الاحتمال المستبعد الرابع: يمكن كشف التموُّجات الناتجة عن تصادم الثقوب السوداء في الفضاء

أقل ما يقال عن قياس عمر الكون بأنه ١٣٫٨ مليار سنة، مع نسبة خطأ لا تزيد على مائة مليون سنة — أي أقل من ١ بالمائة — إنه قياس مبهر. ولكن على الطرف الآخر من مقياس الحجم، يمكن لعلماء الفيزياء قياس الإزاحات في أجهزة الكشف لمسافة ٤ كيلومترات، تصل إلى نحو واحد من عشرة آلاف جزء من عرض بروتون واحد. وكان هذا الإنجاز الذي بدا مستحيلًا (ولكنه في الواقع كان فقط غير محتمل إلى حد كبير، وليس مستحيلًا) ضروريًّا لهم كي يتمكَّنوا من اكتشاف تموُّجات الفضاء التي تنبَّأت بها النظرية العامة للنسبية لأينشتاين؛ موجات الجاذبية.

إن وجود أي جسم له كتلة من شأنه أن يغيِّر شكل الفضاء من حوله، ويمكننا تمثيل كتلة مثل الشمس بكرة بولينج سقطت على ترامبولين افتراضي. تُحدث الكرة انبعاجًا في السطح، وتتبع الكرات الزجاجية المتدحرجة عبر السطح خطوطًا منحنية حول المنطقة المنبعجة. على النحو نفسه، يدفع الفضاءُ المنحني حول جسم كبير مثل الشمس الأشياء (حتى الضوء) إلى اتباع مسارات منحنية، كما لو أن هناك قوة (الجاذبية) تجذبها نحو الشمس. وكان توقُّع أينشتاين لمقدار انحناء ضوء النجوم وهو يمر بالقرب من الشمس هو الذي مكَّن علماء الفلك من تأكيد دقة نظريته العامة في النسبية أثناء كسوف الشمس عام ١٩١٩، وهو ما صنع شهرة أينشتاين.

لكن تذكَّر أن كرة البولينج تُنتزع من فوق الترامبولين. حينئذٍ لا يعود السطح المشدود إلى الشكل المسطح من فوره؛ بل يظل يعلو ويهبط بعض الوقت إلى أن يستقر محدثًا تموُّجات عبر السطح. إذا اختفت الشمس، ربما سيتموَّج الفضاء من حولها (الزمكان)، بالطريقة نفسها، وستظل التموُّجات تهدأ بينما ينبسط السطح. وستكون هذه التموُّجات موجات جاذبية. عندما وقع أينشتاين في خطأ رياضي بعد بداية خاطئة، نشر الفكرة عام ١٩١٨. لكنه لم يتأكَّد البتة إن كان التأثير حقيقيًّا أم لا؛ ولذا قال ذات مرة: «إذا سألتني هل توجد موجات جاذبية أم لا، فلا بد أن تكون إجابتي لا أعلم. لكنها مسألة مثيرة للاهتمام كثيرًا.» لكن بعد مائة عام من نشر الفكرة بالضبط، اكتُشفت موجات مشابهة على الأرض للمرة الأولى.

تطلَّب هذا الاكتشاف جهدًا ضخمًا، لكن ثمة سببًا واحدًا يفسِّر تأكُّد علماء الفيزياء من أن الأمر يستحق ذلك الجهد، ألَا وهو امتلاكهم دليلًا مباشرًا على تأثيرات إشعاع الجاذبية على سلوك أزواج من النجوم يطلَق عليها النابضات الثنائية. والنجوم النابضة هي عبارة عن نجوم نيوترونية سريعة الدوران؛ كرات من المادة لا يتجاوز عرضها ١٠ كيلومترات، ولكن كثافتها تعادل كثافة نواة ذرة؛ إذ تحوي كتلة تساوي تقريبًا كتلة شمسنا، وكانت عبارة عن بقايا خلَّفها انفجار نجوم أكبر كثيرًا من الشمس مثل المستعرات العظمى. يمكننا اكتشاف تلك النجوم؛ لأن لها مجالات مغناطيسية قوية وأشعة ناتجة عن موجات راديو تشبه الشعاع الصادر من المنارة. يومض بعض هذه الأشعة عبر الأرض ويمكن اكتشافها، لكن لا بد أن هناك العديد من النجوم النابضة التي لا توجه أشعاتها في الاتجاه الصحيح لنا كي نراها.

هذا نظام صارم، ما يجعله حقل اختبارات مثاليًّا لتكهُّنات النظرية العامة. مع استمرار عمليات الرصد، تبيَّن أن النجم النابض يدور حول رفيقه مرة كل ٧ ساعات و٤٥ دقيقة، بمتوسط سرعة يبلغ ٢٠٠ كيلومتر في الثانية، ويصل إلى سرعة أقصاها ٣٠٠ كيلومتر في الثانية؛ أي جزء على ألف من سرعة الضوء. تبلغ المسافة حول المدار نحو ٦ ملايين كيلومتر، ومن قبيل المصادفة أن تلك المسافة تساوي محيط الشمس تقريبًا. لذا فلو كان مدار النجم النابض الثنائي دائريًّا، لصار النظام داخل الشمس، وعندها تصبح المسافة بين النجمَين النيوترونيَّين مساوية تقريبًا للمسافة بين مركز الشمس وسطحها. وعلى الرغم من ذلك، فإن المدارات بيضاوية الشكل كما نعلم؛ ومِن ثَم تصبح «الحركة الثنائية» التي يؤدِّيها النجمان أكثر تعقيدًا. فعند أقل تباعد بين الجسمَين، تصبح أقصر مسافة فاصلة بينهما ١٫١ نصف قطر شمسي، وعند أقصى تباعد بينهما تكون المسافة الفاصلة بينهما ٤٫٨ قطر شمسي. وتُعَد هذه بنية مثالية لإنتاج موجات جاذبية.

يمكن معرفة السبب وراء ذلك إذا تخيَّلت كرتَين معدِنيتَين مجوفتَين متصلتَين بقضيب قصير، تطفوان في خزان مياه. إن لم تتحرَّكا؛ فلن تكون هناك تموُّجات في المياه. لكن إن كانت كلتا الكرتَين تدور إحداهما حول الأخرى مثل دمبل دوار، فستترقرق الأمواج نحو الخارج عبر السطح. الشيء نفسه يحدث للزمكان عندما يدور نجمان نيوترونيان تفصل بينهما مسافة أقل من قطر الشمس حول بعضهما. لكن توليد الموجات يحتاج إلى طاقة. وعندما تذهب الطاقة من النجم النابض الثنائي إلى موجات الجاذبية، ينبغي أن يلتف النجمان معًا للتخلُّص من طاقة الجاذبية، ما يجعلهما يدوران بسرعة أكبر في تلك العملية. وعندئذٍ ستتقلَّص (تتحلَّل) المدة المدارية بمقدار ضئيل للغاية، يمكن حسابه بدقة باستخدام النظرية العامة.

مع نهاية سبعينيات القرن العشرين، تبدَّدت الشكوك بشأن وجود موجات الجاذبية. ولكن هذا خلَّف التحدي الهائل المتمثِّل في اكتشاف موجات الجاذبية مباشرة، هنا على الأرض. فقد رأى معظم الناس هذا الأمر مستحيلًا؛ لأنه في الوقت الذي تصلنا فيه موجات من شيء مثل نجم نابض ثنائي، تصبح تلك الموجات أصغر بكثير من حجم الذرة. ولكن ثمة أحداثًا كونية لا بد أنها تنتج موجات أكبر بكثير، حسبما تتنبَّأ النظرية، ما أعطى بصيصًا من الأمل للقائمين على التجارِب.

ينبغي أن يكون الضوء اللازم لتلك المهمَّة صادرًا من أجهزة ليزر؛ إذ إنها تُصدر أشعة نقية للغاية، وأطوالًا موجية في منتهى الدقة. ينبغي تقسيم ضوء الليزر إلى شعاعَين يتماشيان تمامًا بعضهما مع بعض، ثم يُرسَل الشعاعان بطول الذراعَين في الكاشف، بحيث يتعامدان بعضهما على بعض بزوايا قائمة، ولكن بنفس الطول بالضبط قبل أن تنعكس عبر المسارات نفسها لتندمج مرة أخرى وتُحدث نمط تداخل، يُرصَد بنظام تلقائي. إذا أُعدَّت التجرِبة إعدادًا مثاليًّا، فستلغي الموجات العائدة تأثير إحداها على الأخرى، ولن يكتشف نظام الرصد والمراقبة شيئًا. ولكن عندما تمر موجة جاذبية خلال التجرِبة، تتقلَّص ذراع وتتمدَّد الأخرى؛ ومِن ثَم يتبدَّد التناغم في حركة الشعاعَين. يمكن تسجيل التداخل الناتج وعرضه على شاشة جهاز مراقبة في شكل خطوط متموِّجة تكافئ نمط الضوء والظل الناتج عن تجرِبة الفصل الدراسي باستخدام الثقبَين.

ثمة سؤال بَدَهيٌّ هنا: كيف تكتشف أشعة الليزر تمدُّد الفضاء وانضغاطه، في حين أنها تتأثَّر هي الأخرى بموجات الجاذبية، كونها تتمدَّد وتنضغط مثل أي شيء آخر؟ تكمن الإجابة في أننا في الواقع نتعامل مع الزمكان وليس الفضاء فقط. إن تشوُّه شكل الزمكان يؤثِّر في المدة التي تستغرقها أشعة الضوء للانتقال من طرف في التجرِبة إلى الطرف الآخر. وما يقيسه جهاز قياس التداخل بالفعل هو فارق في الزمن وليس فارقًا في المكان، ولكن يسهل تحويل ذلك الفرق إلى مكافئ مكاني.

طُرح مقترح رسمي لجهاز لكشف موجات الجاذبية في الولايات المتحدة عام ١٩٨٣. وعلى المستوى نفسه من الطموح، طلب المقترح زوجًا متطابقًا من الكواشف ووضعهما في مواقع يفصل بينها مسافة بعيدة. تمثَّلت الفكرة في أن أمواج الجاذبية ستؤثِّر في الجهازَين كلَيهما بالطريقة نفسها، مع تأخير زمني طفيف، ما يعني إمكانية تمييزها عن الاضطرابات الموضعية التي تؤثِّر في كل كاشف على حدة. وضع الاقتراح الأصلي تصوُّرًا بأن يكون لكل كاشف ذراعان بطول ١٠ كيلومترات، وستبلغ تكلفة المشروع ٧٠ مليون دولار. وافقت مؤسَّسة العلوم الوطنية الأمريكية على المقترح عام ١٩٨٦، ولكن اضطُروا إلى تقليص حجم أذرع الكاشف إلى ٤ كيلومترات؛ لأن المواقع المتاحة لم تكن كبيرة كفاية لتسع طولًا أكثر من ذلك. بدأت عملية الإنشاء في أواسط تسعينيات القرن العشرين، ولكن لم تكن مفاجأة أن جاءت التكلفة أعلى على الرغم من أن الكواشف كانت أصغر؛ إذ ارتفعت بما يزيد على مليار دولار. يمكن القول إن السمة الأبعد احتمالًا للمشروع بأكمله هي حصوله على تمويل من الأساس! لقد أُنشئت الكواشف في مواقع متباعدة قدر الإمكان داخل ولايات متجاورة في الولايات المتحدة في هانفورد بولاية واشنطن، وليفينجستون بولاية لوزيانا. وعُرف ذلك المشروع باسم مرصد قياس تداخل موجات الجاذبية بالليزر (ليجو)، وكان أغلى مشروع موَّلته مؤسَّسة العلوم الوطنية، ما يعني أن الكثيرين قد تنفَّسوا الصعَداء عندما اكتُشف بالفعل شيء على غير المتوقع في سبتمبر من عام ٢٠١٥. لكن الطريقة التي تمَّ بها الاكتشاف مثيرة للاهتمام مثل الاكتشاف نفسه.

موقع الكشف الخاص بمرصد ليجو بمدينة ليفينجستون، لويزيانا. (معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا/ليجو).

نُفِّذ ذلك عن طريق تعليق كل كتلة من كتل «ليجو» المخصَّصة للاختبارات (وهي أوزان ثقيلة رُبطت بالمرايا)، التي تزن ٤٠ كيلوجرامًا في جهاز مكوَّن من أربعة بناديل. كان جزء من ذلك التعليق «سلبيًّا»؛ إذ كان ببساطة يسمح لهيكل الجهاز أن يتحرَّك حوله بينما تتدلَّى كتل الاختبار أسفله. لكن الجزء الذكي حقًّا تمثَّل في نظام «نشط»، كان يقيس الاضطرابات الاهتزازية، ويدفع الطرف الآخر بلطف لتبديدها، وهي الطريقة التي تستجيب بها سماعات حجب الضوضاء للأصوات الخارجية وتحجبها.

بعد الانتهاء من وضع كل شيء في مكانه وخضع للاختبار، اعتُزم إجراء أول عملية تشغيل علمي للكاشفين في سبتمبر ٢٠١٥. وفي إطار الاستعدادات، أُجري اختبار تشغيل للتأكُّد من عمل جميع تلك الأنظمة في منتصف ليل الإثنين الموافق ١٤ سبتمبر. خلال فترة توقُّف وسط تلك الاختبارات، تُرك الكاشفان في وضع الرصد على الرغم من أنه لا أحد كان يتوقَّع رصد أي شيء. لكن في الساعة ٢:٥٠ صباحًا بتوقيت مدينة هانفورد، والساعة ٤:٥٠ بتوقيت مدينة ليفينجستون؛ أي في الوقت نفسه تقريبًا، سجَّل كل كاشف صريرًا استمرَّ ٢٠٠ مللي ثانية. التقط الكاشفان إشارة لموجة جاذبية أقوى ممَّا توقَّع الجميع بكثير، وبسرعة أكبر من التي توقَّعوها بكثير أيضًا. ونظرًا لوجود تأخير بمقدار ٦٫٩ مللي ثانية فقط بين وصول الإشارة إلى الكاشف الأول ووصولها إلى الكاشف الثاني، فقد أكَّد هذا أن الموجة سافرت بسرعة الضوء.

منذ عام ٢٠١٥، أصبح علم فلك موجات الجاذبية أمرًا شبه عادي. فلم يَعُد كشف اندماج آخر ثقبَين أسودَين خبرًا مثيرًا، مثلما لم يَعُد اكتشاف كوكب آخر يدور حول نجم بعيد خبرًا مثيرًا أيضًا. لكن ثمة نوعًا آخر من الاندماج يستحق الإشارة إليه.

حسبما ورد في كتابي «سبعة أعمدة للعلم»، عَلِم علماء الفلك قبل ٢٠١٧ أن الذهب وبعض العناصر الثقيلة الأخرى يمكن أن تتكوَّن في نوع آخر من الانفجار النجمي مثل المستعرات العظمى، ولكنهم كانوا يعلمون أيضًا أنه يستحيل أن تكون هذه الأحداث هي منشأ كل العناصر الثقيلة التي نراها في الكون. وتبيَّن أن المستعرات فوق العظيمة قادرة على تكوين كمية كافية من العناصر الثقيلة لسد الفجوة. فالحدث الذي شوهد في أغسطس ٢٠١٧ أنتج وحده ما بين ثلاث كتل إلى ثلاث عشرة كتلة أرضية من الذهب، بينما الأحداث المشابهة مسئولة على الأقل عن إنتاج نصف الذهب الموجود في الكون في الوقت الحاضر. على الرغم من أنه قد يبدو احتمالًا مستبعدًا، فإن هذا يعني أن قدرًا كبيرًا من الذهب الموجود في أي حُلِي نمتلكها صُنِّعت عند تصادم نجمَين نيوترونيَّين واندماجهما.

هوامش