آیا گرانش می‌تواند مانند شراره خورشیدی رفتار کند؟

به گزارش مجله خبری نگار/اطلاعات آنلاین، بیش از یک قرن پس از اینکه اینشتین درک ما از گرانش را متحول کرد، دانشمندان پدیده جدیدی را کشف کردند که در معادلات او پنهان شده بود. محققان دانشگاه کلمبیا و دانشگاه آدولفو ایبانز، فرآیندی نظری به نام «اتصال مجدد گرانشی» را شناسایی کرده‌اند که در آن ساختار‌های درون میدان‌های گرانشی می‌توانند از هم جدا شده و دوباره به هم متصل شوند و انرژی را به ماده منتقل کنند.

بیش از ۱۰۰ سال پس از آنکه آلبرت اینشتین نظریه گرانش خود را مطرح کرد، فیزیکدانان از یک احتمال شگفت‌انگیز که در معادلات او پنهان شده بود، پرده برداشتند. کار آنها نشان می‌دهد که میدان‌های گرانشی می‌توانند فرآیندی را طی کنند که در آن ساختار‌های زیرین آنها شکسته و دوباره متصل می‌شوند و به انرژی اجازه می‌دهند از گرانش به ماده جریان یابد.

این پدیده که به عنوان "اتصال مجدد گرانشی" شناخته می‌شود، شباهت غیرمنتظره‌ای به فرآیندی دارد که مسئول برخی از قدرتمندترین فوران‌های خورشید است. محققان معتقدند که این ارتباط می‌تواند بینش‌های جدیدی در مورد نحوه رفتار گرانش در شرایط شدید، از جمله در هنگام برخورد بین سیاهچاله‌ها، ارائه دهد.

این کشف توسط «لوکا کومیسو»، دانشمند محقق وابسته در دانشکده‌های نجوم و فیزیک دانشگاه کلمبیا و آزمایشگاه اخترفیزیک کلمبیا و «فیلیپه آ. آسنخو» از دانشگاه آدولفو ایبانز در شیلی انجام شده است. آنها با بررسی معادلات اینشتین از یک دیدگاه ریاضی متفاوت، شباهت قابل توجهی بین گرانش و رفتار گاز‌های باردار الکتریکی معروف به پلاسما شناسایی کردند.

رویکرد آنها می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا قوانین اساسی حاکم بر رفتار میدان‌های گرانشی را کشف کنند. چنین بینش‌هایی به ویژه در مناطقی که گرانش به شدت فضا-زمان را تحریف می‌کند، ارزشمند هستند و حتی تفسیر قدرتمندترین شبیه‌سازی‌های کامپیوتری را دشوار می‌کنند.

چگونه گرانش می‌تواند مانند یک شراره خورشیدی رفتار کند؟

کلید درک این کشف در پدیده‌ای شناخته شده به نام اتصال مجدد مغناطیسی نهفته است. میدان‌های مغناطیسی اغلب با استفاده از خطوط منحنی، مانند الگو‌هایی که توسط براده‌های آهن در اطراف یک آهنربا یا حلقه‌های مغناطیسی عظیم که بالای سطح خورشید امتداد دارند، نشان داده می‌شوند.

در پلاسما، که از ذرات باردار الکتریکی تشکیل شده است، این خطوط میدان مغناطیسی می‌توانند امتداد یافته، پیچ خورده و کشیده شوند. تحت شرایط خاص، آنها دچار تغییر ناگهانی در اتصالات خود می‌شوند و انرژی مغناطیسی ذخیره شده را به ذرات اطراف آزاد می‌کنند. این فرآیند به شراره‌های خورشیدی نیرو می‌دهد و در میان مهمترین مکانیسم‌های آزادسازی انرژی در سراسر جهان قرار دارد.

کومیسو گفت: "اتصال مجدد مغناطیسی زمانی است که این خطوط میدان، در برخی پیکربندی‌های خاص، شکسته و دوباره در پیکربندی متفاوتی متصل می‌شوند. وقتی شکسته و دوباره متصل می‌شوند، انرژی آزاد می‌کنند. "

انتقال انرژی حاصل می‌تواند رویداد‌های فوق‌العاده قدرتمندی ایجاد کند. همانطور که کومیسو توضیح داد، «این میدان انرژی را از میدان مغناطیسی می‌گیرد و به ذرات موجود در پلاسما می‌دهد و باعث انفجار‌ها و رویداد‌های پرانرژی می‌شود.»

محققان دریافتند که میدان‌های گرانشی ممکن است دچار یک تبدیل مشابه شوند. با این حال، گرانش در فضا-زمان چهاربعدی اینشتین عمل می‌کند که شامل سه بعد فضا و یک بعد زمان است. این امر ساختار ریاضی زیربنایی آن را با ساختار یک میدان مغناطیسی معمولی متفاوت می‌کند.

اتصال مجدد گرانشی و تار و پود فضا-زمان

کومیسو توضیح داد: «از آنجا که فضا-زمان چهاربعدی است نه سه بعدی، گرانش شامل چیزی شبیه به «صفحات» میدان است نه خطوط میدان. اضافه کردن یک بعد به یک خط، یک صفحه به شما می‌دهد. می‌توانید آن را به عنوان کنار هم قرار دادن خطوط زیادی برای تشکیل یک «صفحه» در نظر بگیرید.»

در این توصیف ریاضی، گرانش به جای خطوط میدان منفرد، توسط صفحات نمایش داده می‌شود. همانطور که خطوط میدان مغناطیسی می‌توانند اتصالات خود را تغییر داده و انرژی آزاد کنند، این صفحات گرانشی نیز می‌توانند اتصالات خود را تحت شرایط مناسب بازآرایی کنند.

نکته مهم این است که صفحات، نمایش‌های ریاضی هستند، نه سطوح فیزیکی که به معنای واقعی کلمه از هم جدا می‌شوند. اتصال مجدد آنها روشی را برای میدان گرانشی جهت انتقال انرژی به ماده توصیف می‌کند.

محققان با بررسی ویژگی‌هایی از معادلات اینشتین که در شکل ریاضی معمول خود واضح نیستند، به این نتیجه رسیدند. کار آنها بر اساس تحقیقات قبلی است که محدودیت‌های ناشناخته قبلی در مورد چگونگی خم شدن، کشش و تغییر فضا-زمان در طول زمان را آشکار کرد.

قوانین پنهان در معادلات اینشتین

این مطالعه جدید با عنوان "اتصال مجدد میدان‌های گرانشی" در مجله Physical Review D، مجله‌ای از انجمن فیزیک آمریکا، منتشر شد. این مطالعه یافته‌های یک مطالعه قبلی منتشر شده در Physical Review Letters توسط کومیسو، آسنجو و ماریکارمن‌ای. وینکلر را گسترش می‌دهد.

آن کار قبلی، محدودیت‌های ریاضی را شناسایی کرد که تعیین می‌کنند کدام تغییرات در هندسه فضا-زمان امکان‌پذیر است. اگرچه این محدودیت‌ها در نظریه اینشتین گنجانده شده‌اند، اما قبلاً به این شکل شناخته نشده بودند.

آسنجو گفت: "معادلات اینشتین شامل محدودیت‌هایی در مورد چگونگی تکامل فضا-زمان هستند که بلافاصله آشکار نیستند. با آشکار کردن این ویژگی‌های جدید پنهان، می‌توانیم شروع به درک قوانین اساسی حاکم بر نحوه رفتار این فرآیند اتصال مجدد گرانشی کنیم. "

در آخرین تحقیقات خود، کومیسو و آسنجو بررسی کردند که وقتی شرایط ایده‌آلی که معمولاً اتصالات را در ساختار‌های میدان گرانشی حفظ می‌کنند، دیگر برقرار نیستند، چه اتفاقی می‌افتد. آنها دریافتند که این اتصالات می‌توانند تغییر کنند و پدیده‌ای را ایجاد کنند که آنها اتصال مجدد گرانشی می‌نامند.

کومیسو گفت: «برخی مفاهیم در معادلات پنهان هستند و صرفاً با نگاه کردن به آنها نمی‌توان آنها را به راحتی درک کرد. شما باید آنها را به روشی متفاوت بازنویسی کنید و سپس می‌توانید از آن رفتار بهره‌برداری کنید.»

چرا فیزیک پلاسما سرنخ‌های جدیدی در مورد گرانش ارائه می‌دهد؟

این موفقیت به فرمول‌بندی ریاضی متفاوتی از معادلات اینشتین که توسط فیزیکدانان در سال‌های اخیر توسعه داده شده است، بستگی دارد. اگرچه این فرمول‌بندی از متغیر‌های متفاوتی استفاده می‌کند، اما از نظر ریاضی معادل معادلات اصلی است و همان فیزیک اساسی را توصیف می‌کند.

آنچه آن را به ویژه مفید می‌کند، شباهت آن به معادلاتی است که برای مطالعه پلاسما استفاده می‌شوند. این گاز‌های دارای بار الکتریکی، خورشید را تشکیل می‌دهند، در آزمایش‌های همجوشی هسته‌ای استفاده می‌شوند و بخش زیادی از فضای بین ستارگان را اشغال می‌کنند.

کومیسو حرفه خود را وقف درک رفتار پلاسما کرده است. وقتی او و همکارانش شباهت‌های ریاضی بین فیزیک پلاسما و گرانش را تشخیص دادند، متوجه شدند که روش‌های توسعه‌یافته برای مطالعه میدان‌های مغناطیسی می‌توانند خواص قبلاً نادیده گرفته شده میدان‌های گرانشی را نیز آشکار کنند.

این رویکرد به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا الگو‌ها و محدودیت‌های حاکم بر فضا-زمان را بدون نیاز به حل هر بخش از معادلات اینشتین شناسایی کنند.

کومیسو گفت: «این به ما کمک می‌کند تا برخی از الگو‌های فضا-زمان را پیش‌بینی کنیم. حتی بدون انجام محاسبات کامل، می‌دانیم که فضا-زمان باید به شیوه‌ای خاص رفتار کند و باید آن محدودیت‌ها را برآورده کند.»

به جای تکیه کامل بر محاسبات عددی پیچیده، محققان می‌توانند از این قوانین اساسی برای تعیین اینکه کدام رفتار‌ها از نظر فیزیکی ممکن هستند، استفاده کنند. این می‌تواند دیدگاه جدید و ارزشمندی در مورد رویداد‌های گرانشی که مدل‌سازی آنها فوق‌العاده دشوار است، ارائه دهد.

بازپیوند گرانشی چه معنایی برای سیاه‌چاله‌ها می‌تواند داشته باشد؟

یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربرد‌ها شامل برخورد سیاه‌چاله‌ها است. وقتی دو سیاه‌چاله به هم نزدیک می‌شوند و ادغام می‌شوند، میدان‌های گرانشی عظیم آنها اعوجاج‌های شدیدی در فضا-زمان ایجاد می‌کنند.

برای درک این رویدادها، اخترفیزیکدانان معمولاً به شبیه‌سازی‌های عظیم ابررایانه‌ها تکیه می‌کنند. محققان شرایط اولیه را مشخص می‌کنند، نحوه تغییر سیستم را در طول زمان محاسبه می‌کنند و رفتار حاصل را بررسی می‌کنند.

این شبیه‌سازی‌ها به دانشمندان کمک می‌کنند تا امواج گرانشی تولید شده توسط ادغام سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی کنند. امواج گرانشی، موج‌هایی در فضا-زمان هستند که می‌توانند توسط ابزار‌هایی مانند رصدخانه موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) شناسایی شوند، که برای اندازه‌گیری اعوجاج‌های فوق‌العاده کوچک تولید شده توسط رویداد‌های کیهانی قدرتمند طراحی شده است.

قوانین تازه شناسایی شده حاکم بر میدان‌های گرانشی می‌توانند با آشکار کردن الگو‌هایی که در غیر این صورت تشخیص آنها دشوار است، این شبیه‌سازی‌ها را تکمیل کنند. آنها همچنین ممکن است به محققان کمک کنند تا نحوه انتقال انرژی در برخی از شدیدترین تعاملات گرانشی جهان را بهتر درک کنند.

در حال حاضر، اتصال مجدد گرانشی همچنان یک یافته نظری است. دانشمندان هنوز مشخص نکرده‌اند که این فرآیند چگونه در محیط‌های اخترفیزیکی واقعی عمل می‌کند یا اینکه آیا اثرات آن قابل مشاهده است یا خیر.

گام بعدی بررسی اتصال مجدد گرانشی در موقعیت‌های خاص است؛ به ویژه هنگامی که سیاهچاله‌ها ادغام می‌شوند. کومیسو امیدوار است که این تحقیق در نهایت امکان تخمین میزان انرژی آزاد شده توسط چنین رویداد‌هایی را فراهم کند و مشخص کند که آیا اتصال مجدد گرانشی، امضا‌های قابل تشخیصی در سیگنال‌های موج گرانشی ایجاد می‌کند یا خیر.

اگر این پیش‌بینی‌ها بتوانند توسعه یافته و آزمایش شوند، این رویکرد می‌تواند راهی جدید و قدرتمند برای بررسی رفتار گرانش در شرایط سخت ارائه دهد و فیزیک پنهان در معادلات صد ساله اینشتین را آشکار کند.