نخستین نور: ثبت یک همتای مرئی برای یک موج گرانشی
آشکارسازهای امواج گرانشی، نخستین نمونه از برخورد دو «ستاره نوترونی» را به ثبت رساندند، پدیده‌ای که بر خلاف موارد پیشین ثبت یک موج گرانشی، به انتشار همین یک‌گونه موج محدود نخواهد ماند.
احسان سنایی
شبیه‌سازی طریقه انتشار انرژی طی برخورد دو ستاره نوترونی.
از تابستان ۲۰۱۵ تا به امروز که گهگاه اخباری هیجان‌انگیز با محوریت امواج گرانشی منتشر می‌شود (و داغ‌ترین مورد اخیرشان اختصاص نوبل فیزیک ۲۰۱۷ به این موضوع بود) می‌توان نشانه‌های ظهور یک عصر نوین در اخترشناسی را به وضوح مشاهده کرد.
از دو ماه پیش، شایعات پراکنده حکایت از کشف رخدادی داشت که تصور نمی‌شد اینچنین زود تشخیص داده شود: گویا آشکارسازهای امواج گرانشی، نخستین نمونه از برخورد دو «ستاره نوترونی» را به ثبت رسانده بودند، پدیده‌ای که بر خلاف موارد پیشین ثبت یک موج گرانشی، به انتشار همین یک‌گونه موج محدود نخواهد ماند: برای اولین بار، اخترشناسان شاهد «پس‌درخش» این انفجار در محدوده طیف امواج نوری نیز بودند، از پرتوهای گاما گرفته تا امواج رادیویی. به عبارت دیگر، این پدیده نه فقط توسط آشکارسازهای امواج گرانشی، بلکه توسط هفتاد تلسکوپ دیگر از اقصی‌نقاط زمین و فضا، و در جای‌جای طیف الکترومغناطیس نیز به ثبت رسید.
سیگنال GW170817 مربوط می‌شود به ششمین موج گرانشی به‌ثبت‌رسیده تا به امروز، که در روز ۱۷ اوت سال میلادی جاری (۲۶ مرداد) توسط سه آشکارساز (اعم از دوقلوهای لایگو در ایالات متحده، و آشکارساز امواج گرانشی ویرگو در ایتالیا) تشخیص داده شد (درباره زمینه‌های تاریخی ایده‌پردازی و تشخیص امواج گرانشی، نگاه کنید به: کشف «امواج گرانشی»: پژواک واقعیتی از جنس دیگر). اما این موج نه از برخورد دو سیاهچاله، بلکه از برخورد دو «ستاره نوترونی» ناشی می‌شد؛ لاشه‌های چگال و کوچک بازمانده از مرگ ستارگانی با جرم ۱۰ تا ۲۹ برابر جرم خورشید. این اجرام را بر خلاف سیاهچاله‌ها می‌توان در امواج الکترومغناطیسی نیز مشاهده کرد، و از همین رو برخوردشان بر خلاف برخورد دو سیاهچاله، با گسیل امواج گرانشی و همچنین الکترومغناطیسی همراه خواهد بود.
بدین‌ترتیب، لحظاتی پس از دریافت سیگنال GW170817 در ساعت ۱۶ و ۱۱ دقیقه روز ۲۶ مرداد به وقت تهران، نه فقط دو آشکار لایگو در ایالات متحده آن را به ثبت رساندند، بلکه تلسکوپ‌های فضایی پرتو گامای «فِرمی» (وابسه به سازمان فضایی آمریکا، ناسا) و «اینتگرال» (وابسته به سازمان فضایی اروپا، اسا) نیز نشانه‌های یک انفجار پرتو گاما به مدت تنها ۲ ثانیه را از آن ناحیه دریافت کردند. همین همزمانی کوتاه کافی بود تا راز ده‌هاساله منشأ پدیده‌هایی که به «انفجارهای کوتاه‌مدت پرتو گاما» (اختصاراً SGRBها) معروف شده بودند، حل شود: آنها همان رد پای نوری مربوط به برخورد دو ستاره نوترونی هستند.
۱۰ الی ۱۱ ساعت بعد، تلسکوپ‌های نور مرئی نیز موفق به ثبت یک انفجار در جایی از کهکشان NGC ۴۹۹۳، واقع در بخش جنوبی صورت فلکی نهر شدند. این کهکشان، کهکشان میزبان آن دو ستاره نوترونی است، که در حدود ۱۳۰ میلیون سال نوری از ما فاصله دارد. دیری نگذشت که تلسکوپ فضایی هابل، تلسکوپ فضایی پرتو ایکس چاندرا، تلسکوپ فضایی فروسرخ اسپیتزر، و آرایه تلسکوپ‌های رادیویی VLA نیز به کاروان چشمان خیره به این پدیده پیوستند، و رفته‌رفته پازلی باشکوه از چندین و چند فرضیه پراکنده که طی ده‌ها سال تدوین شده بود، به یکباره در پرتو درخششی کوتاه که در تمام طول طیف الکترومغناطیس طنین انداخت، تکمیل شد.
تحلیل مشخصات موج گرانشی دریافتی از این پدیده معلوم ساخت که جرم ستاره‌های نوترونی درگیر در این برخورد، معادل ۱.۵ و ۱.۱ برابر جرم خورشید بوده، که از مجموع آن، چیزی در حدود ۱ تا ۲ درصد به انرژی مبدل شده است.
طبق فرضیات، لحظاتی پیش از برخورد دو ستاره، نیروهای کشندی ناشی از نزدیکی بیش از حد دو ستاره، بخش اعظمی از جرم آن دو را به اطراف پراکنده کرده‌اند. به مجرد برخورد، سیاهچاله‌ای تشکیل می‌شود که چرخش آن موجب می‌شود تا بخشی از این مواد پیرامونی، در قالب یک فوران متمرکز از ماده با سرعتی نزدیک به سرعت نور، از محل برخورد دور شوند.
برخورد جبهه این فوران با مواد بازمانده از فوران اول (پیش از برخورد)، به یک موج شوکی شکل می‌دهد که نتیجه‌اش درخششی است کوتاه از جنس پرتوهای گاما – درخششی که تلسکوپ‌های پرتو گاما آن را دقیقاً ۱.۷ ثانیه پس از دریافت موج گرانشی تشخیص دادند: تأخیری کوتاه، که شاهدی است محکم بر: ۱) صحت فرضیه مربوط به منشأ SGRBها؛ ۲) این پیش‌بینی اینشتین که امواج گرانشی با سرعت نور جابجا می‌شوند؛ و ۳) اینکه سیگنال‌های سابق ِ تشخیص‌داده‌شده توسط آشکارساز لایگو در طول دو سال گذشته نیز نویز صرف نبوده‌اند و منشأ بیرونی داشته‌اند.
مشخصات موج گرانشی مربوط به این پدیده، با موارد سابق تشخیص یک موج گرانشی بسیار تفاوت داشت، چراکه فرآیند نزدیکی دو ستاره نوترونی به یکدیگر، بر خلاف دو سیاهچاله، بسیار کندتر رقم می‌خورَد. در نتیجه، سیگنال دریافتی چیزی در حدود یکصد ثانیه درازا داشت، که از ۱۵۰۰ بار چرخش دو ستاره به گرد یکدیگر تا پیش از برخورد نهایی‌شان تشکیل می‌شد. از این اطلاعات چنین نتیجه شد که سن دو ستاره بالغ بر ۱۱ میلیارد سال بوده، و از لحظه شروع دریافت سیگنال، آن دو تنها ۳۲۰ کیلومتر از یکدیگر فاصله داشته‌اند.
اما در این بین، بودند مشاهداتی هم که با فرضیات موجود از در تطابق درنمی‌آمدند: انرژی موج گرانشی، و همچنین شدت درخشش پرتوی گامای دریافتی از این برخورد، اندکی کمتر از آن چیزی بود که از برخورد دو ستاره نوترونی انتظار می‌رفت. همچنین درخشش پرتو ایکس متعاقب انفجار نیز با تأخیری قابل توجه (۹ روز بعد) تشخیص داده شد.
محتمل‌ترین سناریو برای تبیین این ناهمخوانی‌ها عبارت است از اینکه مدار ستاره‌های نوترونی، و همچنین راستای فوران ماده از پیرامون‌شان، نسبت به ما زاویه داشته، به‌طوریکه بخشی از انرژی انفجار که در راستای دید ما منتشر شده، توسط پیله گاز پیرامون منطقه جذب شده است. چنین سناریویی، تأخیر پیش آمده در ثبت نشانه‌های رادیویی این رخداد را نیز تبیین می‌کند، چراکه این نشانه‌ها تا شانزده روز پس از انفجار دریافت نشدند. مشاهدات رادیویی، از این پس کمکی شایان توجه به درک اخترشناسان از طریقه تحول گازهای پیرامون منطقه خواهند کرد، چراکه انتظار می‌رود تابش رادیویی ناشی از این انفجار تا ماه‌ها و چه بسا سال‌های دیگر همچنان ادامه داشته باشد.
چنین انفجارهایی را در زبان اخترشناسی اصطلاحاً «کیلونواختر» (kilonova) می‌نامند، که محتمل‌ترین شرایط طبیعی برای تولید عناصر سنگین جدول تناوبی با وفور نوترون (همچون طلا و پلاتین) به شمار می‌روند. هسته حتی سنگین‌ترین ستارگان قادر به تولید چنین عناصری نیست، و لذا بخش قابل توجهی از عناصر طبیعی جدول تناوبی می‌بایست منشأیی جز قلب ستارگان داشته باشند. طیف‌سنجی از طریقه تحول نور یک کیلونواختر، به اخترشناسان امکان می‌دهد تا طریقه تشکیل این عناصر سنگین را در هاله گازی پیرامون منطقه برخورد دنبال کنند. طیف‌سنجی‌های نور مرئی از انفجار ۲۶ مرداد، حکایت از تولید مقادیری عناصر سنگین با جرمی معادل ۱۶ هزار برابر جرم زمین در هاله گازی پیرامون منطقه داشت، که از این بین ۱۰ برابر جرم زمین تنها سهم عناصر طلا و پلاتین بود.
تشخیص محل دقیق سیگنال GW170817 بدون فعالیت همزمان دست‌کم سه آشکارساز امواج گرانشی، میسر نمی‌بود. و سیگنال مربوطه از قضا زمانی دریافت شد که تنها شانزده روز از شروع فعالیت آشکارساز ویرگو می‌گذشت، و هشت روز به خاموشی یک‌ساله آشکارسازهای لایگو (جهت بروزرسانی) مانده بود. تشخیص انفجاری چنین نادر در این برهه طلایی، نوید ظهور عصر نوینی را در اخترشناسی می‌دهد که در آن، به یمن ارتقای دقت آشکارسازهای امواج گرانشی در آینده، شاهد همگرایی هرچه‌بیشتر شاخه‌های مختلف اخترشناسی رصدی برای تشخیص پدیده‌هایی خواهیم بود که دیگر نادر نخواهند بود؛ ولو تا همین چندی پیش، تنها در قلمرو فرضیه یافت می‌شده‌اند.
نظرها
نظری وجود ندارد.