موجات الجاذبية
موجات الجاذبية هي تموجات في انحناء الزمكان تنتقل بسرعة الضوء، وتتولد عن طريق تسريع الكتل مثل الأجرام المدمجة التي تدور حول بعضها، وقد تم الكشف عنها الآن بشكل مباشر، مما يفتح نافذة جديدة على الكون.
Definition
موجات الجاذبية هي اضطرابات عرضية منتشرة في مقياس الزمكان، وهي حلول لمعادلات أينشتاين الخطية، تحمل الطاقة والزخم بعيدًا عن توزيعات الكتلة المتسارعة وغير الكروية، وتمد وتضغط المسافات بين الكتل الاختبارية الساقطة بحرية.
Scope
يغطي هذا المجال نظرية الإشعاع الجذبوي: معادلات أينشتاين الخطية وحلولها الموجية، والاستقطابين العرضيين وتأثير الموجة العابرة على الكتل الحرة، وصيغة الرباعي للانبعاث، والمصادر الفيزيائية الفلكية، وتقنيات مقياس التداخل الليزري وتوقيت النجوم النابضة المستخدمة للكشف عن الموجات وقراءة خصائص مصادرها.
Sub-topics
Core questions
- كيف تتنبأ معادلات أينشتاين بالحلول الشبيهة بالموجات، وما هي سرعة انتقالها؟
- ما هي أنواع الأنظمة الفيزيائية الفلكية التي تصدر موجات جاذبية قابلة للكشف؟
- كيف يمكن قياس هذه التشوهات الصغيرة جدًا في الزمكان؟
- ما هي الفيزياء الفلكية الجديدة التي تكشفها موجات الجاذبية؟
Key concepts
- معادلات أينشتاين الخطية
- مقياس عرضي لا أثر له (Transverse-traceless gauge)
- استقطابان (زائد ومتقاطع)
- صيغة الرباعي
- إجهاد (Strain)
- علم الفلك متعدد المراسلات
Key theories
- الجاذبية الخطية والحلول الموجية
- يؤدي توسيع المقياس حول الزمكان المسطح واختيار مقياس مناسب إلى اختزال معادلات أينشتاين إلى معادلة موجية، تكون حلولها موجات جاذبية عرضية لا أثر لها ذات استقطابين تنتقل بسرعة الضوء.
- صيغة الرباعي
- بالنسبة للترتيب الرائد، يتم تحديد لمعان موجة الجاذبية للمصدر بواسطة المشتقة الزمنية الثالثة لعزم الرباعي الكتلي، لذا فإن توزيعات الكتلة غير الكروية والمتسارعة فقط هي التي تشع، وعادة ما يكون الانبعاث ضعيفًا جدًا.
Clinical relevance
أصبح علم فلك موجات الجاذبية علمًا رصديًا: حيث تختبر الكشوفات عن الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية المندمجة النسبية العامة في نظام المجال القوي والديناميكي، وتقيس كتل ودوران الأجرام المدمجة، وتوفر مسارًا مستقلاً لمعدل تمدد الكون، وعندما تقترن بالضوء، تمكّن دراسات المراسلات المتعددة للانفجارات الكونية.
History
تنبأ أينشتاين بموجات الجاذبية في عام 1916 وشكك طويلاً في واقعيتها؛ وجاء الدليل غير المباشر من التضاؤل المداري للنجم الثنائي النابض هولس-تايلور في السبعينيات، وبعد عقود من تطوير الكاشفات، قامت مقاييس التداخل LIGO بأول كشف مباشر لاندماج ثقب أسود في عام 2015، والذي حاز على جائزة نوبل عام 2017.
Debates
- واقعية وطاقة موجات الجاذبية
- لعقود من الزمان، كان هناك جدل حول ما إذا كانت موجات الجاذبية فيزيائية أم مجرد مقياس، وما إذا كانت تحمل طاقة؛ وقد حسمت حجة الخرزة اللاصقة والكشوفات النهائية أنها حقيقية وتنقل الطاقة، على الرغم من أن دقة تحديد موقع طاقة الجاذبية لا تزال قائمة.
Key figures
- Albert Einstein
- Joseph Weber
- Rainer Weiss
- Kip Thorne
- Barry Barish
Related topics
Seminal works
- einstein1916b
- abbott2016
Frequently asked questions
- ماذا تفعل موجة الجاذبية فعليًا أثناء مرورها؟
- إنها تمد الفضاء بالتناوب في اتجاه عرضي واحد بينما تضغط الاتجاه العمودي، مما يغير المسافة بين الكتل الساقطة بحرية بمقدار كسري صغير جدًا؛ هذا الإجهاد المتذبذب هو ما صُممت مقاييس التداخل لقياسه.
- لماذا يصعب الكشف عن موجات الجاذبية؟
- الجاذبية ضعيفة بشكل استثنائي، لذا حتى الأحداث الفلكية العنيفة تنتج إجهادات بترتيب واحد من 10^21 على الأرض، مما يتطلب مقاييس تداخل بطول كيلومترات مستقرة ضد كل مصدر منافس للضوضاء لاستشعار تغيرات المسافة الأصغر بكثير من عرض البروتون.