تحلیل نور ستارگان
GPS ونسبیت
ساده ترین نمونه تأثیری که ماهواره ها روی پژوهش های مربوط به نسبیت بر جای نهادند، سامانه موفقیت یابی جهانی ( GPS ) است که در آن مجموعه ای از24 ماهواره که پالس های دقیق و هماهنگی گسیل می کنند، این امکان را فراهم آورده اند تا از طریق مثلث بندی، موقعیت فرد روی زمین با دقت تعیین شود. GPS اکنون برای ناوبری، تجارت وجنگ ضروری است. تمام وسایل، از نقشه های رایانه ای داخل اتومبیل گرفته تا موشک های هدایت شونده، به قدرت هم زمان سازی سیگنال ها در حد پنجاه میلیاردم ثانیه نیاز دارند تا موقعیت جسمی را روی زمین با دقت 15 متر تعبیین کنند. اما برای تضمین چنین دقتی، دانشمندان می بایست تصحیحات ظریف نسبیتی بر قوانین نیوتون انجام دهند. نسبیت بیان می دارد که امواج رادیویی ماهواره ها حین گردش به دور زمین، اندکی تغییر فرکانس می دهند. در واقع اگر تصیحات نسبیتی را کنار بگذاریم، ساعت های GPS هر روز یک 40000 میلیاردم ثانیه جلو خواهند رفت ودر نتیجه کل سیستم فاقد اعتبار خواهد شد. بنابراین نظریه نسبیت برای مقاصد تجاری ونظامی مطلقاً ضروری است. فیزیکدانی به نام کلیفورد ویل که اولین بار یک ژنرال نیروی هوایی ایالات متحده را از لزوم اصلاحات نسبیتی در GPS مطلع کرد، یک بار گفت که بلوغ نظریه نسبیت وقتی رخ داد که حتی مقامات بلند پایه پنتاگون هم باید با آن آشنا می شدند.
آشکارسازهای امواج گرانشی :
تا امروز تقریباً آنچه از ستاره شناسی می دانیم با بررسی امواج الکترومغناطیسی به دست آمده است: به شکل نور ستارگان، امواج رادیویی و تابش ریز موج اعماق فضا. هم اکنون دانشمندان نخستین ابزار جدید اکتشاف علمی را معرفی می کنند که عبارت است خود گرانش. گری ساندرز، از کلتک و معاون مدیر پروژه موج گرانشی می گوید: "هر گاه به طریقی تازه به آسمان نگریسته ایم، جهانی تازه مشاهده کرده ایم"
اینیشتین بود که در سال 1916، اولین بار وجود امواج گرانش را مطرح کرد. در نظر آورید ناپدید شدن خورشید چه پیامدهایی خواهد داشت. مثال افتادن توپ بولینگ روی تشک را به خاطر دارید؟ تمثیل بهتر تورآکروبات را چطور؟ اگر توپ به طور ناگهانی برداشته شود، تور آکر.بات به سرعت به حالت اولیه برگشته موجی ایجاد می کند که در سطح تور منتشر می شود. اگر توپ بولینگ را خورشید فرض کنیم، شاهد حرکت موج گرانشی با سرعت معینی برابر سرعت انتشار نور خواهیم بود.
گرچه اینیشتین بعدها پاسخی دقیق برای معادلاتش یافت که امواج گرانشی را مجاز می شمرد، اما هیچ گاه اثبات پیشگویی هایش را ندید.امواج گرانش فوق العاده ضعیف هستند. حتی امواج ناگهانی حاصل از تصادم ستارگان نیز آنقدر قوی نیستند که بتوان آنها را در آزمایش ها کنونی اندازه گیری کرد. امروزه امواج گرانشی تنها به شیوه غیر مستقیم آشکار شده اند. دو فیزیکدان به نام های راسل هالس و جوزف تیلور، بر این گمانند که بررسی ستارگان دوتایی نوترونی که در فضا دور هم می چرخند، نشان می دهد که هر ستاره، جریانی از امواج گرانشی را گسیل می کند، شبیه به هم زدن ملاس، و مدارشان به آهستگی تحلیل می رود. آنها حرکت دو ستاره نوترونی رو به زوال را که به صورت مارپیچی به تدریج به هم نزدیک می شدند، بررسی کردند. این دو فیزیکدان تحقیقات شان را بر ستاره دوتایی نوترونی PSR 1913+16 متمرکز کردند که تقریباً 16000 سال نوری از زمین فاصله دارند، هر7 ساعت و45 دقیقه یکبار دور هم می چرخند و دراین فرایند امواج گرانشی به فضا گسیل می کنند.آنها با استفاده از نظریه اینیشتین دریافتند که دو ستاره در هر دور کامل باید یک میلیمتر به هم نزدیک تر شوند. گرچه این فاصله بسیار اندک است، اما طی یک سال به یک متر می رسد و طول 000 700 کیلومتری مدار آن ها را به تدریج کاهش می دهد.
این کارپیشرو نشان داد که مدار، دقیقاً مطابق پیش بینی اینیشتین بر پایه امواج گرانشی، تحلیل می رود (معادلات اینیشتین پیش بینی می کنند که دو ستاره به دلیل اتلاف انرژی گسیل شده در فضا به شکل امواج گرانشی، در نهایت بعد از 240 میلیون سال به هم برخورد خواهند کرد.) آن ها در سال 1993 برای کارهای شان برنده جایزه نوبل فیزیک را شدند.
همچنین می توانیم به عقب برگردیم واز این آزمایش دقیق برای سنجش دقت خود نسبیت عام استفاده کنیم. پس از انجام محاسبات معکوس، درمی یابیمکه دفت نسبیت عام دست کم 7/99 درصد است.
آشکارسازی امواج گرانشی لیگو
برای بدست آوردن داده های سودمند در رابطه با جهان ابتدایی باید اماج گرانشی را مستقیماً رصد کرد، نه غیر مستقیم. در سال 2003 ، اولین آشکارسازی عملیاتی موج گرانشی که لیگو(رصدخانه موج گرانشی با تداخل سنج لیزری) نام دارد، سرانجام به کار افتاد ورویای دیرین کاوش در اسرار جهان به وسیله امواج گرانش را تحقق بخشید. هدف لیگو آشکارسازی رخدادهای کیهانی مانند برخورد سیاهچاله ها یا ستارگان نوترونی است که برای رصد با تلسکوپ های زمینی بسیار دور یا خیلی کوچکند.
لیکو شامل دو مجموعه دو لوله دارد؛ هر یک به طول 4 کیلومتر که شکل L ، دو اشعه لیزر به هم برخورد می کنند وامواج شان تداخل می کند. در حالت عادی وقتی اختلالی وجود ندارد، دو موج طوری بر هم منطبق می شوند که یکدیگر را حذف کنند. اما هنگامی که حتی ضعیف ترین موج گرانشی ساطع شده از برخورد سیاهچاله ها یا ستارگان نوترونی به دستگاه اصابت کند، منجر به انبساط وانقباض متفاوت در دو انشعاب لوله می شود.کافی است این اعوجاج رخ دهد تا حد پرتوهای لیزر توسط یکدیگر مختل شود. در نتیجه، دو پرتوی لیزر به جای حذف یکدیگر، یک الگوی تداخلی موج مانند مخصوص ایجاد می کنند که جزء به جزء با رایانه قابل تحلیل است. هرچه موج گرانشی شدیدتر باشد، انطباق دو پرتو لیزر کم تر می شود والگوی تداخلی گستردهتری خواهیم داشت.
لیگو یک اعجاز مهندسی است. از آنجا که مولکولهای هوا ممکن است نور لیزر را جذب کنند، باید خلائی معادل یک تریلیونیم فشار جو در لوله های عبور دهنده نورایجاد شود. هر آشکارساز فضایی بالغ بر000 ،90 مترمکعب را اشغال می کند؛ واین یعنی لیگو بزرگ ترین خلأ مصنوعی در دنیاست.
بخشی از حساسیت لیگو به دلیل طراحی آینه های آن است که با 6 آهن ربای کوچک، هر یک به اندازه یک مورچه، کنترل می شوند. سطح آینه ها بسیار صیقلی است؛ با دقت 12 میلیاردم سانتی متر. گاریلین بیلینگزلی که بر آینه ها نظارت دارد، می گوید: " زمین را به اندازه آینه ها صیقلی تصور کنید. در این صورت میانگین ارتفاع کوه ها بیش از 3 سانتی متر نخواهد بود." آینه های لیگو آنقدر حساسند که می توان آن ها را کم تر از یک میلیونیم متر حرکت داد. آن ها شاید حساس ترین آینه ها در جهان باشند. یکی از دانشمندان لیگو به نام مایکل زوکر می گوید: " بیشتر مهندسان کنترل و ابزار دقیق، با شنیدن آنچه سعی داریم انجام دهیم، دهان شان باز می ماند" تعادل بدیع لیگو، گاهی با لرزش های خفیف و ناخواسته دچار اختلال می شود. به عنوان مثال آشکارساز لوئیزیانا، در طول روز به دلیل لرزش ناشی از قطع درختان در فاصله 500 متری قادر به کار نیست.حتی شب هنگام، لرزش ناشی از عبور قطارهای بار بری در نیمه شب یا ساعت 6 صبح، مدت زمان کار مداوم لیگو را محدود می کند. حتی لرزشی به خفیفی لرزش حاصل از برخورد امواج اقیانوس به خط ساحلی در فاصله چند کیلومتری بر نتایج تأثیر می گذارد. امواج اقیانوس در آمریکای شمالی به طور میانگین هر 6 ثانیه یک بار به ساحل برخورد می کنند واین امر صدای بمی ایجاد می کند که عملاً توسط لیزر ها دریافت می شود. فرکانس این صدا خیلی کم است، طوری که عملاً در زمین نفوذ می کند. همچنین اثر گرانشی ماه وخورشید روی زمین که منشاء جذر ومد است، در حد چند میلیونیم سانتیمتر در لیگو اختلال ایجاد می کند.
برای حذف این اختلالات فوق العاده کوچک، مهندسان لیگو راهی طولانی پیموده اند تا بهترین وجه دستگاه را ایزوله کنند. هر سیستم لیزری در رأس چهار جایگاه عظیم از چنس فولاد ضد زنگ قرار داده شده که هر کدام روی دیگری گذاشته شده اند؛ برای حذف هرگونه لرزش، هر سطح توسط فنرهایی جدا شده است. هر ابزاری نوری حساس سیستم ضد لرزش مستقل دارد؛کف، قطعه ای بتنی است به قطر 80 سانتی متر که به دیواره ها متصل نیست. لیگو در واقع بخشی از یک کنسر سیم بین المللی است شامل آشکارساز فرانسوی- ایتالیایی ویرگو(VIRGO) واقع در پیزای ایتالیا، آشکارسازی ژاپنی تاما(TAMA) در نزدیکی توکیو و یک آشکارساز انگلیسی-آلمانی به نام GEO600 در هانوفر آلمان. هزینه نهایی ساخت لیگو جمعاً 292 میلیون دلار خواهد بود(به اضافه 80 میلیون دلار برای حق الزحمه ها وهزینه های ارتقاء)، که گرانترین پروژه ای است که بنیاد ملی علم تا به حال تأمین مالی کرده است. اما حتی با چنین حساسیتی بعضی دانشمندان معتقدند که لیگو احتمالاً آنقدر حساس نیست که طول عمرش پدیده هی قابل توجهی را به درستی آشکار کند. دستگاه ارتقاء یافته بعدی که لیگوII نام دارد در صورت تأمین بودجه در سال 2007 راه اندازی خواهد شد. اگر لیگوامواج گرانشی را کشف نکند، پیش بینی می شود که لیگو II حتماً این کار را خواهد کرد.کنت لیبرخ، مهندس لیگو، مدعی است تجهیزات لیگوII، هزار برابر حساس تر هستند. وی می گوید:" شما از (آشکار سازی) یک پدیده در هر 10 سال، که نسبتاً دردناک است، به یک پدیده در هر 3 روز می رسید که واقعاً عالی است."
یک دانشمند برای کشف برخورد دو سیاهچاله (در محدوده ای به فاصله 300 میلیون سال نوری) به وسیله لیگو، باید بین یک تا هزار سال انتظار بکشد.بسیاری ازستاره شناسان احتمالاً نظرات دیگری در رابطه با جستجوی رویداد فوق به وسیله لیگو دارند، چرا که نوادگان شان در چندین نسل بعد شاهد آن خواهد بود.اما همان طور که پیتر سالسون، دانشمند لیگو می گوید:" افراد از حل این چلش های تکنیکی لذت می برند، درست مانند سازندگان کلیساهای قرون وسطی که با اینکه می دانستند ممکن است هرگز کلیسای تکمیل شده را نبیند، به کار خود ادامه می دادند. با استفاده از لیگوII، شانس ما برای یافتن یک رویداد حقیقتاً جالب در طول زندگی مان خیلی بیشتر است.لیگوIIشاید برخورد سیاهچاله ها را در محدوده خیلی بزرگتری به فاصله 6 میلیارد سال نوری آشکار کند ومیزان آن را از ده سال یکبار به ده روز یکبار برساند. به هر حال، حتی لیگوII برای کشف امواج گرانشی لحظه تولد جهان، به اندازه کافی قدرتمند نیست. به همین دلیل ناچاریم 15 الی 20 ال دیگرمنتظر لیزا بمانیم.
آشکارسازی موج گرانشی لیزا (LISA)
لیزا(آنتن فضایی تداخل سنج لیزری) نماینده نسل بعدی آشکار سازهای امواج گرانشی می باشد. این دستگاه بر خلاف لیگو در فضا مستقر خواهد شد. حوالی سال 2010 ، ناسا وآژانس فضایی اروپا، 3 ماهواره به فضا خواهند فرستادکه تقریباً در فاصله 50 کیلومتری زمین، گرد خورشید خواهد چرخید. این سه آشکارسازی لیزری، در فضا مثلثی متساوی الاضلاع تشکیل خواهند داد.(طول هر ضلع 5 میلیون کیلومتر خواهد بود.) هر ماهواره دو لیزر خواهد داشت که به آن اجازه می دهد پیوسته با دو ماهواره دیگر در ارتباط باشد.با اینکه، هر لیزر باریکه ای به قدرت تنها نیم وات شلیک می کند، تجهیزات نوری آنقدر حساسند که قادرند لرزش های ناشی از امواج گرانشی را با دقتی معادل یک تقسیم بر یک میلیارد تریلیون آشکار کنند.(معادل حرکتی برابریک صدم قطر یک اتم). لیزا باید بتواندامواج گرانشی را از فاصله 9 میلیارد سال نوری که بیشتر فضای جهان مرئی را شامل میشود،را آشکار کند. دقت لیزا به قدری بالاست که می تواندامواج ضربه ای ناشی از خود انفجار بزرگ را کشف کند. این امر دقیق ترین تصویر را از لحظه پیدایش هستی به ما خواهد داد. اگر همه چیز طبق برنامه پیش رود، لیزا باید قادر به بررسی یک تریلیونم ثانیه بعد از انفجار بزرگ باشد و شاید به قوی ترین ابزار کیهان شناسی تبدیل شود. این باور وجود دارد که لیزا ممکن است قادر به یافتن اولین داده های تجربی در مورد ماهیت دقیق نظریه میدان یکپارچه باشد: نظریه همه چیز.
یک هدف مهم لیزا، فراهم آوردن شواهدی قطعی برای نظریه تورم است. تورم با تمام داده های کیهان شناسی موجود، سازگار است (تختی جهان، افت وخیزهای زمینه کیهانی وغیره). اما این بدان معنی نیست که نظریه صحیح است. دانشمندان می خواهند برای سنجش قطعی آن، امواج گرانشی ناشی ازخود فرایند تورم را آزمایش کنند. "انگشت نگاری" از امواج گرانشی پدیدآمده در لحظه انفجار بزرگ، باید تفاوت میان تورم و هر نظریه رقیب را بیان کند. برخی افراد مانند کیپ تورن از کلتک، بر این باورند که امکان دارد لیزا بتواند بگوید برخی نسخه های نظریه ریسمان صحیح هستند. نظریه جهان تورمی پیش بینی می کندکه امواج گرانشی برآمده از انفجار بزرگ باید خیلی شدید ومتناظر با گسترش سریع و نمایی جهان ابتدایی باشند، در حالی که مدل اکپیروتیک گسترش آرام تری را به همراه امواج گرانشی بسیار خفیف تر پیش بینی می کند. لیزا باید قادر به حذف نظریات رقیب انفجار بزرگ و آزمایش قاطع نظریه ریسمان باشد.