روشهای جدید امکان آزمایش بهتر نظریه نسبیت عام اینشتین با استفاده از داده‌های لیگو را فراهم می‌کنند

اعتبار: دامنه عمومی Pixabay/CC0

نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین توضیح می‌دهد که چگونه بافت فضا و زمان یا فضازمان در پاسخ به جرم خمیده می‌شود. به عنوان مثال، خورشید ما فضای اطراف ما را می‌پیچد.

این نظریه که در زمان ارائه آن در سال 1915 انقلابی برای خود بود، گرانش را به عنوان یک انحنای فضازمان بازنمایی کرد. همانطور که این نظریه برای ماهیت فضای اطراف ما اساسی است، فیزیکدانان می‌گویند ممکن است پایان داستان نباشد. در عوض، آنها استدلال می‌کنند که نظریه‌های گرانش کوانتومی که تلاش می‌کنند نسبیت عام را با فیزیک کوانتومی یکی کنند، اسرار نحوه عملکرد جهان ما در عمیق‌ترین سطوح را در خود دارند.

یکی از مکان‌هایی که می‌توان نشانه‌های گرانش کوانتومی را جست‌وجو کرد، برخورد شدید بین سیاه‌چاله‌ها است، جایی که گرانش در بالاترین حد خود قرار دارد. سیاه‌چاله‌ها متراکم‌ترین اجرام در کیهان هستند – گرانش آن‌ها به قدری قوی است که اجسامی را که در آن‌ها می‌افتند به شکل رشته‌هایی شبیه اسپاگتی فشرده می‌کنند. هنگامی که دو سیاهچاله با هم برخورد می کنند و به یک جسم بزرگتر ادغام می شوند، فضا-زمان را در اطراف خود می چرخانند و امواجی به نام امواج گرانشی را در همه جهات به بیرون می فرستند.

LIGO با بودجه بنیاد ملی علوم، که توسط Caltech و MIT مدیریت می‌شود، از سال 2015 به طور معمول امواج گرانشی ایجاد شده توسط ادغام سیاهچاله‌ها را شناسایی کرده است (رصدخانه‌های شریک آن، Virgo و KAGRA، به ترتیب در سالهای 2017 و 2020 به شکار پیوستند). با این حال، تا کنون، نظریه نسبیت عام آزمون پس آزمون را بدون هیچ نشانه‌ای از شکست گذرانده است.

اکنون، دو مقاله جدید تحت رهبری Caltech، در Physical Review X و Physical Review Letters، روشهای جدیدی را برای قرار دادن نسبیت عام در آزمایشهای دقیق‌تر توصیف می‌کنند. دانشمندان با نگاه دقیقتر به ساختار سیاه‌چاله‌ها و موج‌هایی که در فضا-زمان ایجاد می‌کنند، به دنبال نشانه‌هایی از انحرافات کوچک از نسبیت عام هستند که به وجود گرانش کوانتومی اشاره می‌کند.

ینبئی چن، استاد فیزیک در کالتچ و یکی از نویسندگان هر دو مطالعه توضیح می‌دهد: “زمانی که دو سیاهچاله با هم ادغام می‌شوند تا سیاهچاله بزرگتری تولید کنند، سیاهچاله نهایی مانند یک زنگ صدا درمی‌آورد.” اگر برخی نظریه‌های گرانش کوانتومی درست باشند، کیفیت زنگ یا صدای آن ممکن است متفاوت از پیش‌بینی‌های نسبیت عام باشد.»

اولین مقاله به رهبری دونگجون لی، دانشجوی کارشناسی ارشد در کالتچ و پراتیک واگل، دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign، یک معادله منفرد جدید را گزارش می‌دهد تا چگونگی حلقه زدن سیاهچاله‌ها را در چارچوب برخی از نظریه‌های گرانش کوانتومی، یا در آنچه دانشمندان به عنوان رژیم فراتر از نسبیت عام یاد می‌کنند.

معادله دونگجون لی و همکارانش چگونگی زنگ زدن سیاهچاله‌ها در رژیم فراتر از نسبیت عام را توصیف می‌کند. اعتبار: موسسه فناوری کالیفرنیا

این کار بر اساس معادله‌ای است که 50 سال پیش توسط سائول توکولسکی (دکتری 73)، پروفسور رابینسون اخترفیزیک نظری در کال‌تک ایجاد شد. توکولسکی معادله پیچیده‌ای را برای درک بهتر چگونگی انتشار امواج هندسه فضا-زمان در اطراف سیاهچاله‌ها ایجاد کرده بود. برخلاف روش‌های نسبیت عددی، که در آن‌ها به ابررایانه‌ها نیاز است تا به طور همزمان بسیاری از معادلات دیفرانسیل مربوط به نسبیت عام را حل کنند، استفاده از معادله توکولسکی بسیار ساده‌تر است و همانطور که لی توضیح می‌دهد، بینش فیزیکی مستقیمی از مسئله ارائه می‌دهد.

لی می گوید: «اگر کسی بخواهد تمام معادلات اینشتین ادغام سیاهچاله را برای شبیه سازی دقیق آن حل کند، باید به ابررایانه‌ها روی آورد. روش‌های نسبیت عددی برای شبیه‌سازی دقیق ادغام سیاه‌چاله‌ها بسیار مهم هستند و پایه‌ای حیاتی برای تفسیر داده‌های لیگو فراهم می‌کنند. اما برای فیزیکدانان بسیار سخت است که مستقیماً از نتایج عددی شهودی را استخراج کنند. معادله تئوکولسکی به ما نگاهی شهودی از  آنچه  می‌دهد که در مرحله ringdown می گذرد.”

لی توانست معادله توکولسکی را بگیرد و برای اولین بار آن را برای سیاهچاله‌ها در رژیم فراتر از نسبیت عام تطبیق دهد. او می‌گوید: «معادله جدید ما به ما امکان مدل‌سازی و درک امواج گرانشی منتشر شده در اطراف سیاه‌چاله‌ها را می‌دهد که عجیب‌تر از آنچه می‌باشد که اینشتین پیش‌بینی می‌کرد.

مقاله دوم که در Physical Review Letters به رهبری دانشجوی فارغ التحصیل کالتچ سیژنگ ما منتشر شده است، روش جدیدی را برای اعمال معادله لی برای داده‌های واقعی به دست آمده توسط لیگو و شرکای آن در اجرای رصدی بعدی خود شرح می‌دهد. این رویکرد تحلیل داده‌ها از مجموعه‌ای از فیلترها برای حذف ویژگی‌های زنگ سیاه‌چاله پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام استفاده می‌کند، به طوری که امضاهای بالقوه ظریف و فراتر از نسبیت عام را می‌توان آشکار کرد.

ما می‌گوید: «ما می‌توانیم به دنبال ویژگی‌هایی باشیم که با معادله دونگجون در داده‌هایی جستجو کنیم که LIGO، Virgo و KAGRA جمع‌آوری می‌کنند. “دونگجون راهی برای ترجمه مجموعه بزرگی از معادلات پیچیده فقط به یک معادله پیدا کرده است و این بسیار مفید است. این معادله نسبت به روش‌هایی که قبلا استفاده می‌کردیم کارآمدتر و آسان‌تر است.”

لی می‌گوید که این دو مطالعه به خوبی یکدیگر را تکمیل می‌کنند. او می‌گوید: «من در ابتدا نگران بودم که امضاهایی که معادله من پیش‌بینی می‌کند، در زیر رنگ‌ها و هارمونیک‌های متعدد مدفون شوند؛ خوشبختانه، فیلترهای سیژنگ می‌توانند همه این ویژگی‌های شناخته‌شده را حذف کنند که به ما اجازه می‌دهد فقط روی تفاوت‌ها تمرکز کنیم.

چن افزود: یافته‌های لی و ما با همکاری یکدیگر می‌توانند توانایی جامعه ما در کاوش گرانش را به میزان قابل توجهی افزایش دهند.

اولین مطالعه با عنوان “آشفتگی های چرخش سیاهچاله ها فراتر از نسبیت عام: معادله توکولسکی اصلاح شده” توسط بنیاد سیمونز، بنیاد برینسون و بنیاد ملی علوم (NSF) تامین شد. نویسندگان دیگر عبارتند از نیکولاس یونس از دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign. مطالعه دوم با عنوان «طیف‌سنجی سیاه‌چاله با تمیز کردن حالت» توسط بنیاد برینسون، بنیاد سیمونز، NSF و مرکز عالی شورای تحقیقات استرالیا برای کشف امواج گرانشی (OzGrav) تامین مالی شد. لینگ سان از دانشگاه ملی استرالیا نیز یکی از نویسندگان آن است.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

New methods will allow for better tests of Einstein’s general theory of relativity using LIGO data

by Whitney Clavin, California Institute of Technology MAY 25, 2023

https://phys.org/news/2023-05-methods-einstein-general-theory-ligo.html