لایگو بزرگترین رصدخانه امواج گرانشی جهان و یک
آزمایشگاه فیزیکی فوق پیشرفته،متشکل از دو نداخل سنج لیزری غول‌پیکر در
فاصله هزاران کیلومتری از یکدیگر است.
لایگو،مخفف رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری، (LIGO) از ویژگی‌های فیزیکی نور و فضا برای ردیابی و درک منشا امواج گرانشی بهره‌برداری می‌کند.
لایگو با هدف آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی در سال 1992 به صورت اشتراکی توسط کیپ تورن و رونالد درور از موسسه فناوری یا کلتک و رینر وایس از مؤسسه فناوری ماساچوست یا MIT، سه برنده نوبل فیزیک سال 2017، بنا شد. لیگو پروژه مشترکی بین دانشمندان MIT، کلتک و بسیاری از دیگر مراکز از 20 کشور مختلف جهان است. پشتیبان مالی این پروژه بنیاد ملی علوم است که هزینه‌ای برابر 365 میلیون دلار به ایجاد آن اختصاص داده‌است.
- نوبل فیزیک در دست کاشفان امواج گرانشی
اگرچه این آزمایشگاه با نام رصدخانه شناخته می‌شود، اما لایگو متفاوت با تمامی رصد‌خانه‌هایی است که تاکنون در زمین ساخته شده‌است. این تفاوت را با مقایسه تصاویر لایگو با یک رصدخانه معمولی نیز می‌توان متوجه شد.
لایگو برخلاف رصدخانههای معمولی هیچ گنبد و تلسکوپی ندارد،اما از آنجایی که در فضا به دنبال امواج گرانشی است، آن را رصدخانه می‌نامند. این آزمایشگاه در حقیقت بیشتر یک آزمایشگاه فیزیکی است تا نجومی،آزمایشگاهی فیزیکی با ابعادی بزرگ و پیچیدگی‌های بزرگترین شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای و آزمایشگاه‌های اتمی جهان.
باوجود اینکه ماموریت این مرکز ردیابی امواج گرانشی است، داده‌هایی که توسط این مرکز گرد‌آوری می‌شوند بر حوزه‌های فیزیکی مانند گرانش، نسبیت، فیزیک اخترشناسی، کیهان‌شناسی، فیزیک ذرات و فیزیک هسته‌ای تاثیری فراتر از حد تصور خواهند داشت.
با این‌همه از آنجایی که لایگو نام رصدخانه را به دنبال دارد بهتر است ابتدا تفاوت این مجموعه با رصد‌خانه‌هایی که در باور عمومی ثبت شده‌اند را بازگو کرد:
- لایگو نابینا است
برخلاف تلسکوپ‌های نوری و رادیویی، لایگو نمی‌تواند تشعشعات الکترومغناطیسی (نور مرئی، امواج رادیویی، ماکروویو) را مشاهده کند زیرا امواج گرانشی بخشی از طیف الکترومغناطیسی نیستند. در حقیقت تشعشعات الکترومغناطیسی برای لایگو به اندازه‌ای غیرضروری است که کاملا نسبت به آن عایق شده‌است و نمی‌تواند چیزی را ببیند، درعوض می‌تواند امواج گرانشی نامرئی را حس کند.
- لایگو کروی نیست
از آنجایی که این مجموعه نیازی به جمع‌آوری نور ستاره‌ها یا دیگر اجرام موجود در جهان را ندارد، نیازی به کروی بودن یا نیم کره‌ای بودن، شکل‌هایی که به جمع‌آوری بیشتر تشعشعات الکترومغناطیسی کمک می‌کنند، نخواهد بود. لایگو به جای داشتن چشمی شبیه به رصدخانه ةای نجومی،دارای دو گوش بلند به طول 4 کیلومتر است که از لوله‌های فولادی خلاء به قطر 1.2 متر تشکیل شده‌اند. این لوله‌ها به شکل L در کنار هم قرار گرفته‌اند و توسط لایه‌ای وسیع و ضخیم بتنی از جهان بیرون مجزا شده‌اند.
- لایگو به تنهایی کار نمی‌کند
اگرچه یک رصدخانه نجومی به تنهایی می‌تواند از پس جمع‌آوری اطلاعات برآید، رصدخانههای امواج گرانشی نمی‌توانند به تنهایی به رصد این امواج بپردازند. تنها راه قطعی ردیابی یک موج گرانشی،عملکرد هماهنگ با قل دیگری است که در فاصله‌ای دورتر قرار دارد تا به این شکل ارتعاشات محلی به اشتباه به عنوان امواج گرانشی تصور نشوند.
آزمایشی که در این رصدخانه انجام می‌شود تقریبا مشابه آزمایش مایکلسون-مورلی است. این پروژه از دو آشکارساز استفاده می‌کند. یکی از آنها در ایالت واشنگتن و دیگری در لوئیزیانا قرار گرفته است.
همانطور که گفته شد هر آشکارساز به شکل یک L خیلی بزرگ است، با دو بازو به طول 4 کیلومتر. نور لیزر درون هر بازو به طور مرتب بازتاب داده می‌شود. یک ساعت اتمی بسیار دقیق، مدت زمان رفت و برگشت نور لیزر از ابتدا به انتهای بازو را محاسبه می‌کند. در حالت عادی، هر دو بازو طولی برابر دارند بنابراین مدت زمان سفر نور در هر دو بازو یکسان است.
زمانی که یک موج گرانشی عبور می‌کند، فضا زمان در این منطقه مختل می‌شود، متناسب با منبع این موج و میزان قطبیدگی آن، عبور موج باعث تغییر طول در یک یا هردو بازو خواهد شد. این تغییر طول میان پرتوهای لیزری باعث می‌شود تا مقدار نور در بازوها با نوری که از مقابل می‌آید تداخل پیدا کند. به بیانی دیگر این مرکز به واسطه ردیابی اثرات این امواج در فضا-زمان به جستجوی آن می‌پردازد: زمانی که موجی عبور می‌کند، موجب انبساط فضا در یک جهت شده و در جهتی عمودی آن را منقبض می‌سازد.
لایگو ردیابی این تغییرات را با استفاده از تجهیزاتی به نام تداخل‌سنج انجام می‌دهد، این ابزار یک پرتو لیزری را به دو بخش تقسیم کرده هریک را به صورت عمودی به سمت دیگری شلیک می‌کند. اگر پرتوها مسافت‌های یکسانی را بپیمایند، به واسطه آینه‌هایی بازتابیده شده و بازگردند، باید در همان راستایی قرار داشته باشند که در ابتدا تابیده شده‌اند. اما عبور یک موج کیهانی از این میان می‌تواند مسافتی که هر پرتو نسبت به پرتو دیگر طی می‌کند را دچار تغییر سازد و زمانی که پرتوها به منبع خود باز می‌گردند، دانشمندان می‌توانند تغییراتی که در آنها رخ داده را ردیابی کنند.
با این همه امواج گرانشی می‌توانند بازوهای لیزری تداخل‌سنج را دچار تغییراتی بسیار کوچک سازند: تغییری به اندازه 1/10000 از عرض یک هسته اتم. برای پی بردن به چنین تغییر کوچکی لایگو باید می‌توانست تمامی دیگر منابع ایجاد نویز و پارازیت، از جمله زمین‌لرزه‌ها و ترافیک خیابان‌های نزدیک به مرکز را حذف کند. اگرچه این مرکز برای بیش از یک دهه در کشف امواج گرانشی ناموفق عمل کرد، اما ارتقایی که در سیستم آن ایجاد شد در نهایت به کشف این امواج کلیدی منتهی شد.
- چرا امواج گرانشی؟
امواج گرانشی در حقیقت رویکردی جدید برای رصد فضا هستند. برای مثال امکان ردیابی امواج ناشی از انفجار بزرگ را فراهم می‌آورند و می‌توانند اطلاعات بیشتری درباره چگونگی شکل‌گیری جهان هستی در اختیار دانشمندان قرار دهند. برخورد سیاهچاله‌ها، انفجار ابرنواختران و نوسانات ستاره‌های نوترونی نیز می‌توانند عامل ایجاد این امواج باشند. از این رو ردیابی امواج گرانشی می‌تواند دیدگاهی جدید از عوامل ایجاد کننده رویداد‌های کیهانی خلق کنند.
با کمک این امواج دانش نجوم متفاوت‌تر از همیشه خواهد شد. دانش نجوم با استفاده از این امواج راهکاری برای ردیابی اجرامی مانند سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی و اجرامی که شاید هنوز کسی از وجود آنها خبر ندارد، یافته‌است که از خود نور مرئی ساطع نمی‌کنند، به بیانی دیگر مرئی نبوده و با چشم قابل مشاهده نیستند؛ اما با کمک این امواج، چنین پدیده‌های نامرئی نیز قابل مطالعه خواهند‌شد.
در نهایت، امواج گرانشی می‌توانند به فیزیکدانان در درک قوانین بنیادین جهان هستی کمک کنند. این امواج در حقیقت بخشی کلیدی از نظریه نسبیت عام اینشتین به شمار می‌رود، با کشف آنها مدارکی بیشتر از حقیقی بودن سیاهچاله‌ها در اختیار دانشمندان قرار گرفته‌است، پدیده‌هایی که مدت‌ها است اخترشناسان را دچار سردرگمی کرده‌اند. به بیانی دیگر، این امواج تصویری کاملا متفاوت را از جهان هستی ترسیم خواهند‌کرد. دیوید ریتز از رصدخانه گرانشی-تداخل‌سنجی لیزری،لایگو، میگوید این اولین باری است که جهان از طریق امواج گرانشی با ما سخن میگوید، ما تا به امروز نسبت به این امواج ناشنوا بوده‌ایم.