معرفی LISA؛ فضاپیمای لیزری که به کاوش رازهای پنهان کیهان می پردازد

LISA به زودی انقلابی در درک ما از دنیای گرانشی ایجاد خواهد کرد و تعاملات عمیق تری که جهان کیهانی را به حرکت درمی آورد، برایمان فاش خواهد ساخت.

LISA، رصدخانه امواج گرانشی به ارزش 1.6 میلیارد دلار، در نظر دارد که در دهه آینده به فضا پرتاب شود. این پروژه چشم انداز ما را نسبت به امواج گرانشی به کلی متحول خواهد کرد.

ما از دانشمندان سؤال کرده ایم که LISA چه نوع داده هایی را جمع آوری خواهد کرد؟ این داده ها چه متفکرانه ای به ما عرضه خواهند کرد و چگونه می توانند درک ما از جهان، از منابع امواج گرانشی گرفته تا نقشی که این امواج در شکل گیری کیهان دارند، را دگرگون نمایند؟

 LISA: ساده اما دقیق

LISA، که مخفف Laser Interferometer Space Antenna* است، از سه فضاپیما که به صورت یک شکل مثلثی در مداری ثابت به دور خورشید در حال گردش هستند، تشکیل شده است. LISA یک “اینترفرومتر” به شمار می رود؛ به این معنا که امواج گرانشی را با استفاده از فناوری لیزری فوق العاده پیشرفته شناسایی می کند. این کار از طریق اندازه گیری فاصله میان سه جرم فلزی انجام می شود فاصله ای که با لیزرهایی به طول 5 میلیون مایل (8 میلیون کیلومتر) اندازه گیری می شود و هر بازوی مثلث LISA تقریباً 1.6 میلیون مایل (2.5 میلیون کیلومتر) طول دارد.

لیزرها تنها جزئی از طراحی پیچیده LISA هستند؛ آن ها وظیفه اندازه گیری فاصله بین سه مکعب فلزی را بر عهده دارند. این مکعب ها از آلیاژ طلاپلاتین تولید شده اند تا تأثیر میدان های مغناطیسی خارجی را به حداقل برسانند. هدف این است که LISA به همراه این مکعب ها در فضایی کاملاً عاری از هر نوع نیروی خارجی حرکت کند و فقط تحت تأثیر امواج گرانشی و تحولات ناشی از فضازمان قرار گیرد.

دکتر ساویک فورد، اخترفیزیک دان از موزه تاریخ طبیعی آمریکا، می گوید: “ایده اصلی این است که این مکعب ها را در فضا مستقر کنیم و هیچ نیروی خارجی را احساس نکنند، بلکه فقط حس حضور در فضازمان را تجربه نمایند. و این بخش آخر، چالش اصلی ماست.”

او افزوده است: “شما باید فضاپیما را به گونه ای تنظیم کنید که همواره در حرکت همزمان با این مکعب ها باقی بماند؛ چرا که اگر فضاپیما از مسیر خود منحرف شود و به مکعب ها برخورد کند، تمام کارها زیر سؤال خواهد رفت.”

تکنیک های فنی مورد نیاز برای این پروژه بسیار پرتلاش و پیچیده بوده و جیک پستگیلیونه، یکی از دانشجویان ساویک، با ارائه شبیه سازی جالبی می گوید: “چالش ما به گونه ای شبیه این است که بخواهید لیزری را از نیویورک به لس آنجلس شلیک کنید اگر زمین کاملاً صاف بود و هدف قرار دادن یک مگس میوه در حال حرکت را بزنید. در حالتی که هم لیزر و هم مگس در حرکت هستند!”

فورد در ادامه بیان می کند: “این چالش مهندسی واقعاً حیرت آور است و خوشبختانه متخصص من نیست.”
در این پروژه، ناسا مسؤلیت طراحی مؤلفه های مختلف تجهیزات LISA نظیر سیستم لیزری و تلسکوپ ها را بر عهده دارد.

 چرا باید در فضا باشیم؟

رصدخانه های امواج گرانشی بر اساس فرکانس اجرامی که قابلیت تشخیص آن را دارند، تقسیم بندی می شوند. رصدخانه های زمینی مانند همکاری های LIGO، Virgo و KAGRA برای شناسایی فرکانس های بالا که به طور معمول مربوط به اجرام کوچکتر مانند سیاه چاله های ستاره ای است، طراحی شده اند. اما با افزایش جرم این اجرام به بیش از 200 برابر جرم خورشید، فرکانس آن ها به محدوده نویزهای زمین نزدیک می شود.

“در زمین یک مرز وجود دارد. نویز زمین به قدری فراوان است که خودش تبدیل به یک مشکل بزرگ می شود,” فورد توضیح می دهد. “برای رفع این مشکل، تنها راهکار موجود، رفتن به فضاست.”

تجهیزات موجود در زمین تنها قادر به شناسایی دامنه خاصی از امواج هستند. در اینجا است که LISA به عنوان یک کلید اساسی وارد عمل می شود و توانایی تشخیص امواج گرانشی با فرکانس پایین همان طور که ناشی از ادغام سیاه چاله های بسیار سنگین هستند را خواهد داشت.

نظارت بر امواج گرانشی و کشف معماهای کیهانی

رصدهای LISA شرایطی را فراهم می آورد که ما بتوانیم امواج گرانشی ناشی از ادغام سیاه چاله های عظیم و دیگر پدیده های کیهانی را مورد مطالعه قرار دهیم. این امواج اطلاعاتی بنیادین از چگونگی شکل گیری ستارگان، کهکشان ها و عناصر سازنده کیهان در اختیار ما خواهند گذاشت.

سیاه چاله ها علاوه بر تأثیراتی که بر شکل گیری کهکشان ها دارند، ممکن است در توسعه نوع و تعداد ستارگان نیز تأثیرگذار باشند. آن ها گاهی به صورت “بی نظم” ماده های ستاره ای را به اطراف پرتاب می کنند که می تواند رفتار کیهان های پیرامونشان را تحت تأثیر قرار دهد.

به عنوان نمونه، مشاهدات تازه از تلسکوپ فضایی جیمز وب نشان داده است نقاط قرمز کوچکی که شواهدی از سیاه چاله های موجود در تاریخ اولیه کیهان هستند. آن ها چگونه در آن مقطع زمانی کوتاه به وجود آمده اند، هنوز یک معمای بزرگ است و داده های LISA احتمالاً به روشن شدن این موضوع کمک خواهند کرد.

LISA همچنین فرصتی فوق العاده برای آزمایش نظریه هایی مانند نسبیت عام اینشتین فراهم می آورد و به دقت این پیش بینی ها می افزاید. این پروژه با ارائه داده های واقعی از دنیای هستی، دیدگاه ما را نسبت به قوانین و معماهای بنیادی آن روشن خواهد کرد.

در حال حاضر که هنوز یک دهه تا پرتاب LISA باقی مانده است، دانشمندان با شبیه سازی داده ها خود را برای ورود به یک دوره جدید از کشف و اکتشاف کیهان آماده می کنند. LISA، یک گام بزرگ به سوی درک عمیق تری از معماهای پنهان کیهان است و می تواند برخی از بزرگ ترین رازهای عالم را در مقابل چشمان ما نمایان سازد.