كيفية قياس التموجات في الزمكان

عندما تمر موجة الجاذبية عبر الأرض ، فإنها تتسبب في تمدد الفضاء في اتجاه واحد والضغط في الاتجاه الآخر ، وبالتالي فإن “ذراعي” الكاشف تنمو وتتقلص بكميات ضئيلة. هذا يعني أن كل شعاع من الضوء يسافر مسافة مختلفة قليلاً ، والتي تظهر في نمط ضوء الليزر المعاد تجميعه كزيادة في التردد تسمى “الزقزقة الكونية” – هذه هي إشارة الموجة الثقالية.

لقياس ذلك ، يعتمد برج العذراء على أحدث المعدات. المرايا الموجودة في نهاية كل نفق مصنوعة من الكوارتز الصناعي لدرجة أنها تمتص 1 من كل 3 ملايين فوتون يضربها. إنه مصقول إلى المستوى الذري ، مما يجعله سلسًا جدًا بحيث لا يوجد تشتت للضوء فعليًا. وهي مغطاة بطبقة رقيقة من مادة عاكسة جدًا بحيث يتم فقد أقل من 0.0001 بالمائة من ضوء الليزر عند التلامس.

داخل أحد أذرع برج العذراء التي يبلغ طولها 3 كيلومترات ، والتي تتميز بأنبوب تفريغ رئيسي يبلغ قطره 1.2 مترًا ينتقل فيه ضوء الليزر.

الصورة: EGO / العذراء

تتدلى كل مرآة أسفل المصباح الفائق لحمايتها من الاهتزازات الزلزالية. تتكون هذه من سلسلة من المرشحات الزلزالية التي تعمل مثل البندولات ، مغلفة في غرفة مفرغة داخل برج يبلغ ارتفاعه 10 أمتار. تم تصميم الإعداد لمواجهة حركات الأرض ، والتي يمكن أن تكون أقوى بتسع مرات من موجات الجاذبية التي يحاول برج العذراء اكتشافها. إن المُضادات الفائقة فعالة للغاية لدرجة أن المرايا في الاتجاه الأفقي على الأقل تتصرف كما لو كانت تطفو في الفضاء.

أحدث الابتكارات هو نظام “الضغط” للعذراء ، والذي يحارب تأثيرات مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، وهي سمة غريبة للعالم دون الذري تقول إن أزواجًا معينة من خصائص الجسيم الكمومي لا يمكن قياسها بالضبط ، في نفس الوقت. على سبيل المثال ، لا يمكنك قياس كل من موضع وزخم الفوتون بدقة مطلقة. كلما عرفت موقعه بدقة أكبر ، قلّت معرفتك بزخمه والعكس صحيح.

داخل برج العذراء ، يتجلى مبدأ عدم اليقين في صورة ضوضاء كمومية ، مما يحجب إشارة موجة الجاذبية. ولكن عن طريق حقن حالة خاصة من الضوء في أنبوب يعمل بالتوازي مع الأنابيب المفرغة الرئيسية ثم يتداخل مع مجال الليزر الرئيسي في فاصل الحزمة ، يمكن للباحثين “ضغط” أو تقليل عدم اليقين في خصائص ضوء الليزر ، مما يقلل من الكم الضوضاء وتحسين حساسية برج العذراء لإشارات الموجات الثقالية.

منذ عام 2015 ، تم تسجيل ما يقرب من 100 موجة جاذبية على مدار ثلاث جولات مراقبة بواسطة برج العذراء ونظيره الأمريكي ليجو. مع ترقيات كلا المرفقين ، وانضمام KAGRA للحزب ، فإن جولة المراقبة التالية – التي تبدأ في مارس 2023 – تعد بأكثر من ذلك بكثير. يأمل الباحثون في اكتساب فهم أعمق للثقوب السوداء والنجوم النيوترونية ، ويوفر الحجم الهائل للأحداث المتوقعة احتمالية محيرة لبناء صورة لتطور الكون من خلال موجات الجاذبية. يقول لوسوردو: “هذه مجرد بداية لطريقة جديدة لفهم الكون”. “سيحدث الكثير في السنوات القليلة المقبلة.”

نُشر هذا المقال في الأصل في عدد يناير / فبراير 2023 من مجلة WIRED UK.