب إلى الفضاء ، بطريقة أو بأخرى. “
في الفضاء ، تجعل صفائف توقيت Pulsar عصا قياس مفيدة لأكبر الثقوب السوداء ، على الرغم من أن الأرض لا تزال جزءًا من المعادلة. في هذا الإعداد ، تراقب المرصد على الأرض وميض الضوء الموثوق من كائنات الغزل السريعة (النجوم النابضة) ؛ عندما يكون توقيت هذا الضوء على الأرض طفيف تأخر أو تسارع ، إنه مؤشر على أن وقت الفضاء قد امتد أو مضغوط بواسطة موجات الجاذبية. في عام 2023 ، وجدت مجموعة من تعاون صفيف توقيت Pulsar دليلًا قويًا على خلفية موجة الجاذبية في بيانات Pulsar.
https://www.youtube.com/watch؟v=_ib6iiexaiy
عادة ما تكون الثقوب السوداء التي تراها صفائف توقيت النبتات النابضة مليارات المرات في كتلة الشمس وتقيم في وسط مجرات الوحش – حتى أنها قزموا القوس A*، الثقب الأسود في وسط درب التبانة ، التي تتساقط في تقريبًا أربعة ملايين كتلة شمسية. إذا كانت الثقوب السوداء عصيدة ، فستكون ليزا جولديلوكس. سوف تستنشق المهمة موجات الجاذبية منخفضة التردد والتي يستحيل التمييز بين الضوضاء في أجهزة الكشف عن الأرض. ومع ذلك ، قد يكون المرصد القائم على الفضاء قادرًا على اكتشاف عمليات دمج الثقب السوداء الضخمة-الثقوب السوداء ذات الحجم الحجم المتساقط في تلك الفائقة-إلى جانب الثنائيات الحميمة من الأشياء المدمجة وغيرها من رشقات وخلفيات الفيزياء الفلكية.
وقال إيمانويل بيرتي ، وهو فيزيائي نظري: “يمنحنا صفائف توقيت النبضات معلومات حول الخلفية العشوائية لثنائيات الثقب السوداء الضخمة بترددات منخفضة للغاية ، وقد وضعت LIGO بشكل أساسي حدود على معدلات العائلات المختلفة لعمليات الدمج المدمجة في الكتلة النجمية”. في جامعة جونز هوبكنز ، في مكالمة فيديو مع Gizmodo. “لقد تغير التفكير بطرق مختلفة ، لكنني أقول إن العلم الأكثر إثارة للاهتمام الذي يمكننا القيام به مع ليزا يتركز حول عمليات الدمج الثنائية السوداء الضخمة ، لأن هذا شيء لا يمكننا تحقيقه على الأرض.”
التهرب من الضوضاء في الفضاء
على الرغم من أن ليزا سيكون لديها اضطرابات أقل بكثير في الفضاء أكثر من الأرض – أي صفر – سيتعين على المرصد أن يخضع للضوضاء الكونية. هناك أشياء في الكون تجعل الثقوب السوداء أكثر صعوبة في رؤيتها لأنها تنبعث أيضًا من موجات الجاذبية. أكثر أشكال هذه المتشابكات المدمجة هي ثنائيات قزم بيضاء: قذائف مضغوطة من النجوم السابقين التي تدور حول بعضها البعض وتندمج في نهاية المطاف ، مما يثير وقت الفضاء في عملية مثل الخلاصات في الخلاط. الاستثناء من هذا الضجيج سيكون عندما تكون الثنائيات لذا وضوحا أنه يمكن اختيارها بشكل فردي والتعرف عليها لما هي عليه. سياف “التحقق من الحدين الكوني” ، سيساعد “ثنائيات التحقق” من علماء الفلك على تأكيد قدرات ليزا بمجرد أن تكون المهمة في وضعها.
ستكتشف ليزا ضوضاء في وقت واحد من ملايين المصادر ، وكثير منها داخل مجرتنا ، وفقًا لناسا. سيفصل العلماء القمح عن القشر بمساعدة كمية هائلة من معالجة البيانات وتركيب البيانات على النظريات والنماذج الحالية للكائنات المعروفة للكون. مع أكثر من عقد من الزمان حتى من المتوقع إطلاق ليزا ، يعمل العلماء على تحديات بيانات وهمية للتحضير للصفقة الحقيقية.
تتبع التطور الكوني
“في الواقع هناك سؤالان فقط في الفيزياء الفلكية ، وهما” كيف وصلنا إلى هنا؟ ” وقال فورد “هل نحن وحدنا؟”. “كل شيء نفعله موجه نحو الإجابة على قطعة صغيرة من واحدة أو أخرى ، وأحيانًا كلاهما ، من هذه الأسئلة.”
وأضاف فورد: “نحن لسنا في لعبة الثقوب السوداء بشكل عام للإجابة على أي علاقة” هل نحن وحدنا؟ “. “لكن كيف وصلنا إلى هنا أمر مهم للغاية لفهم هذه الثقوب السوداء.”
إن فهم ولادة النجوم وموتهم – ودور أفران الانصهار النووي هذه في إنتاج العناصر – مرتبط ارتباطًا وثيقًا بوجود ثقوب سوداء. علاوة على ذلك ، قد تكون أنواع النجوم التي تشكلها المجرات والكمية التي تتشكل فيها متصلة بكتلة وسلوك الثقوب السوداء في نوى المجرات. يمكن أن تكون الثقوب السوداء من أكلة فوضوية – غالبًا ما تدحضوا المواد النجمية وتغلبها على الفضاء – مما يجعلهم مشاركين نشطين في تطور الكون من حولهم.
ترى ملاحظات التلسكوب الفضائي في Webb Spots الصغيرة بقع الضوء كما كانت عندما كان عمر الكون يتراوح عمره عن 600 مليون سنة و 1.5 مليار سنة. على الرغم من أن الأبحاث الحديثة تشير إلى أن النقاط هي علامات على نمو الثقب الأسود المحبب سابقًا في الكون المبكر – وأن النماذج الكونية ليست “مكسورة” كما اقترح العناوين الرئيسية – ستساعد الملاحظات على الكشف عن الطبيعة الدقيقة لمصادر الضوء المحيرة.
ستلاحظ ليزا تقلب الثقوب السوداء وتوصيف مجموعة من الأشياء المدمجة في عالمنا بشكل أفضل. يمكن أيضًا تطبيق هذه المعلومات على النماذج الكونية الحالية والنظريات السائدة ، مثل النسبية العامة لـ Einstein. ستكون بيانات الحقيقة الأرضية (إذا جاز التعبير-نتحدث عن الفضاء هنا) اختبارًا مقنعًا للإجهاد لتلك الأفكار حول الكون ، والتي تم التحقق من صحة أحدها عندما اكتشف Ligo موجات الجاذبية لأول مرة في عام 2015. هناك الكثير من المعروفة مجهولون في Yonder Black Black of SpaceTime ، لكن علماء ليزا مصممون على التراجع عن الستار – إذا كان بعض الشيء فقط – على بعض أسرار الكون الأكثر تأسيسية.