سربلندی دوباره برای نظریۀ نسبیت عام انشتین

---

به مناسبت صدمین سال انتشار نظریه نسبیت انشتین، مقاله‌ای که چند سال پیش در مجله‌ی دانشمند به چاپ رسانده بودم را در اینجا بازنشر می‌کنم.

سربلندی دوباره برای نظریۀ نسبیت عام انشتین

برگردان: محمد علیزاده

کشف تپ‌اختری بسیار شگفت‌انگیز که تاییدی است دوباره بر درستی پیش‌بینی‌های نظریۀ نسبیت عام.
به تازگی تپ‌اختری شگفت‌انگیز کشف شده که دامنۀ آزمایش‌های درستی "نظریه نسبیت عام" را زمینه‌ای تازه بخشیده است.
تا امروز که گفته‌های انشتین درست بوده است.

در این تصویر هنری، این دو جرم شگفت‌ انگیز انگاشته شده که جرم کوچکتر، بسیار سنگین‌تر است و هر ثانیه 25 بار به دور محور خود می‌گردد و هر 2 ساعت و نیم به همراه کوتولۀ سپید همدم خود به دور یکدیگر می‌چرخند. ستارۀ نوترونی امواج رادیویی نیرومندی به فضا گسیل می‌دارد که در روی زمین با رادیوتلسکوپ دریافت می‌شود. هر چند که این سامانۀ دوتایی در جایگاه خود بسیار بی‌همتا و شگرف است، اما مکان خوبی است که دانشمندان محدودیتهای نظریه‌های فیزیکی را با کمک آن بیازمایند.
نیروی بسیار زیاد گرانش این سامانه، صفحۀ فضا-زمان را خم می‌کند. هر چند هنوز دانشمندان این خمش را به طور مستقیم رصد نکرده‌اند، اما توانستند با اندازه‌گیری هدررَوی انرژی در این سامانه و نیز تغییرات مداری، به آن پی ببرند.

ستاره‌شناسان با کمک مجموعۀ گستردۀ افزارگان سازمان رصدخانۀ جنوبی اروپا (1) و نیز با استفاده از رادیوتلسکوپهای سرتاسر جهان توانستند یک مجموعۀ ستاره‌ای شگفتاور (اختردیس) بیابند و پس از بررسی، دریافتند که در آن یک ستارۀ نوترونی بسیار فشرده و بسیار چگال در کنار یک ستارۀ کوتولۀ سپید وجود دارد و به گرد هم می‌گردند. همانند این دوتایی تاکنون کشف نشده بود. این دوتایی عجیب و شگرف به دانشمندان امکان می‌دهد که نظریات گرانشی انشتین را که در قالب نظریۀ نسبیت عام بیان شده، باری دیگر و با روشی که تاکنون امکان‌پذیر نبوده است، مورد آزمایش قرار دهند. رصدهایی که تاکنون صورت پذیرفته، کاملا و دقیقا با پیش‌بینی‌های نسبیت عام سازگار بوده و همچنین با تعدادی از نظریه‌های جایگزین آن ناسازگار و ناهمخوان است. نتایج به دست آمده در ششم اردیبهشت ماه 1392 در "مجلۀ دانش" (journal Science) منتشر شد.

یک گروه فرامرزی از دانشمندان، یک سامانۀ دوتاییِ ستاره‌ایِ شگفت‌انگیز کشف کرده‌اند. این دوتایی دارای یک ستارۀ نوترونی کوچک اما بسیار بسیار سنگین است که 25 بار در هر ثانیه به دور محور خود می‌گردد و یک کوتولۀ سپید که این دو در هر دو ساعت و نیم، یک بار به دور همدیگر می‌چرخند. ستارۀ نوترونی، تپ‌اختری است که از خود امواج رادیویی فرامی‌فرستد که می‌توان آنها را با کمک رادیوتلسکوپهای روی زمین دریافت کرد. گذشته از این که این دوتایی شگفت، به خودی خود بسیار فریبنده و جالب توجه هستند، اما برای آزمودن محدودیت‌های نظریه‌های فیزیکی، آزمایشگاهی بی‌مانند و یکتا نیز هستند.
این تپ‌اختر که PSR J0348+0432 نام دارد، بقایای یک انفجار اَبَرنواختری است. دو برابر از خورشید سنگین‌تر است اما قطر آن تنها 20 کیلومتر است. گرانش سطحی آن، 300 میلیارد برابر بیشتر از نیروی گرانش در سطح زمین است و بیش از یک میلیارد تن ماده در هستۀ آن که به اندازۀ یک مکعب یک سانتی‌متری (حجم یک حبۀ قند) است، فشرده و چگالیده شده است. شگفتی ستارۀ همدم نیز دست کمی از تپ‌اختر ندارد. این ستارۀ گرم و سوزان که به آرامی در حال سرد شدن است، باقی‌مانده از ستاره‌ای سبک‌تر است که اتمسفر خودش را از دست داده است.
جان آنتونیادیس،(2) پژوهشگر بنیاد اخترشناسی ماکس پلانک (3) که نویسندۀ این نوشتار است می‌گوید: "من با یکی از تلسکوپهای بزرگ ESO این سامانه را رصد می‌کردم و به دنبال دگرگونیهای نوری بودم که در اثر جابجایی کوتولۀ سپید گرد تپ‌اختر گسیلش می‌شود. اما چیزی به ذهنم رسید و پس از محاسبه‌ای که انجام دادم، متوجه شدم که این تپ‌اختر باید بسیار بسیار سنگین باشد. جرمی در حدود دو برابر خورشید دارد و سنگین‌ترین و فشرده‌ترین ستارۀ نوترونی‌ای است که تا کنون کشف شده و همچنین برای بررسیهای فیزیک بنیادی، آزمایشگاه بسیار خوبی است.
در نظریۀ نسبیت عام انشتین بیان شده که گرانش، پیامدی است از خمیدگی فضا-زمان که در اثر وجود ماده و انرژی ایجاد می‌شود. از حدود یک سده پیش که برای نخستین بار این فرضیه بیان شد تاکنون و با وجودی که در برابر تمامی آزمایشها تاب آورده، توضیح قاطعی برای آن ارائه نشد و انتظار می‌رفت که سرانجام در آزمایشی شکست خورده و باطل شود. (4)
فیزیکدانان برای توضیح گرانش، نظریه‌های دیگری ابداع کردند که پیش‌بینی‌های متفاوتی با نسبیت عام بیان می‌داشت. در تعدای از این نظریه‌های پیشنهادی، این تفاوتها را تنها در میدان‌های گرانشی‌ای که نیروی بسیار زیادی داشته باشند می‌توان مشاهده کرد. چنین میدان‌هایی در منظومۀ خورشیدی وجود ندارد. می‌توان گفت که بر حسب گرانش و حتا در مقایسه با تپ‌اخترهایی که در آزمایش‌‌های بسیار دقیق برای بررسی درستی نظریۀ نسبیت عام انیشتین مورد استفاده قرار گرفته‌اند، میدان گرانش PSR J0348+0432 بسیار نیرومند است. (5) در چنین میدان‌های گرانشی نیرومندی، اندکی افزایش جرم می‌تواند دگرگونی‌های بزرگی در فضا-زمان پیرامونی ستاره ایجاد کند. تاکنون ستاره‌شناسان نمی‌دانستند که در نزدیکی چنین ستارۀ نوترونی سنگینی، چه اتفاقاتی رخ می‌دهد. اکنون فرصتی گرانبها دست داده تا آزمایشهای خود را در چنین میدان‌هایی انجام دهند.
گروه دانشمندان، رصدهای تلسکوپی خود را با زمان‌بندی خیلی دقیق با دریافتهای رادیوتلسکوپ از تپ‌اختر ترکیب کردند. ستاره‌های دوتاییِ این چنینی، امواج گرانشی می‌پراکنند و انرژی از دست می‌دهند. همین امر موجب تغییری هر چند اندک در دورۀ مداری می‌شود که نظریه نسبیت عام و دیگر نظریه‌های رقیب، پیش‌بینی‌های متفاوتی از این تغییرات به دست می‌دهند.
رصدهای رادیویی آن چنان دقیق بوده است که دانشمندان توانسته‌اند یک تغییر دورۀ مداری به اندازۀ هشت میلیونیوم ثانیه در سال را اندازه‌گیری کنند که دقیقا برابر پیش‌بینی‌های نظریۀ نسبیت عام انشتین است.
این تنها آغاز راه بررسیهایی دقیق‌تر از این جسم بی‌همتا است و در آینده، دانشمندان می‌توانند نظریۀ نسبیت عام را با دقت بیشتری مورد آزمایش قرار دهند. (6)

1 - رصدخانه جنوبی اروپا ((ESO: European Southern Observatory سازمانی اروپایی است برای پژوهش‌های اخترشناسی در نیم‌کرهٔ جنوبی

2 - این پژوهش با نام "تپ‌اختری کلان در یک مدار نسبیتی فشرده" و توسط جان آنتونیادیس در 26 آوریل 2013 در نشریۀ دانش(journal Science) منتشر شده است.

3 - Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR

4 - نظریۀ نسبیت عام با دیگر نظریۀ بزرگ فیزیک در سدۀ بیستم یعنی مکانیک کوانتومى هم‌خوانی ندارد. همچنین تکینِگی‌هایی را بعضی شرایط پیش‌بینی می‌کند، جاهایی مانند مرکز یک سیاه‌چاله که بعضی مقادیر به سمت بی‌نهایت میل می‌کنند.

5 - نخستین تپ‌اختر دوتایی با نام (PSR B1913+16) توسط جوزف هوتِن تیلور و راسل آلن هاوس (هر دو از استادان دانشگاه ماساچوست) کشف شد و به همین دلیل آنها در سال 1993، برندۀ جایزۀ نوبل فیزیک شدند. آنها با دقت بسیار، تغییرات ویژگیهای این دو جرم بی‌همتا را اندازه‌گیری کردند و نشان دادند که از دست دادن و اتلاف انرژی از راه گسیل امواج گرانشی، دقیقا با پیش‌بینی‌های نظریۀ نسبیت عام هم‌خوانی دارد.

6 - در بررسیهایی که انجام پذیرفته، از داده‌های رادیوتلسکوپهای افلسبرگ، ارسیبو و گرین‌بنک و نیز از تلسکو‌های نوری ESO و ویلیام هرشل استفاده شده است.