10 دقیقه
چیزی در عمقِ فشردهٔ مرکز کهکشان راه شیری همچون ساعتی تیکتاک میکند، و ستارهشناسان میخواهند بدانند آیا این سیگنال میتواند به بازنویسی چند فصل از کتابهای گرانش کمک کند یا خیر. آن تیکتاک — یک پالس 8.19 میلیثانیهای که توسط پروژهٔ Breakthrough Listen در رصدِ مرکز کهکشان (Galactic Center Survey) آشکار شد — از جهتی بسیار نزدیک به سیگنوس آ* (Sagittarius A*)، سیاهچالهٔ اَبَرجرم کهکشان ما، آمده است. اگر این سیگنال در نهایت یک پالسر میلیثانیهای واقعی در مدارِ نزدیک باشد، یکی از ارزشمندترین آزمایشگاههای طبیعی برای آزمون نسبیت عام خواهد بود.
تصویر هنری از تلسکوپ گرینبنک در حال جمعآوری داده از مرکز کهکشان راه شیری. تصویر کوچک نشاندهندهٔ سیاهچالهٔ مرکز کهکشان و یک نامزد پالسر نزدیک (تأییدنشده) است.
پالسرها هستههای فروپاشیدهٔ ستارگانِ پرجرماند — ستارگان نوترونی به اندازهٔ یک شهر که جرمی بیش از جرم خورشید در خود جای دادهاند. آنها به دور خود میچرخند و میدانهای مغناطیسی بسیار قویشان تابش رادیویی را در قالب پرتوهای باریکی هدایت میکند. وقتی این پرتوها از مقابل زمین عبور میکنند، تلسکوپهای رادیویی پالسهایی بسیار منظم ثبت میکنند. پالسرهای میلیثانیهای صدها بار در ثانیه میچرخند؛ دقت زمانی آنها آنها را به ساعتهایی فوقالعاده پایدار تبدیل میکند. کوچکترین آشفتگی در زمانِ رسیدن پالسها میتواند تأثیرات پنهانی را آشکار کند: همراهان مداری، پلاسما درون میانستارهای، یا خمیدگی خود فضا-زمان.
پالسرها به دلیل ثبات زمانیِ بالا و حساسیت تلسکوپهای رادیویی، ابزارهایی طلایی در اخترفیزیک رصدی و آزمایش نظریههای گرانشی هستند. کشف یک پالسر میلیثانیهای در محیط پیچیده و پراکندهٔ مرکز کهکشان میتواند به ما اجازه دهد تا اثرات ریز گرانشی را با دقتی چند برابر بررسی کنیم؛ از تأخیر زمانیِ شاپیرو تا انتقالِ به سرخ گرانشی و رفتار قابِ فضا در حضور جرمهای چرخان.
در ادامه، توضیحات فنیتر، چگونگی تأیید این نامزد، و اهمیتِ انتشار دادههای رصدی عمومی را بررسی میکنیم تا تصویر روشنتری از پیامدهایِ احتمالیِ وجود یک پالسر میلیثانیهای در نزدیکی سیگنوس آ* به دست آید. همچنین چالشهای مشاهدهای، الگوریتمهای تحلیلِ سیگنال، و مسیرهای پژوهشی آینده توضیح داده خواهد شد؛ اطلاعاتی که برای پژوهشگرانِ اخترفیزیک، دانشجویان و علاقهمندان علم گرانش مفید است.
چرا وجود پالسر نزدیک سیگنوس آ* اهمیت دارد
تصور کنید دقیقترین ساعتی را که در اختیار دارید درست کنار یک چاه گرانشی به وسعتِ تریلیونها کیلومتر قرار دهید. این همان وعدهای است که کشفِ یک پالسر میلیثانیهای در مدار نزدیک سیگنوس آ* میدهد. سیگنوس آ* تقریباً چهار میلیون برابر جرم خورشید را در حجمی فشرده جمع کرده است که اندازهای کمتر از سامانهٔ خورشیدی ما دارد. نسبیت عامِ اینشتین پیشبینی میکند که چگونه فضا-زمان باید خم شود و چگونه نور — یا پالسهای رادیویی — هنگام گذر از نزدیکی چنین جرمی باید با تاخیر، انحراف یا شیفتِ فرکانسی مواجه شود.
یک پالسر میلیثانیهای در مدار تنگ این امکان را فراهم میآورد که اخترفیزیکدانان پدیدههایی مانند:
- تاخیر شاپیرو (Shapiro delay) — تاخیر زمانیِ نسبیتی که وقتی پالسها از کنار یک جرم عظیم گذر میکنند رخ میدهد،
- انتقال به سرخ گرانشی (gravitational redshift) — تغییر فرکانسِ پالسها در میدانِ گرانشی قوی،
- و احتمالاً کششِ چارچوب یا «فِریم-درَگینگ» (frame dragging) — اثرِ پیچاندنِ فضا-زمان توسط جرمِ در حال چرخش،
را با دقتی بیسابقه اندازهگیری کنند. این اندازهگیریها نه تنها نظریهٔ اینشتین را در شرایطی شدید و غیرمتعارف تحت آزمون قرار میدهند، بلکه محیطِ بلافصلِ اطراف سیاهچاله را هم کاوش میکنند: چگالیِ ستارگان، توزیعِ بقایای تاریک (مانند ستارگان نوترونی و سیاهچالههای ستارهوار)، و پراکندگی سیگنالها توسط پلاسما و هرجومرجِ تلاطمآمیزِ میانستارهای.
به طور خاص، حضورِ یک پالسر در گردش به دور سیگنوس آ* میتواند به ما کمک کند تا پارامترهای مداری مانند نیممحورِ بزرگ، خروج از تقارنِ مدار، زاویهٔ میل و همچنین تغییراتِ طولِ موج ناشی از محیط پلاسما را بیابیم. این اطلاعات برای ساختِ مدلهایی از تطور پویا و تاریخچهٔ تجمع جرم در قلب کهکشان حیاتی است و میتواند نشان دهد آیا هستهٔ کهکشان مجموعهای از بقایای سنگین انباشته را در خود جای داده یا خیر.
در عمل، اندازهگیریِ چنین سیگنالی به دانشمندان اجازه میدهد تا بین مدلهای مختلفِ گرانشیِ جایگزین و نسخهٔ کلاسیکِ نسبیت عام تمایز قائل شوند؛ به ویژه در مناطقی که میدان گرانشی بسیار قوی و نرخهای چرخشِ بالا وجود دارد. به عبارت دیگر، یک پالسر میلیثانیهای نزدیک سیگنوس آ* میتواند مانند یک ابزارِ آزمایشگاهیِ طبیعی عمل کند که قوانین فیزیک را در حدّ افراطی بررسی میکند.
محققانِ دانشگاه کلمبیا به سرپرستی کارن آی. پرز این نامزد را در نشریهٔ The Astrophysical Journal گزارش کردند. همنویسندهٔ مقاله، سلاوکو بوگدانوو، اشاره کرد که تأثیرات خارجی بر روی پالسر «اختلالاتی در این نظمِ پایدارِ ورودِ پالسها ایجاد میکنند که میتوان آنها را اندازهگیری و مدلسازی کرد.» خلاصه اینکه: انحرافات کوچکِ زمانی تبدیل به سرنخهای بزرگ میشوند.
افزون بر این، شناسایی چنین نامزدی فرصتِ بینظیری برای کالیبره کردنِ فنونِ نوینِ دادهکاوی و پردازش سیگنال فراهم میآورد. ابزارهای مدرنِ فیلترینگ، الگوریتمهای حذف اختلال (RFI mitigation)، و روشهای جداسازی پالس از نویز نیازمند دادههای واقعی و چالشبرانگیز هستند تا اعتبارسنجی شوند؛ دادههایی که مرکزِ کهکشان با پراکندگیها و اختلالاتِ شدید فراهم میکند.
پیگیری، تأیید و دادههای باز
کشف تنها گام نخست است. نامزدهای پالسر میتوانند خود را بهعنوان تداخلهای زمینی، پاسخِ گذرا از منابع دیگر، یا نویز تصادفی بپوشانند. تأییدِ منشاءِ حقیقی به معنای رصدهای تکراریِ رادیویی در فرکانسها و زمانهای مختلف، حذف دقیقِ اختلالات، و تحلیلِ زمانی است تا مشخص شود آیا ریتم 8.19 میلیثانیهای پایدار میماند یا نه.
تلسکوپ گرینبنک، که در پروژهٔ Breakthrough Listen بهکار گرفته شده، حساسیت لازم برای دنبالکردن چنین پیگیریهایی را داراست. بهعلاوه، وجود آرایهای از باندهای فرکانسی و سامانههای پردازشگرِ سیگنالِ پیشرفته به تیمها اجازه میدهد تا ویژگیهایی همچون معیار پراکندگی (dispersion measure)، تغییرات فازِ کوتاهمدت و طولانیمدت، و اثرات ناشی از پراکندگیِ میانستارهای را بررسی کنند.
نکتهٔ مهم اینکه Breakthrough Listen دادههای مشاهدهای را بهصورت عمومی منتشر کرده تا گروههای تحقیقاتی در سراسر جهان بتوانند آنها را بازبینی، مقایسه و با الگوریتمهای جستجوی جایگزین تحلیل کنند. این شفافیتِ دادهای سرعتِ تأیید را افزایش میدهد و رویکردهای تازهای را برای حذف اثرات پراکندگی، سنتز سیگنال و تشخیص پالس در دلِ ابهامِ مرکز کهکشان ترغیب میکند.
مراحلِ معمولِ تأیید شاملِ:
- رصدهایِ تکراریِ چند-باندی برای بررسیِ ثباتِ فرکانس و زمانِ پالسها،
- بررسیِ معیار پراکندگی (DM) برای تعیینِ فاصلهٔ تقریبی و قرارگیری در نزدیکی مرکز کهکشان،
- تحلیلِ مداری برای آشکارسازیِ هرگونه تغییر فاز یا پارامترهای مداریِ کوتاهمدت که نشاندهندهٔ یک منشأ مداری باشد،
- و استفاده از روشهای پیشرفتهٔ حذف نویز و تفکیک منابعِ همزمینه.
نتایجِ بعدی کاملاً وابسته به آنچه دادهها نشان میدهند است. اگر رصدهای تکراری پالسها را با زمانبندی و معیار پراکندگیِ سازگار بازتولید کنند و موقعیتِ منبع را نزدیکِ مرکز کهکشان قرار دهند، اخترشناسان کمپینهای زمانبندی بلندمدت را آغاز خواهند کرد. این کمپینها در طول ماهها و سالها پارامترهای مداری را پالایش کرده و نشانههای نسبیتی را بیرون میکشند. حتی چند سالِ رصد منظم میتواند به اندازهگیریِ مؤلفههای دقیقِ مداری، نقشهبرداریِ توزیعِ جرمِ اطراف سیاهچاله و آزمون پارامترهای نسبیتی منتهی شود.
اگر نامزد تأیید نشود، دادهها همچنان محدودیتهایی مهم دربارهٔ جمعیتِ پالسرها در حوالی سیگنوس آ* فراهم میکنند و راهبردهای آتیِ پیمایش را هدایت خواهند کرد. بهعبارت دیگر، حتی عدم تأیید نیز اطلاعاتِ ارزشمندی دربارهٔ فراوانی و توزیعِ اجسام فشرده و اثراتِ محیطیِ پراکندگی به دست میدهد که برای طراحیِ رصدهای آینده ضروری است.
همچنین انتشار دادهٔ خامِ رصدی به محققان امکان میدهد تا از تکنیکهای نوینِ یادگیریِ ماشین و الگوریتمهای جستجوی تطبیقی استفاده کنند تا سیگنالهای ضعیفتر یا پیچیدهتری را شناسایی نمایند؛ سیگنالهایی که ممکن است با روشهای سنتی از دست بروند. این نوع همکاریِ باز و مقایسهٔ روششناختی میتواند سرعتِ پیشرفت علمی را در این حوزه افزایش دهد.
دیدگاهِ کارشناسان
«یافتن یک پالسر میلیثانیهای آنقدر به سیاهچالهٔ اَبَرجرم نزدیک یک هدیهٔ نادر برای فیزیک خواهد بود،» دکتر لینا اورتگا، اخترفیزیکدانی که دینامیکِ اجرام فشرده را مطالعه میکند، میگوید. «حتی چند اندازهگیری دقیقِ زمانی میتواند بین مدلهای نسبیتیِ ظریف تمایز قائل شود و نشان دهد آیا جرمهای پنهانِ بیشتری در حوالی هستهٔ کهکشان گردش میکنند یا خیر. این مثل این است که هنگام تلاش برای خواندن اعوجاجِ فضا-زمان از یک ساعتِ مچی به یک ساعتِ اتمی ارتقاء پیدا میکنید.»
نامزدِ نزدیک سیگنوس آ* در تقاطعِ فناوری و نظریه قرار دارد: ابزارهای رادیویی با حساسیت بالا، پردازشگرهای سیگنالِ پیشرفته، و دههها پیشبینیِ نسبیتی. فرقی نمیکند آن جسم در نهایت یک پالسر میلیثانیهای باشد یا تقلبی؛ جستجو نقشهٔ ما از مرکز کهکشان را تنگتر میکند و ابزارهایی را که برای آزمون گرانش در شدیدترین محیطها به کار میبریم تیزتر میسازد.
در سطحِ فنیتر، برخی از زمینههایی که انتظارِ پیشرفت در آنها میرود عبارتاند از:
- بهبود الگوریتمهای حذف نویز و جداسازی رفتهرفتهٔ پالس از پسزمینهٔ نوفه،
- اندازهگیریِ دقیقِ معیار پراکندگی و مدلسازیِ پراکندگی پلاسما برای تفسیرِ بهترِ زمانبندیِ پالسها،
- استفادهٔ همزمان از چند تلسکوپ برای تعیین موقعیتِ دقیقِ منبع و کاهش عدمقطعیتهای مشاهداتی،
- و اجرای کمپینهای رصدیِ بلندمدت برای استخراج سیگنالهای نسبیتیِ آرام اما خطی در طول زمان.
در پایان، هر نتیجهای که از این نامزد بهدست آید، افقهای جدیدی برای مطالعهٔ گرانشِ قوی، دینامیکِ محیطِ مرکزیِ کهکشان، و تکنیکهای نوینِ رصدی میگشاید. این تلاش نمونهٔ بارزی از نحوهٔ همافزاییِ دادهٔ باز، فناوریِ پیشرفته و نظریهٔ بنیادین است که میتواند درکِ ما را از جهانی که در آن زندگی میکنیم عمیقتر کند.
منبع: scitechdaily
نظرات
پیمان
متن خوب جمعبندی کرده، حتی اگه نامزد رد بشه باز هم اطلاعات مفیدی میدیم. روشها باید بهتر بشن
آسترو
من روی سیگنالها کار کردهم، خیلی چیزها میتونن قلابی باشن، ولی دادههای باز امیدوارکنندهست
دیتاپالس
وااای، اینکه یک ساعت دقیق کنار یه سیاهچاله باشه واقعاً ذهنمو منفجر کرد... اگه واقعاً پالسر باشه چی میشه؟
ارسال نظر