قسمت 10: ستارگانی که نور را خم می‌کنند

آنچه می‌شنوید (و مقداری اطلاعات بیشتر)

خلاصه

اگر گرانش می‌تونه مسیر نور رو عوض کنه، باید بشه این تغییر رو اندازه گرفت. یکی از راه‌ها، عکس‌گرفتن از ستاره‌های نزدیکِ لبهٔ خورشید در زمان خورشیدگرفتگی بود. همین آزمایش، نسبیت عام رو از روی کاغذ به زیر آسمون برد.

در این قسمت، از معنی جابه‌جایی ظاهری یک ستاره شروع می‌کنیم، به سفرهای رصدی و خورشیدگرفتگی سال ۱۹۱۹ می‌رسیم و بعد می‌بینیم چرا اندازه‌گیری دقیق زمان برای مسیریابی ماهواره‌ای مهمه. در پایان هم با پیام متفاوتی از کیهان آشنا می‌شیم: موج گرانشی، که برای رسیدن به ما لازم نیست نور باشه.

ستاره جابه‌جا می‌شه یا تصویرش؟

وقتی به یک ستاره نگاه می‌کنیم، چشم ما جهت رسیدن نور رو دریافت می‌کنه. معمولاً فرض می‌کنیم نور در طول مسیر مستقیم اومده و ستاره رو در امتداد همون جهت قرار می‌دیم. حالا اگر مسیر نور در میانهٔ راه عوض شده باشه، جای ظاهری ستاره با جایی که بدون این تغییر می‌دیدیم فرق می‌کنه.

برای تصور این تفاوت، می‌تونیم به تصویری فکر کنیم که از پشت یک عدسی می‌بینیم. عدسی مسیر نور رو تغییر می‌ده و تصویر رو جابه‌جا یا بزرگ می‌کنه. کنار خورشید عدسی شیشه‌ای وجود نداره؛ هندسهٔ فضاـزمان در اطراف جرم خورشید باعث تغییر مسیر می‌شه. شباهت این دو مثال، تغییر جهت رسیدن نوره، نه یکسان‌بودن سازوکارشون.

بنابراین لازم نیست ستاره واقعاً در چند دقیقه جابه‌جا بشه. داریم تغییر کوچکی در موقعیت تصویرش رو می‌سنجیم. این دقیقاً همون نکته‌ایه که آزمایش رو ممکن می‌کنه: جای ستاره‌ها رو در دو وضعیت مقایسه می‌کنیم. اینشتین آنلاین دربارهٔ انحراف نور

چرا باید منتظر خورشیدگرفتگی می‌موندن؟

نور ستاره‌هایی که در آسمون نزدیک خورشید دیده می‌شن، در مسیر رسیدن به ما از نزدیکی خورشید عبور می‌کنه. این‌ها گزینه‌های خوبی برای آزمایش هستن، اما روشنایی روز اجازه نمی‌ده به‌سادگی ازشون عکس بگیریم. هنگام خورشیدگرفتگی کامل، ماه قرص روشن خورشید رو می‌پوشونه و برای مدتی کوتاه، بعضی ستاره‌های اطراف آشکار می‌شن.

رصدگرها باید در همین فرصت محدود عکس بگیرن و جای ستاره‌ها رو با عکس مرجع مقایسه کنن؛ عکسی که وقتی خورشید در اون بخش آسمون نیست تهیه شده. تغییر اندازهٔ تصویر، وضعیت ابزار، دما، ابر و کیفیت عکس هم باید بررسی بشن. یک لکهٔ کوچک روی صفحهٔ عکاسی، به‌خودی‌خود اندازه‌گیری دقیق نیست.

پیش‌بینی نسبیت عام برای پرتویی که از کنار لبهٔ خورشید می‌گذره، حدود ۱٫۷۵ ثانیهٔ قوسیه. هر درجه ۳۶۰۰ ثانیهٔ قوسی داره؛ پس با زاویه‌ای بسیار کوچک روبه‌رو هستیم. تصویر ستاره نسبت به موقعیت بدون انحراف، دورتر از مرکز قرص خورشید دیده می‌شه. همین اندازه و جهت، قابل مقایسه با پیش‌بینی نظریه‌ست.

راهی که جنگ متوقفش کرد

پیش از رصد مشهور ۱۹۱۹ هم تلاش‌هایی برای این آزمون انجام شده بود. در سال ۱۹۱۴، اروین فروندلیش برای رصد خورشیدگرفتگی به کریمه رفت، اما شروع جنگ جهانی اول برنامه رو به هم زد. این ماجرا مربوط به روسیهٔ تزاریه؛ اتحاد شوروی هنوز تشکیل نشده بود.

این بخش از داستان یادآوری می‌کنه که پیشرفت علم فقط به یک ایدهٔ خوب وابسته نیست. رسیدن ابزار به محل، امکان سفر، همکاری افراد و حتی وضعیت سیاسی می‌تونه تعیین کنه که یک پیش‌بینی چه زمانی آزمایش بشه. ضمن این‌که صورت نهایی نسبیت عام هم در سال ۱۹۱۵ ارائه شد؛ نباید مراحل مختلف نظریه و تلاش‌های رصدی رو در یک لحظه ادغام کنیم. روایت تاریخی انجمن سلطنتی

در سال ۱۹۱۹ چه اتفاقی افتاد؟

برای خورشیدگرفتگی ۲۹ مه ۱۹۱۹، دو گروه به دو محل متفاوت رفتن. آرتور ادینگتون و ادوین کاتینگهام در جزیرهٔ پرنسیپ رصد کردن و اندرو کراملین و چارلز دیویدسن در سوبرال برزیل. داشتن دو محل، شانس ثبت داده در برابر بدی هوا و مشکلات ابزار رو بیشتر می‌کرد.

داده‌ها همگی کیفیت یکسانی نداشتن. بعضی عکس‌ها تحت تأثیر ابر یا مشکلات فوکوس قرار گرفتن و تحلیل صفحه‌ها به ارزیابی خطا نیاز داشت. نتیجهٔ اعلام‌شده از پیش‌بینی نسبیت عام پشتیبانی کرد و خبرش بسیار مشهور شد، اما روایت دقیق‌تر این نیست که یک عکس بی‌نقص، برای همیشه هر تردیدی رو از بین برد.

اهمیت این آزمون در پیوند روشن میان پیش‌بینی و مشاهده بود. اعتبار امروز نسبیت عام هم فقط روی همون رصد تاریخی قرار نداره. اندازه‌گیری‌های بعدیِ انحراف نور، از جمله با تلسکوپ‌های رادیویی، آزمون رو بسیار دقیق‌تر کردن. اندازه‌گیری انحراف نور با رصد رادیویی

از جای ستاره‌ها به ساعت ماهواره‌ها

تا اینجا اثر گرانش بر مسیر نور رو دیدیم. نسبیت عام پیش‌بینی دیگری هم داره: ساعت‌هایی که در وضعیت گرانشی متفاوت قرار دارن، هنگام مقایسه لزوماً با یک آهنگ پیش نمی‌رن. برای دو ساعت ساکن در نزدیکی زمین، ساعتِ بالاتر معمولاً نسبت به ساعتِ پایین‌تر کمی سریع‌تر کار می‌کنه.

این تفاوت فقط موضوع سفرهای خیالی کنار سیاه‌چاله نیست. سامانهٔ موقعیت‌یابی GPS فاصله رو از زمان رسیدن پیام‌های رادیویی ماهواره‌ها به دست می‌آره. پیام می‌گه چه زمانی فرستاده شده؛ گیرنده با مقایسهٔ زمان‌ها و دریافت پیام چند ماهواره، موقعیت خودش و خطای ساعتش رو محاسبه می‌کنه.

نور و امواج رادیویی خیلی سریع حرکت می‌کنن. بنابراین خطایی بسیار کوچک در زمان می‌تونه به اختلاف بزرگی در فاصله تبدیل بشه. حالا اهمیت ساعت‌های دقیق و تصحیح اثرهای نسبیتی روشن می‌شه: این جزئیات بخشی از محاسبهٔ واقعی موقعیت ما هستن، نه تزئینات یک نظریه.

دو اثر که باید با هم حساب بشن

ماهوارهٔ GPS هم در ارتفاع بالاتریه و هم نسبت به چارچوب زمین حرکت می‌کنه. اثر مربوط به حرکت، طبق نسبیت خاص، ساعتش رو حدود ۷ میکروثانیه در روز عقب می‌اندازه. اثر گرانشیِ ارتفاع، حدود ۴۵ میکروثانیه در روز در جهت مخالف عمل می‌کنه. میکروثانیه یعنی یک‌میلیونیم ثانیه.

برآیند این دو اثر، حدود ۳۸ میکروثانیه جلو‌افتادن روزانه نسبت به ساعت زمینیه. در سامانهٔ واقعی این اختلاف از قبل و در پردازش زمان در نظر گرفته می‌شه. بنابراین گوشی ما هر روز یک خطای اصلاح‌نشده جمع نمی‌کنه؛ موفقیت مسیریابی تا حدی حاصل همون اصلاحاتیه که معمولاً از چشم ما پنهان می‌مونن. توضیح مؤسسهٔ استاندارد و فناوری آمریکا دربارهٔ ساعت‌ها و GPS

اگر خود هندسه تغییر کنه، چه پیامی به ما می‌رسه؟

در مثال خورشید، دربارهٔ هندسه‌ای تقریباً پایدار حرف زدیم. اما دو جسم بسیار فشرده که به دور هم می‌چرخن و به هم نزدیک می‌شن، وضعیت پویایی دارن. نسبیت عام پیش‌بینی می‌کنه که این سامانه می‌تونه موج گرانشی تولید کنه؛ اختلالی در هندسه که با سرعت نور منتشر می‌شه.

موج گرانشی، موج نور نیست. اثرش رو می‌شه از تغییر بسیار کوچک فاصلهٔ نسبی اجسام آزاد فهمید. برای آشکارکردن این تغییر، به ابزاری نیاز داریم که فاصله‌ها رو با دقت خارق‌العاده بسنجه و لرزش‌های معمول زمین رو از پیام کیهانی جدا کنه.

در سپتامبر ۲۰۱۵، دو آشکارساز لایگو نخستین ثبت مستقیم امواج گرانشیِ حاصل از ادغام دو سیاه‌چاله رو انجام دادن. اعلام نتیجه در فوریهٔ ۲۰۱۶ بود. این تفاوت میان زمان ثبت و زمان اعلام، فرصت بررسی داده‌ها رو نشان می‌ده. در قسمت بعد می‌بینیم لایگو چطور چنین اثر کوچکی رو پیدا می‌کنه. گزارش لایگو دربارهٔ GW150914

منابع علمی و مطالعهٔ بیشتر

جمع‌بندی

از جهت رسیدن نور شروع کردیم و دیدیم چطور تغییر کوچک جای ظاهری ستاره‌ها می‌تونه خمیدگی فضاـزمان رو به آزمون بکشه. بعد، همین چارچوب به اختلاف آهنگ ساعت‌ها و مسیریابی ماهواره‌ای رسید. اکنون یک گام جلوتر می‌ریم: گرانش فقط مسیر نور و گذر زمان رو تغییر نمی‌ده؛ تغییرات پویای هندسه هم می‌تونن پیامی از یک رویداد دوردست به ما برسونن.