نسبیت عام اینشتین
در سال ۱۹۰۵، آلبرت اینشتین، در نظریه نسبیت خاص خود تصریح کرد که قوانین فیزیک برای همه ی ناظران بدون شتاب یکسان است و همچنین نشان داد که سرعت نور در خلا بدون توجه به سرعت ناظر یکسان است. در نتیجه، او دریافت که فضا و زمان در زنجیره ی واحدی که به نام فضا-زمان شناخته می شود در هم بافته شده اند و اتفاقاتی که در یک زمان برای یک ناظر رخ می دهند می توانند برای ناظر دیگر در زمان های مختلف رخ دهند.
پس از آن اینشتین ۱۰ سال از عمر خود را صرف تلاش برای گنجاندن شتاب در نظریه اش نمود و در آخر توانست نظریه نسبیت عام خود را در سال ۱۹۱۵ منتشر کند. در این نظریه، او تعیین کرد که اجرام عظیم موجب ایجاد یک اعوجاج یا خمیدگی در فضا-زمان می شوند، که این اعوجاج به صورت جاذبه احساس می شود.
کشش جاذبه
دو جرم همواره بر یکدیگر نیروی کششی وارد می کنند که به آن “جاذبه” می گویند. آیزاک نیوتن با تنظیم قوانین حرکتی خود نشان داد که میان دو جرم جاذبه معینی وجود دارد. نیرویی که میان دو جرم ایجاد می شود بستگی به این دارد که جرم هر کدام چقدر است و این دو در چه فاصله ای از یکدیگر قرار گرفته اند. حتی هنگامی که مرکز زمین شما را به سمت خود می کشد ( و شما را محکم بر روی زمین نگه می دارد)، مرکز ثقل شما خود را به سمت مخالف زمین می کشد. اما جرم سنگین تر به سختی نیرویی که از سمت شما می آید را حس می کند، در حالی که جرم بسیار کم شما به لطف همین نیرو محکم به سمت زمین کشیده می شود.
هنگامی که اینشتین بر روی معادلات نظریه نسبیت عام خود کار می کرد، دریافت که اشیا پر جرم موجب انحراف فضا-زمان می شوند. جرم بزرگی را تصور کنید که در مرکز یک ترامپولین قرار گرفته است. این جرم به داخل پارچه فشار وارد می کند و باعث ایجاد یک گودی در آن می شود. اگر مهره ای در لبه ها قرار بگیرد به سمت داخل این جرم کشیده خواهد شد به همان شیوه ای که گرانش یک سیاره فضاپیماها را در فضا به طرف خود می کشد.
شواهد تجربی
اگرچه ابزارها نمی توانند فضا- زمان را دیده و اندازه گیری کنند، اما پدیده هایی که به دلیل ساختار خمیده ی فضا-زمان پیش بینی شده اند مورد تایید قرار گرفته اند.
همگرایی گرانشی: نور اطراف یک جسم عظیم، مانند یک سیاه چاله، خمیده شده و باعث می شود تا برای اجرامی که در پشت آن قرار گرفته اند به عنوان یک عدسی عمل کند. ستاره شناسان به طور معمول از این روش برای مطالعه ی ستاره ها و کهکشان هایی که در پشت اجرام عظیم قرار گرفته اند، استفاده می کنند.
صلیب اینشتین، که یک اختروش (هسته ای فعال، به شدت نورانی و دوردست که وابسته به یک کهکشان جوان است) در صورت فلکی اسب بالدار است، نمونه ای عالی از همگرایی گرانشی محسوب می شود. این اختروش در فاصله تقریبی ۸ میلیارد سال نوری از زمین قرار دارد، و در پشت کهکشانی قرار گرفته است که ۴۰۰ میلیون سال نوری دور از زمین است. گرانش شدید کهکشان نوری که از طرف اختروش می آید را خم می کند و به همین دلیل چهار تصویر از این اختروش در اطراف کهکشان ظاهر می شوند.
همگرایی گرانشی به دانشمندان اجازه می دهد تا چیزهای بسیار جالبی مشاهده کنند. در یک مشاهده، تلسکوپ کپلر ناسا توانست یک ستاره ی مرده را که به کوتوله سفید معروف است در حال چرخش به دور یک کوتوله قرمز در یک منظومه دوتایی مشاهده کند. اگرچه کوتوله سفید جرم بیشتری دارد، اما شعاع بسیار کمتری نسبت به همراه خود دارد.
اوی اشپورر از موسسه تکنولوژی کالیفرنیا می گوید:” این تکنیک مانند پیدا کردن یک کک بر روی لامپی است که در فاصله ی ۵۰۰۰ کیلومتری قرار دارد.”
تغییر در مدار عطارد: مدار عطارد به دلیل خمیدگی که در اطراف خورشید وجود دارد، به تدریج در حال تغییر است. چندین میلیارد سال دیگر حتی این امکان نیز وجود دارد که عطارد با زمین برخورد کند.
کشش چارچوب فضا زمان در اطراف اجرام در حال چرخش: چرخش یک جسم سنگین مانند زمین، موجب انحراف فضا-زمان در اطراف خود می شود. در سال ۲۰۰۴، ناسا ماهواره حسگر گرانشی بی (GP-B) خود را به فضا فرستاد. این ماهواره که با دقت کالیبره شده بود باعث شد که محورهای ژیروسکوپی که در درون آن قرار دارد با گذشت زمان و به آرامی تغییر کنند، نتیجه ای که با نظریه اینشتین همخوانی دارد.
فرانسیس اوریت، محقق اصلی پروژه ماهواره حسگر گرانش بی می گوید:” زمین را تصور کنید که گویی در عسل غوطه ور شده است. همان طور که زمین می چرخد، عسل های اطراف آن نیز می چرخند و این دقیقا همان اتفاقی است که در فضا و زمان رخ می دهد. ماهواره ی GP-B دو مورد از ژرف ترین پیش بینی های جهان اینشتین را تایید کرد که دارای مفاهیم بسیار دور از دسترسی در تحقیقات ستاره شناسان است.
انتقال به سرخ گرانشی: تابش الکترومغناطیسی یک جرم درون یک میدان گرانشی به آرامی کشیده شده و طول موج آن گسترش می یابد. به امواج صوتی فکر کنید که از آژیر یک وسیله نقلیه سرچشمه می گیرد؛ وقتی وسیله نقلیه به سمت یک ناظر حرکت می کند، امواج صوتی فشرده می شوند اما هرچه دوتر می شود، امواج کشیده تر شده و به طول موج سرخ متمایل می شوند که به این اتفاق پدیده دوپلر گفته می شود. همین پدیده با امواج نوری در فرکانس های مختلف نیز رخ می دهد. در سال ۱۹۵۹، دو فیزیک دان به نام های رابرت پوند و گلن ربکا از بالای برجی در دانشگاه هاروارد، پرتو گامایی از آهن رادیواکتیو را شلیک کردند و به دلیل انحرافات فضا-زمان ناشی از گرانش این پرتوها را در فرکانس پایین تری نسبت به فرکانس طبیعی خود دریافت کردند.
امواج گرانشی: امواج گرانشی موج های کوچکی در فضا-زمان هستند که از برخی فرایندهای عظیم و پرانرژی در جهان ایجاد می شوند. ریاضیات اینشتین نشان داد که اجرام عظیم شتاب دار مانند ستاره های نوترونی یا سیاه چاله هایی که به دور یکدیگر می چرخند، می توانند فضا-زمان را به گونه ای منقطع کنند که امواج ایجاد شده از این فضای گسسته شده، از منبع منتشر شوند.
انیمیشن بالا نشان می دهد که چگونه امواج گرانشی از دو ستاره نوترونی در حالی که به دور یکدیگر می چرخند و سپس در هم ادغام می شوند، انتشار می یابند.
با وجود اینکه اینشتین وجود این امواج را در سال ۱۹۱۶ پیش بینی کرده بود، اما نخستین مدرک وجود آنها در سال ۱۹۷۴ یعنی ۲۰ سال پس از مرگ اینشتین بدست آمد. در آن سال دو ستاره شناس در پرتوریکو توانستند یک تپ اختر را کشف کنند که دقیقا در دسته ای طبقه بندی می شد که طبق نسبیت عام باید امواج گرانشی از خود تابش می کرد. پس از ۸ سال مشاهده و اندازه گیری نحوه ی چرخش ستاره ها در طول زمان بر اساس نسبیت عام، آنها مشخص کردند که در صورتی که ستاره ها از خود امواج گرانشی منتشر کنند، دقیقا با میزان پیش بینی شده توسط این نظریه به یکدیگر نزدیک می شوند.
پس از آن بسیاری از ستاره شناسان دیگر نیز با مطالعه تابش های رادیویی تپ اخترها تاثیرات مشابهی را بدست آوردند. اما همه ی این ها در سال ۲۰۱۵، زمانی که رصدخانه LIGO توانست به صورت مستقیم خمیدگی فضا-زمان که ناشی از عبور امواج گرانشی ایجاد شده توسط دو سیاه چاله در حال برخورد در فاصله ۱٫۳ میلیارد سال نوری بود را ثبت کند، تغییر کرد. این کشف همواره به عنوان یکی از بزرگ ترین دست آوردهای تاریخ بشر ماندگار خواهد بود.
بیشتر بخوانید:
تعریف و چرخه حیات ستارگان رشته اصلی
همه چیز درباره صورت فلکی دب اکبر
منبع مقاله: www.ligo.caltech.edu ، www.space.com
مترجم: لیلا رضایی
