به رسم هر سال، با نزدیک شدن به روزهای پایانی سال ۲۰۱۶ هم مراجع و وب‌سایت‌های متعددی اقدام به فهرست‌بندی دستاوردهای شاخص علمی این سال کرده‌اند. در این مقاله با پنج دستاورد فضایی شاخصی آشنا خواهید شد که در یک ویژگی مشترک‌ هستند: اینکه با وجود «نزدیک» بودن سوژه‌هایشان (به هر تعبیر)، ‌فتح‌ آن‌ها پیش‌نیازهای فناورانه دشواری را می‌طلبیده که عاقبت در این سال برآورده شدند.

به عبارت دیگر، اهمیت این پنج دستاورد علمی، نه به درازای راه طی‌شده، بلکه در برتری مَرکبی بوده که امکان عبور از این راهِ به‌نسبتْ کوتاه را برایمان فراهم کرد. در ادامه، فهرستی از این پنج دستاورد را به ترتیب دوردستی‌شان می‌خوانید (با این توضیح که پنجمین سوژه نه فقط از همه دورتر، بلکه – به طریقی تناقض‌آمیز – از همه نزدیک‌تر است).

کشف امواج گرانشی از برجسته‌ترین یافته‌های علمی امسال به شمار می‌رفت. در این تصویر، یک تعبیر بصری از اولین موج گرانشی کشف‌شده را در پیش‌زمینه نمایی از بخشی از تأسیسات آشکارساز LIGO در لوئیزیانا مشاهده می‌کنید / عکس از Rich Frishman
کشف امواج گرانشی از برجسته‌ترین یافته‌های علمی امسال به شمار می‌رفت. در این تصویر، یک تعبیر بصری از اولین موج گرانشی کشف‌شده را در پیش‌زمینه نمایی از بخشی از تأسیسات آشکارساز LIGO در لوئیزیانا مشاهده می‌کنید / عکس از Rich Frishman

۱ – بازیابی موشک فالکون-۹: فرود آتشین بر آب

اگر تا بالغ بر پنجاه سال پیش، اخبار سفرهای حتی بی‌سرنشین فضایی، تیتر اول خبرگزاری‌های جهان را قبضه کرده بود، امروزه پیگیری سفرهای سرنشین‌دار فضایی هم آن طراوت گذشته را – حتی برای دوست‌داران این حوزه – ندارد. از این لحاظ، سفر به فضا را می‌توان به نحو موجهی یک سفر «نزدیک» تلقی کرد؛ به‌طوریکه در طول سال ۲۰۱۶، ۸۵ مأموریت (اعم از ۵ مأموریت سرنشین‌دار، شامل ۱4 فضانورد) از هشت سازمان فضایی دنیا رهسپار فضا شدند، که تنها ۳ موردشان به شکست انجامید. این آمار را مقایسه کنید با مجموع ۳۸ پرتاب فضایی بی‌سرنشین سال ۱۹۶۰ از جانب دو سازمان فضایی، که ۱۹ موردشان (یعنی نیمی از آن‌ها) به شکست انجامید.

اما از مجموع ۸۵ مأموریت فضایی سال ۲۰۱۶، پنج مأموریت از یک لحاظْ ویژه‌تر بودند: اینکه نه فقط محموله‌‌هایشان با موفقیت در مدار زمین قرار داده شدند، بلکه بخش اصلی موشک‌های حامل‌شان نیز با موفقیت به زمین نشست (یا به عبارت دقیق‌تر، یک بار بر زمین، و چهار بار بر سطح اقیانوس آرام نشست)؛ موفقیتی که نه به هیچ‌کدام از آن هشت سازمان فضایی بین‌المللی، بلکه به یک شرکت خصوصی متعلق بود: شرکت اسپیس‌ایکس.

در اواخر سال گذشته میلادی، این شرکت – به مدیریت ایلان ماسک – موفق شده بود تا برای نخستین بار مرحله اول موشک فالکون-۹ خود را در یک پایگاه پرتاب بازنشسته فضایی فرود بیاورد؛ اما هدف اصلی، عاقبتْ در هشتم آوریل (مصادف با ۲۰ فروردین‌ماه محقق شد): فرود بر یک شناور هوشمند در اقیانوس آرام. دلیل اهمیت این دستاورد را همان زمان در یک مقاله‌ مجزا تشریح کرده بودیم (نگاه کنید به: فرود بر آینده: گام بلند شرکت اسپیس‌ایکس در فتح «اقتصاد» فضا). در بخشی از این مقاله می‌خوانیم:

“… هر قدمی که در راه بازیابی مراحل مختلف یک موشکِ «یک‌بارمصرف» انجام بپذیرد، نقطه عطفی در تحول اقتصاد فضا خواهد بود؛ چراکه بخش اعظم هزینه‌ها به بازتولید موتورهای موشک اختصاص دارد.”

“مرحله نخست موشک فالکون ۹ هم با نیروی ۹ موتور سوخت مایع، از نوع «مِرلین» تغذیه می‌شود؛ و در مرحله دوم، با تنها یک موتور از این نوع. لذا بازیابی مرحله اول موشک، علاوه بر آنکه دشواری‌های بازیابی مرحله دوم (به ویژه شامل بازگرداندن آن از بیرون جو زمین به درون جو) را ندارد، بلکه از لحاظ اقتصادی هم بارها به‌صرفه‌تر است. به‌علاوه، بازیابی مرحله اول موشک بر سطح اقیانوس (نسبت به سطح خشکی) می‌تواند صرفه اقتصادی بیشتری در پی داشته باشد؛ چراکه منحنی سقوط آزاد این مرحله از موشک، از پی اتمام عملیات آن (چیزی در حدود ۷۰ ثانیه پس از پرتاب)، به سطح اقیانوس آرام ختم می‌شود؛ به‌طوریکه تصحیح این مسیر و هدایت مرحله اول موشک به سمت خشکی، مستلزم صرف سوخت و لذا هزینه‌‌های بیشتر است”.

فرود مرحله اول موشک فالکون-۹ از دید یک دوربین کنترل‌-از-راه-دور، مستقر بر شناور هوشمند میزبان موشک.
فرود مرحله اول موشک فالکون-۹ از دید یک دوربین کنترل‌-از-راه-دور، مستقر بر شناور هوشمند میزبان موشک.

از آن پس، این شرکت خصوصی چهار عملیات مشابه دیگر را نیز تکرار کرد، که سه موردشان توأم با موفقیت بود. مقصد کلیه این مأموریت‌ها «مدار نزدیک زمین» (LEO)، یعنی حداقل مدار باثبات یک مأموریت فضایی بود؛ اما به یمن این دستاوردهای شرکت اسپیس‌ایکس، امید می‌رود که با کاهش هزینه‌ها در بخش پرتاب، فضای خارج از جو، از این هم نزدیک‌تر جلوه کند.

۲ – پایان مأموریت روزتا: دو سال تانگو با «چوریوموف/گراسیمنکو»

دنباله‌دارها از آشناترین و در عین حال مرموزترین اعضای منظومه شمسی‌مان هستند. در کنار خورشید، ماه، و پنج سیاره پرنور این خانواده کیهانی، دنباله‌دارها تنها اجرام دیگر منظومه‌مان بودند که منجمان باستان به وجودشان اشاره کرده‌اند. اما تابه‌حال هیچ مأموریت فضایی ویژه‌ای در «مدار» این اجرام وارد نشده بود؛ بگذریم از «فرود» بر سطح‌ هسته‌شان. عاقبت، روزتا این تابوهای پنج‌ساله را شکست.

روزتا مأموریت فضایی پیچیده‌ای متعلق به سازمان فضایی اروپا (اسا) بود که رنج ده سال سفر از زمین به سمت دنباله‌دار نه‌چندان معروف «۶۷/پی چوریوموف/گراسیمنکو» را به جان خرید تا در نوامبر ۲۰۱4 به مدار هسته این دنباله‌دار وارد بشود و دو سال تمام، آن را در بخشی از مدار   ش به گرد خورشید (از جمله نقطه حضیض مدار دنباله‌دار، که در آن هسته‌اش به فعال‌ترین وضعیت خود می‌رسد) همراهی بکند. روزتا سرانجام در سی‌‌ام سپتامبر (مصادف با ۹ مهرماه) با کاهش ارتفاع و برخورد به هسته، به مأموریت بی‌سابقه خود پایان داد. (این فضاپیما همچنین حامل یک سطح‌نشین روباتیک – به نام «فیله» – هم بود، که گرچه فرود ایده‌آلی را بر سطح هسته دنباله‌دار صورت نداد، اما اطلاعات ذی‌قیمتی را در همان تماس نخست خود با هسته به زمین مخابره کرد. در این‌باره نگاه کنید به: از مولکول‌های بنیادین حیات، و دیگر کشفیات جدید «فیله»).

تصویر فضاپیمای روزتا از محل فرود سطح‌نشین فیله (کادر قرمزرنگ). همانطور که در این تصویر پیداست، فیله در وضعیتی نامتعادل، منطقه‌ای سنگلاخی، و موقعیتی سایه‌انداز از سطح هسته دنباله‌دار فرود آمد، و همین باعث شد تا نه‌تنها چنگک‌های حفظ تعادل آن به‌خوبی عمل نکنند، بلکه باتری‌های خورشیدی سطح‌نشین هم از تأمین انرژی آن ناتوان باشند.
تصویر فضاپیمای روزتا از محل فرود سطح‌نشین فیله (کادر قرمزرنگ). همانطور که در این تصویر پیداست، فیله در وضعیتی نامتعادل، منطقه‌ای سنگلاخی، و موقعیتی سایه‌انداز از سطح هسته دنباله‌دار فرود آمد، و همین باعث شد تا نه‌تنها چنگک‌های حفظ تعادل آن به‌خوبی عمل نکنند، بلکه باتری‌های خورشیدی سطح‌نشین هم از تأمین انرژی آن ناتوان باشند.

روزتا با تجهیز به مجموعاً ۶4 متر مربع صفحه خورشیدیِ تأمین انرژی، جایگاه دوم وسعت این صفحات را در بین فضاپیماهای بین‌سیاره‌ای به خود اختصاص داده بود. دلیل بهره‌مندی از این صفحات، لزوم تضمین انرژی فضاپیما در تمام طول مسیر مأموریت آن بود؛ مسیری که در کشیده‌ترین وضعیت خود، فاصله فضاپیما نسبت به خورشید را اندکی از سیاره مشتری هم دورتر می‌کرد، و تحت فشرده‌ترین حالت نیز آن را از حدفاصل مدار زمین و مریخ می‌گذراند.

دورنمای مأموریت علمی روزتا را پیش‌تر در مقاله «اودیسه روزتا» تشریح کرده بودیم. در رابطه با دلیل اهمیت دنباله‌دارها به عنوان مقاصدی برای کاوش‌های بین‌سیاره، در این مقاله می‌خوانیم:

“… دنباله‌دارها بی‌شباهت به سنگ‌نگاره‌های باستانی نیستند؛ و بهتر است این‌طور بگوییم که دنباله‌دارها «باستانی‌ترین» سطوح دست‌نخورده منظومه شمسی ما را میزبانی می‌کنند. فاصله قابل توجه محل تجمع فرضی این اجرام (موسوم به «ابر اورت») – که همچون حبابی به شعاع تقریبی یک سال نوری، منظومه شمسی را دربرگرفته – مأمن سردی را برایشان فراهم آورده تا محیط مساعدی به‌منظور میزبانی از ناپایدارترین مولکول‌های آلی هم به شمار آیند.”

“در واقع دنباله‌دارها را می‌توان همچون فلاسک‌های مهروموم‌شده‌ای پنداشت که با پای خود از فاصله‌ای دوردست عزم نواحی داخلی منظومه شمسی می‌کنند، و به‌واسطه گرمای فزاینده این نواحی، بخشی از محتویات‌شان را به‌واسطه فرآیند تصعید [= تبدیل مستقیم یخ به گاز]، به هیأت ابرهای عظیمی از گاز و غبار از دست می‌دهند. این ابرها (یا اصطلاحاً «گیسو»ی دنباله‌دار) هم به‌واسطه فشار تابشی خورشید، همیشه در سمت مخالف خورشید تجمع می‌کنند و لذا ما دنباله‌دارها را به شکل اجرامی «دنباله‌دار» می‌بینیم”.

دورنمایی از هسته دنباله‌دار ۶۷/پی از دید فضاپیمای روزتا.
دورنمایی از هسته دنباله‌دار ۶۷/پی از دید فضاپیمای روزتا.

“دنباله‌دارها با میزبانی از ترکیبات فراری همچون آب و مولکول‌های آلی، ضمناً گزینه‌های محتملی برای منشأ آب زمین، و حتی حیات زمینی هم تلقی می‌شوند. چراکه سن‌سنجی از گودال‌های برخوردی ماه و همچنین سایر سطوح دست‌نخورده نواحی داخلی منظومه شمسی حکایت از این دارد که بخش قابل توجهی از این گودال‌ها در حدود سه و نیم میلیارد سال پیش ایجاد شده‌اند؛ هنگامی‌که انبوهی از دنباله‌دارها به دلیل نامعلومی روانه نواحی داخلی منظومه شمسی شدند و اجرام آن ناحیه را زیر آماج برخوردهای خود گرفتند.”

با این وجود، ورود به مدار هسته یک دنباله‌دار، به‌واسطه میدان گرانشی ضعیف آن، یا مستلزم صرف سوخت بسیار یا صبری توان‌فرسا و استفاده از مانورهای پیچیده است. بُعد مسافت نسبی اکثر دنباله‌دارهای جالب توجه، گزینه اول را – دست‌کم در شرایط فعلی – غیرممکن می‌کند؛ اما مسئولین سازمان فضایی اروپا، با ترجیح سفری ده‌ساله و انبوهی از مانورهای نفسگیر، هم‌اینک به گنجینه‌ای از اطلاعات ذی‌قیمت در خصوص این اجرام باستانی منظومه‌مان دسترسی دارند.

۳ – آغاز مأموریت جونو: شیرجه به درون منطقه ممنوعه

گفتیم که روزتا از حیث وسعت صفحات خورشیدی‌اش جایگاه دوم را در بین فضاپیماهای بین‌سیاره‌ای به خود اختصاص داده بود. جایگاه اول، به فضاپیمای «جونو» می‌رسد؛ اولین سفیری از زمین در قلمرو مشتری که انرژی خود را از طریق نور خورشید تأمین می‌کند (نه پیل هسته‌ای). اما این تنها «اولین»ِ این فضاپیما هم به شمار نمی‌رود. جونو همچنین برای اولین بار است که به یک مدار «قطبی» در اطراف مشتری وارد می‌شود؛ مدار کشیده‌ و خاصی که به نحوی بازتابنده اهداف علمی خاص این مأموریتِ منحصربفرد نیز هست.

مشتری سیاره آشنایی است؛ از پرنورترین اجرام آسمان شب و سوژه‌ای که به گالیله امکان داد تا مستدلات خلل‌ناپذیری را در رد نظام زمین‌مرکز بطلمیوسی ارائه دهد. اما از این‌ها گذشته، مشتری با میزبانی از بزرگ‌ترین میدان مغناطیسی منظومه شمسی و سطحی پوشیده از طوفان‌های دائمی، نقطه شروع ایده‌آلی را برای کنجکاوی راجع به «درون» این سیاره هم رقم زده است: این میدان عظیم مغناطیسی از چه مکانیسمی تغذیه می‌شود؟ آن ابرها ریشه در کجا دارند؟ و از همه مهم‌تر آنکه مشتریْ خود از کجا آمده است؟

شاید تصور طراحی یک مأموریت یگانه برای پاسخ به دست‌کم بخش‌هایی از این سؤالاتِ فراگیر، دور از ذهن به نظر برسد؛ اما طراحی هوشمندانه مأموریت جونو، این رؤیا را در چارچوب امکان‌های فناورانه امروز، به ایده‌ای نه فقط قابل سرمایه‌گذاری، بلکه پربازده بدل کرده است. طلسم امکان‌پذیری این ایده، عبور از یک منطقه ممنوعه بود: «کمربندهای تابشی» مشتری.

پیش‌تر در مقاله «فضاپیمای جونو در راه پرده‌برداری از رازهای مشتری»، راه پرسنگلاخ تحقق مسیری که جونو هم‌اینک در آن قرار دارد (و تا دو سال آینده، از آنجا به مخابره داده به زمین خواهد پرداخت) را شرح داده بودیم. در بخشی از این مقاله می‌خوانیم:

“… «کمربندهای تابشی»، نواحی تجمّع ذرات باردار پرانرژی در محدوده میدان مغناطیسی یک سیاره‌اند، که در خصوص مشتری عملاً حکم «پرتگاه»هایی مرگبار را برای فضاپیماهای عبوری دارند، چراکه سریعاً تأسیسات الکترونیکی‌شان را در معرض انرژی‌هایی توان‌فرسا قرار می‌دهند.”

“… قطبی بودن مدار جونو بدین‌‌معناست که این فضاپیما در صفحه‌ای تقریباً عمود بر استوای مشتری به دور آن می‌چرخد، و بدین‌وسیله با هر بار عبور خود از کنار مشتری، از درون حفره کمربندهای تابشی این سیاره می‌گذرد – بدون هیچ‌گونه تماسی با محدوده اصلی این کمربندها.”

“و از آنجا هم که طبق قوانین مکانیک مداری، سرعت یک جسم ِ واقع در مدار، با فاصله‌اش از جسمی که به دور آن می‌چرخد نسبت عکس دارد (به این معنا که هرچه جسم اول به جسم دوم نزدیک‌تر بشود، سرعت‌اش افزایش خواهد یافت)، یک مدار بیضویِ کشیده به جونو این امکان را می‌دهد تا با حداکثر سرعت ممکن از نزدیک‌ترین فاصله‌‌اش تا مشتری (حدود ۵۰۰۰ کیلومتر) بگذرد و لذا در هر دفعه چرخش مداری خود، سریعاً از محدوده خطرناک تشعشعات الکترومغناطیسی خارج بشود و در این مدّت عملیات علمی خود را هم به ثمر برساند.”

دایره قطبی جنوب مشتری از دید فضاپیمای جونو در ۲۷ اوت ۲۰۱۶.
دایره قطبی جنوب مشتری از دید فضاپیمای جونو در ۲۷ اوت ۲۰۱۶.

از مهم‌ترین اهداف علمی این مأموریت، گردآوری شواهدی است که می‌تواند به تأیید یا رد فرضیات فعلی موجود در رابطه با تشکیل کل منظومه شمسی بیانجامد. (پیش‌تر مقاله‌ای را در رابطه با همین هدف بلندپروازانه‌ی مأموریت جونو هم منتشر کرده بودیم؛ نگاه کنید به: مشتری، روزنه‌ای رو به داستان پیدایش).

کشفیات مورد انتظار جونو به قدری دست اول‌اند، که هنوز امکان ارائه تصویر دقیقی از آنچه که در پس پشت ابرهای مشتری می‌گذرد، جز از طریق شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، میسر نیست. جونو مأموریت خود را تازه آغاز کرده است.

۴ – کشف نزدیک‌ترین سیاره فراخورشیدی: همزادی برای زمین

کشف سیارات فراخورشیدی نیز امروزه سوژه آشنایی برای مخاطبان اخبار علمی به شمار می‌رود؛ و به همین واسطه هم سطح توقعات این مخاطبین از صفات جزئی‌تر این سیارات افزایش پیدا کرده است. در اواسط همین امسال، متولیان تلسکوپ فضایی کپلر، خبر از کشف ۱۲۸4 سیاره جدید فراخورشیدی دادند (نگاه کنید به: کشف ۱۲۸4 سیاره جدید: مروری بر اصطلاحات و تفاسیر)، که از این بین، حدود ۵۵۰ موردشان زمین‌مانند، و از این بین هم ۹ موردشان زیست‌پذیر ارزیابی شدند. (عنایت داشته باشید که «زیست‌پذیری» یک سیاره، دلالت بر شرایط فیزیکی امکان میزبانی آن از آب مایع دارد، نه لزوماً میزبانی سیاره از موجودات زنده).

اما خبر کشف یک سیاره فراخورشیدیِ خاص (که اواخر تابستان امسال، پس از حصول قطعیت‌اش اعلام شد)، از جهاتی منحصربفرد بود؛ چراکه انتظار نمی‌رود هیچ سیاره‌ فراخورشیدی دیگری از این نزدیک‌تر به زمین یافت بشود. در واقع این سیاره – موسوم به سیاره «پروکسیما-b» – به گرد نزدیک‌ترین ستاره به زمین (یعنی ستاره «پروکسیما-قنطورس») می‌چرخد. و صفتی که حتی بر این خصوصیت آن می‌چربد، سنگی بودن، و همچنین زیست‌پذیر بودن احتمالی سیاره پروکیسما-b است.

با وجود آنکه هنوز اعلام نظر قطعی راجع به این دو ویژگی ِ اخیر پروکسیما-b به سادگی میسّر نیست، اما جالب است که چگونه ما تنها زمانی قادر به کشف این نزدیک‌ترین سیاره فراخورشیدی به منظومه‌مان شدیم که عملاً بالغ بر ۳4۰۰ سیاره فراخورشیدیِ دیگر را سابق بر آن کشف کرده بودیم. چرا چنین کشفی با چنان تأخیری مواجه بود؟ جزئیات این موضوع، مقاله مجزایی را می‌طلبد که ما پیش‌تر، همزمان با اعلام خبر کشف پروکسیما-b، منتشرش کردیم (نگاه کنید به: زمینی در همسایگی؟ راهنمای مختصر سیاره «پروکسیما-b). در بخشی از این مقاله می‌خوانیم:

“… نمی‌توان حکم دقیقی راجع به ابعاد این سیاره صادر کرد. تنها چیزی که می‌توان به قطعیت گفت این است که ابعاد این سیاره، «حداقل» ۱.۳ برابر زمین است، و هر ۱۱.۲ روز یک‌بار هم به گرد پروکسیما-قنطورس می‌چرخد. این بدین‌معناست که فاصله این دو جرم، هشت برابرْ کمتر از فاصله عطارد تا خورشید است. اما از آنجا که برونداد انرژی پروکسیما قنطورس، تنها ۰.۱۷ درصد خورشید است، طبیعتاً کمربند زیست‌پذیر تنگ‌تری هم دارد، و احتمال می‌رود که پروکسیما-b در حاشیه داخلی آن واقع شده باشد.”

“اما کاربرد لفظ «زیست‌پذیر»ی برای این سیاره هنوز زود است. ما به قطعیت نمی‌دانیم که این سیاره آیا سنگی است یا نه؛ گرچه کفه سنگی بودن‌اش به هر احتمال دیگری می‌چربد.”

“اگرچه فاصله آن تا ستاره‌اش مطلوب است، اما مشخص نیست که چه پیشینه‌ای را از سر گذرانده: احتمال وجود آب در یک سیاره، بستگی ِ نزدیکی به این دارد که چه پیشینه‌ای را از سر گذرانده است. … از طرفی، به‌ واسطه فاصله نزدیک‌تر پروکسیما-b تا ستاره مادرش، انتظار می‌رود که در خوشبینانه‌ترین حالت، این سیاره در معرض چیزی در حدود یکصد برابر حجم پرتوهای ایکسی که زمین از خورشید دریافت می‌کند، باشد؛ که این خبر بدی برای حیات خواهد بود. این فاصله‌ی نزدیک‌تر، احتمال آنکه این سیاره در یک «قفل گرانشی» با ستاره‌اش گیر افتاده باشد را نیز افزایش می‌دهد؛ وضعیتی شبیه به وضعیت ماه و زمین، که در آن تنها یک سمت سیاره به سمت ستاره‌اش خواهد بود.”

طرحی خیالی از سطح سیاره پروکسیما-b
طرحی خیالی از سطح سیاره پروکسیما-b

“البته گفتنی است که اطلاعات‌ ما راجع به این مواردِ نومیدکننده هم همان‌قدر احتمالاتی است که راجع به امتیازات امیدوارکننده‌اش. حیاتْ حتی بر روی همین زمین خودمان هم پیش‌بینی‌ناپذیرتر از آن است که به شرایط معینی تن بدهد، و بعید نیست که سیاره پروکسیما-b، میزبان انواع غیرمنتظره‌ای از آن باشد (هرچند که این هم احتمالی بیش نیست).”

به هر جهت، تنها واقعیتی که این کشف، قاطعانه بر آن دلالت دارد این است که نه وجود یک سیاره به گرد ستاره‌ای دیگر، نه سنگی بودن آن سیاره، و نه حتی قرارگیری آن در منطقه زیست‌پذیر ِ ستاره میزبان‌اش، دیگر «استثنائات»ای در میان خانواده پرجمعیت ستارگان کهکشان ما به شمار نمی‌آید – بگذریم از ستارگان کهکشان‌های دیگر. 

۵ – اعلام کشف نخستین موج گرانشی: بزرگ‌ترین دستاورد علمی سال

این عنوانی است که نشریه معتبر Science برای چنین کشفی برگزیده است: بزرگ‌ترین دستاورد علمی سال. پیش‌بینی سترگی که در چارچوب نظریه نسبیت عام اینشتین، خبر از وجود پدیده‌ای کاملاً ناملموس می‌داد، عاقبت اوایل امسال بود که به یمن ارتقای تأسیسات «تداخل‌سنج لیزری رصد امواج گرانشی» (LIGO)، به تحقق پیوست.

نسبت «امواج» گرانشی به «میدان»های گرانشی (که در آن‌ها وجود یک «جرم» ضرورت دارد)، مثل نسبت امواج الکترومغناطیسی (اعم از نور، امواج رادیویی، پرتوهای ایکس و گاما و …) به میدان‌های مغناطیسی است. میدان‌های مغناطیسی را نمی‌توان مستقل از منبع‌شان (همچون یک آهنربای دائمی، یا یک سیم‌پیچ متصل به برق) تصور کرد، و به همین واسطه آن‌ها را به شکل خطوط متحدالمرکزی در اطراف آن منبع به نمایش درمی‌آورند.

خطوط مغناطیسی را نخستین بار مایکل فارادی، فیزیکدان تجربی انگلیسی به مثابه روشی استعاری برای ترسیم محدوده میدان‌های مغناطیسی معرفی کرد. همین خطوطْ الهام‌بخش جیمز کلرک ماکسول، فیزیکدان نظریِ اسکاتلندی شد، تا ماهیت مجزایی را برایشان در نظر بگیرد. از دید ماکسول، این خطوط می‌توانند مستقلاً منتشر بشوند و در فقدان منبع‌شان همچنان به وجود خود ادامه دهند. او این خطوط را امواج الکترومغناطیس نامید (که مصداق‌شان «نور» است). توصیفات نظری ماکسول، عاقبت با خلق امواج رادیویی توسط هینریش هرتز، فیزیکدان آلمانی، به اثبات تجربی رسید.

وضعیت مشابهی برای میدان‌های گرانشی هم متصور است: پس از صورت‌بندی مکانیک نیوتونی، و توصیف جدیدی که در چارچوب آن از ماهیت گرانش ارائه می‌شد، پیِر سیمون دو لاپلاس، ریاضیدان فرانسوی، کوشید تا گرانش را به جای یک نیروی خطی بین دو جسم، به مثابه یک «میدان» به تصور درآورد. و تنها در چارچوب نظریه نسبیت عام اینشتین بود که می‌شد برای این خطوط، ماهیتی مستقل در نظر گرفت؛ امکانی که اینشتین خودْ آن را به پیش‌بینی درآورد: امواج گرانشی.

امواج گرانشی هم مثل امواج الکترومغناطیسی، می‌توانند در فقدان یک منبعْ همچنان به وجود خود ادامه دهند؛ با این تفاوت که انرژی این امواج، فوق‌العاده کمتر از امواج الکترومغناطیسی است، و تشخیص‌شان نه از طریق آشکارسازهای معمولی، بلکه با تأسیساتی ویژه میسر است. اگرچه پدیده‌هایی که تصور می‌رود از منابع این امواج باشند، طیف وسیعی را شامل می‌شود (از راه رفتن‌تان بر روی زمین گرفته تا برخورد دو سیاهچاله)، اما دامنه تشخیص آشکارسازهای کنونی، تنها محدود به امواج ناشی از سهمگین‌ترین انفجارهای کیهانی است (که با این وجود، نوسانی به میزان تنها کسر کوچکی از قطر هسته اتم را در پیوستار فضا ایجاد می‌کنند).

طرحی از نحوه ایجاد امواج گرانشی طی برهم‌کنش دو جرم سنگین‌وزن (همچون دو سیاهچاله) در پهنه فضا.
طرحی از نحوه ایجاد امواج گرانشی طی برهم‌کنش دو جرم سنگین‌وزن (همچون دو سیاهچاله) در پهنه فضا.

ما پیش‌تر در چارچوب یک مقاله مجزا، به طریقه عملکرد تأسیسات مختص تشخیص امواج گرانشی پرداخته بودیم (نگاه کنید به: شروع فصل جدید شکار امواج گرانشی). و همچنین مقاله‌ای را هم اختصاص دادیم به تبیین پیش‌زمینه‌های نظری مفهوم موج گرانشی (نگاه کنید به: کشف امواج گرانشی: پژواک واقعیتی از جنس دیگر). در بخشی از این مقاله دوم می‌خوانیم:

“… آشکارساز LIGO طی فاز نخست جستجوهایی که از سال ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۰ داشت، هیچ نامزدی را برای یک موج گرانشی نیافت. اما در آن مقطع، حساسیت این آشکارساز، فقط قابلیت تشخیص چنین امواجی از فاصله‌ای نسبتاً نزدیک به ما (در حجمی از فضا که محتوی تنها ۱۰۰ کهکشان بود) را داشت. از آنجاکه رخدادهای متنهی به گسیل امواج گرانشی (همچون برخورد دو سیاهچاله، یا ستاره نوترونی، یا انفجارهای ابرنواختری در انتهای عمر ستارگانِ سنگین‌وزن)، رخدادهای نسبتاً نادری در جهان محسوب می‌شوند (به‌طوریکه احتمال برخورد دو ستاره نوترونی در یک کهکشان، یک به سی‌هزار است)، به پویش حجم بیشتری از فضا احتیاج بود تا احتمال تشخیص چنین امواجی هم افزایش یابد.”

“به همین‌واسطه هم تأسیسات LIGO پس از ارتقای اخیری که دامنه جستجوهایش را به فاصله حداکثر ۳۲۶ میلیون سال نوری از زمین افزایش داد (حجمی از فضای پیرامون ما که تقریباً سیصدهزار کهکشان را شامل می‌شود)، احتمال تشخیص امواج گرانشی هم به طرز قابل توجهی افزایش یافت.”

“… با این وجود، برای جانمایی دقیق منبع گسیل امواج گرانشی از طریق شیوه‌های مثلّثاتی، به بیش از دو آشکارساز احتیاج است؛ و به همین‌واسطه نیز آشکارسازهای دیگری در اروپا و آسیا، در شرُف ورود به باشگاه جویندگان امواج گرانشی‌اند. با این حساب، مکان دقیق رخداد GW۱۵۰۹۱4، که موج گرانشی ناشی از آن در تابستان [سال] گذشته به زمین رسید، مشخص نیست. این مکان می‌تواند در هرکجای محدوده‌ای به مساحت ۶۰۰ درجه مربع از آسمان نیمکره جنوبی واقع باشد. اما صرف‌نظر از اینکه منبع‌ این رخداد (این انفجار حاصل از برخورد دو سیاهچاله) دقیقاً کجا بوده، کشف موج گرانشی ناشی از آن، یعنی ورود ما به جهانی که در آن دیگر موانع فیزیکی ِ گریبانگیر نور، سد راه شناخت‌مان از پدیده‌های شگرفی همچون سیاهچاله‌ها و حتی پژواک رخدادهای پس از مهبانگ، نخواهند بود. دقت کنیم که همین اولین منبعی که از آن یک موج گرانشی دریافت شد، رکورد سهمگین‌ترین انفجار کیهانی‌ای که بشر تاکنون به ثبت رسانده را شکست؛ و همین کافی‌ست تا نشان بدهد که با ناتوانی‌مان از تشخیص امواج گرانشی، تاکنون از تماشای چه رخدادهایی در جهان‌مان محروم‌ بوده‌ایم.”

موجی که تابستان سال گذشته به زمین رسید، قطعاً اولین مواجهه زمین با امواج گرانشی نبوده است. ما پیوسته آماج این امواج ناخوانده‌ بوده و هستیم؛ حتی هم اگر دریای فضا، ظاهراً آرام به نظر برسد. اما موجی که امکان تشخیص‌ آن در آشکارسازهای فعلی فراهم باشد، از منابعی سهمگین‌تر از آنکه احتمال یافتن‌شان حتی در کهکشان خودمان هم برود، برمی‌خیزد (چراکه در غیراینصورت، سایر تأثیرات ناشی از این منابع نزدیک، قطعاً امکان پیدایش حیات در زمین را منتفی می‌کردند). لذا تشخیص موج گرانشی برخاسته از برخورد دو سیاهچاله به فاصله تقریبی ۱ میلیارد و ۳۰۰ میلیون سال نوری از ما می‌تواند اثباتی باشد برای وجود امواجی که تمام اجسام جهان (از جمله بدن‌تان) را همیشه همچون سطح دریا به تلاطمی هرچقدر ناچیز می‌اندازند.