الكشف عن موجات الجاذبية

يتم الكشف عن موجات الجاذبية عن طريق قياس التغيرات الدقيقة التي تحدثها في الأطوال النسبية لأذرع متعامدة لمقاييس تداخل ليزر عملاقة، وهو إنجاز حققه مرصد LIGO لأول مرة في عام 2015.

Definition

الكشف عن موجات الجاذبية هو قياس الإجهاد، أي التغير الجزئي في المسافة، الذي تنتجه موجة عابرة، ويتم ذلك بواسطة قياس التداخل الليزري على خطوط أساس بطول كيلومترات على الأرض، وبواسطة مقاييس التداخل الفضائية المخطط لها، وبواسطة مصفوفات توقيت النباضات المليثانية عند ترددات منخفضة جدًا.

Scope

يغطي هذا الموضوع مبدأ الكشف التداخلي، واستجابة مقياس التداخل على شكل حرف L لإجهاد الموجة، ومصادر الضوضاء المهيمنة (الزلازلية والحرارية وضوضاء الكم)، والتقنيات المستخدمة لقمعها، وشبكة الكاشفات العالمية (LIGO، Virgo، KAGRA) والمراصد الفضائية ومراصد توقيت النباضات المخطط لها، وتحليل البيانات باستخدام الترشيح المطابق لاستخراج الإشارات من الضوضاء.

Core questions

• كيف يحول مقياس التداخل الليزري إجهاد الزمكان إلى إشارة قابلة للقياس؟
• ما هي مصادر الضوضاء التي تحد من الحساسية وكيف يتم التغلب عليها؟
• كيف يتم تحديد الإشارات الضعيفة ضمن ضوضاء الكاشف؟

Key concepts

• مقياس التداخل الليزري
• حساسية الإجهاد
• الضوضاء الزلزالية والحرارية
• ضوضاء الكم الكمومية
• شبكة الكاشفات والتثليث
• الترشيح المطابق

Key theories

قياس الإجهاد التداخلي

تغير الموجة العابرة أطوال ذراعي مقياس التداخل المتعامدين بشكل معاكس، مما يحول تداخل ضوء الليزر المعاد تجميعه، بحيث يكون التحول الطوري المقاس قراءة مباشرة لإجهاد موجة الجاذبية.

الكشف بالترشيح المطابق

نظرًا لأنه يمكن حساب الأشكال الموجية المتوقعة مسبقًا، يتم استخلاص الإشارات الأقل بكثير من الضوضاء عن طريق ربط البيانات بمجموعات من القوالب النظرية، وهي التقنية التي أكدت أول اندماج لثقب أسود.

Clinical relevance

تحدد تقنية الكشف ما يمكن أن يرصده علم فلك موجات الجاذبية: تغطي مقاييس التداخل الأرضية النطاق السمعي لاندماجات الكتل النجمية، وستصل البعثات الفضائية المخطط لها إلى ترددات أقل للثنائيات الثقب الأسود الهائلة، وتستكشف مصفوفات توقيت النباضات موجات النانوهيرتز من أزواج الثقوب السوداء فائقة الكتلة، لتغطي معًا طيف موجات الجاذبية.

History

أدت محاولات جوزيف ويبر باستخدام القضبان الرنانة في الستينيات إلى تحفيز هذا المجال؛ تصور فايس (Weiss) النهج التداخلي في أوائل السبعينيات، وبعد عقود من التطوير، حقق مرصد LIGO أول كشف مباشر في سبتمبر 2015، وهو إنجاز حاز على جائزة نوبل عام 2017 لفايس وثورن وباريش.

Key figures

• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish
• Ronald Drever

Seminal works

• abbott2016
• saulson1994

Frequently asked questions

كيف يمكن للكاشفات قياس تغير في الطول أصغر من نواة الذرة؟

باستخدام أذرع بطول كيلومترات، وليزر عالي الطاقة ومستقر ينعكس آلاف المرات، وعزل شديد عن الاضطرابات الزلزالية والحرارية، تستشعر مقاييس التداخل التغير التفاضلي في طول الذراع من رتبة 10^-18 متر الذي تنتجه موجة الجاذبية.

لماذا هناك حاجة إلى عدة كاشفات بدلاً من واحد؟

تؤكد الشبكة أن الإشارة فلكية وليست ضوضاء محلية، ومن خلال مقارنة أوقات الوصول عبر مواقع متباعدة على نطاق واسع، تحدد الشبكة مصدر الإشارة في السماء، وهو أمر ضروري لتوجيه التلسكوبات للمتابعة متعددة الرسائل.