نجح علماء في تطوير نظام بصري مبتكر يهدف إلى تحسين حساسية كاشف LIGO، وهو كاشف الموجات الثقالية الأمريكي الذي كان شريكاً مع مرصد فيرجو الأوروبي في الكشف الأولي عن الموجات الثقالية. وفي كثير من الوحي لاحقا
من المتوقع أن تؤدي تقنية البصريات التكيفية الجديدة إلى إحداث ثورة في اكتشاف الموجات الثقالية، مما يتيح استخدام مرصد LIGO (مرصد الموجات الثقالية بالتداخل بالليزر). وسوف تصل المراصد المستقبلية مثل Cosmic Explorer إلى مستويات جديدة من الدقة. ومن خلال تصحيح التشوهات في المرايا، سيمكن هذا الاختراق من استخدام مستويات غير مسبوقة من طاقة الليزر، مما يساعد العلماء على استكشاف اللحظات الأولى من الكون وتحسين فهمنا للثقوب السوداء والزمان والمكان.
يتضمن مرصد ليغو منشأتين لرصد الموجات الثقالية، واحدة في ولاية واشنطن والأخرى في لويزيانا.
توسيع نطاق رصد الموجات الثقالية
تقدم دراسة نشرت مؤخرا في Physical Review Letters تقدما كبيرا في التكنولوجيا البصرية التي يمكن أن تزيد بشكل كبير من نطاق مراقبة أجهزة الكشف عن الموجات الثقالية مثل LIGO (مرصد الموجات الثقالية بالتداخل بالليزر).
ويبين البحث، الذي قاده الدكتور جوناثان ريتشاردسون من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد، كيف أن هذا التقدم لن يؤدي فقط إلى تحسين قدرات الكشف الحالية، بل سيمهد الطريق أيضًا للجيل القادم من عمليات رصد الموجات الثقالية.
منذ اكتشاف الموجات الثقالية لأول مرة في عام 2015، أحدث مرصد ليغو ثورة في قدرتنا على مراقبة الكون. ومن المتوقع أن تؤدي الترقيات المستقبلية لأنظمتها التي يبلغ طولها 4 كيلومترات، إلى جانب المستكشف الكوني المخطط له والذي يبلغ طوله 40 كيلومترًا، إلى توسيع قدرتها على الكشف إلى أقدم اللحظات في تاريخ الكون - حتى قبل تشكل النجوم الأولى.
ومع ذلك، فإن تحقيق هذا الهدف يتطلب توفير مستويات من طاقة الليزر تتجاوز 1 ميغاواط - وهو ما يتجاوز بكثير قدرات ليغو الحالية.
تكنولوجيا البصريات التكيفية الجديدة
Cosmic Explorer هو مشروع مبتكر من الجيل التالي لرصد الموجات الثقالية والذي من شأنه أن يحسن قدرتنا على رؤية وتحليل الموجات الثقالية في الكون.
وهذا هو المساهمة المخطط لها من جانب الولايات المتحدة في الشبكة العالمية من الجيل القادم من أجهزة كشف الموجات الثقالية الأرضية. يتضمن مفهوم Cosmic Explorer منشأتين - واحدة بطول 40 كيلومترًا والأخرى بطول 20 كيلومترًا، وكل منهما ستضم منشأة مقياس تداخل على شكل حرف L.
وتقدم الدراسة نظامًا متقدمًا للبصريات التكيفية، بمستويات ضوضاء منخفضة ودقة عالية، مصمم للتغلب على مشكلة التشوهات الحرارية في المرايا الثقيلة في ليغو، والتي تحدث بسبب زيادة مستويات طاقة الليزر.
وتسمح هذه التقنية باستخدام شدات ليزر عالية للغاية، وهو ما قد يؤدي إلى توسيع حساسية أجهزة الكشف بشكل كبير لاكتشاف الموجات الثقالية، ويقربنا خطوة واحدة من فك رموز الإشارات الكونية البعيدة والغامضة.
تفسير علمي للموجات الثقالية
يوضح جوناثان ريتشاردسون، المحاضر في الفيزياء وعلم الفلك: "إن الموجات الثقالية هي طريقة جديدة ومبتكرة للنظر إلى الكون. وهي تنشأ من معادلات النسبية العامة".
"عندما تتسارع الأجسام الضخمة أو تصطدم ببعضها البعض، تنشأ تشوهات في بنية الزمكان تنتشر مثل الموجات في الماء - بسرعة الضوء. تحمل هذه الموجات الطاقة والزخم معها، وتوفر معلومات جديدة حول الأجسام الفيزيائية الفلكية المتطرفة التي تنتجها، مثل الثقوب السوداء، وكذلك حول بنية الزمكان نفسها."
كيف يعمل ليغو؟
يعتبر ليغو أحد المرافق العلمية الأكثر إثارة للإعجاب في العالم، ويتكون من مقياسين للتداخل بالليزر، يبلغ طول كل منهما 4 كيلومترات - يقع أحدهما في ولاية واشنطن والآخر في لويزيانا.
تعمل المنشأتان في وقت واحد، حيث تستمعان إلى التغيرات الدقيقة في الزمكان التي يمكن أن تسببها الموجات الثقالية التي تمر عبر الأرض.
حتى الآن، اكتشف مرصد ليغو اندماج حوالي 200 جسم مضغوط ذو كتلة نجمية، معظمها ثقوب سوداء، إلى جانب بعض أحداث اندماج النجوم النيوترونية.
"آمل أن نكتشف ذات يوم مصدرًا غير متوقع وجديدًا تمامًا. وإذا نظرنا إلى تاريخ علم الفلك، يبدو أنه في كل مرة تقريبًا يتم فيها فتح تلسكوب جديد، نتمكن من اكتشاف ظواهر كونية جديدة. وآمل أن يكون هذا هو الحال مع الموجات الثقالية أيضًا". "يقول ريتشاردسون."
أجهزة بصرية تكيفية جديدة
تم تصميم أنظمة البصريات التكيفية الجديدة لإنتاج أنماط تسخين مركزة على شكل حلقات عبر الأسطح التي يبلغ قطرها 34 سم من بصريات LIGO، وذلك لمنع التشوهات الحرارية الناجمة عن زيادة طاقة الليزر.
ما هي الأداة التي طورتها في مختبرك؟ LIGO?
"في مختبري بجامعة كاليفورنيا، ريفرسايد، أركز على تطوير تقنيات الليزر التكيفية الجديدة، والتي تهدف إلى التغلب على القيود الفيزيائية في تحديد حساسية أجهزة الكشف مثل ليغو.
في كامل نطاق التردد الممكن لاكتشاف الموجات الثقالية من الأرض، يتم تحديد حد الحساسية في المقام الأول من خلال الخصائص الكمومية للضوء الليزر نفسه.
"إن الأداة التي قمنا بتطويرها تسمح بإجراء تصحيحات بصرية دقيقة لمرايا ليغو من خلال إسقاط إشعاع تحت أحمر منخفض الضوضاء للغاية، وهو أمر لم يتم القيام به من قبل في اكتشاف الموجات الثقالية."
ما هو Cosmic Explorer؟
"Cosmic Explorer هو مشروع الجيل القادم للولايات المتحدة لرصد الموجات الثقالية، والذي سيكون أكبر بعشر مرات من LIGO.
وسيتضمن المرفق الجديد أجهزة قياس تداخل يبلغ طولها 40 كيلومترًا، وسيكون أكبر منشأة علمية يتم بناؤها على الإطلاق.
"بفضل حساسيته العالية، سوف يسمح لنا Cosmic Explorer برؤية الكون في أوقات مبكرة للغاية - حتى قبل تشكل النجوم الأولى."
لماذا هذا البحث مهم؟
"يساعدنا هذا البحث في الإجابة على أسئلة أساسية في الفيزياء وعلم الكونيات، مثل معدل توسع الكون والطبيعة الحقيقية للثقوب السوداء. في الوقت الحالي، هناك قياسان متضاربان لمعدل توسع الكون المحلي، وقد توفر الموجات الثقالية المفتاح لحل هذا الجدل".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
