Correlated and coincident noise in Einstein Telescope's triangular configuration

الجاذبية هي القوة الخفية التي تثبت أقدامنا على الأرض، لكنها أيضًا تتدفق عبر نسيج الزمكان عندما تصطدم الأجرام الضخمة. هذه التموجات، المعروفة باسم موجات الجاذبية، خافتة للغاية لدرجة أن اكتشافها يتطلب أدوات ذات دقة استثنائية. لقد أمضى العلماء عقودًا في بناء مقاييس التداخل الليزرية، وهي أجهزة تقيس التغيرات الطفيفة في المسافة عن طريق عكس الضوء بين المرايا. الجيل الحالي من هذه الكواشف، مثل تلك الموجودة في الولايات المتحدة وإيطاليا، يتخذ شكل حرف L، مع ذراعين طويلين يلتقيان عند زاوية قائمة. هذا التصميم يعمل بشكل جيد، ولكن بينما يخطط العلماء للجيل القادم من المراصد، فإنهم يواجهون خيارًا حاسمًا حول كيفية بناء الآلة الأكثر قوة ممكنة. أحد المقترحات هو بناء كاشفين منفصلين على شكل حرف L في مواقع مختلفة. أما الفكرة الأخرى الأكثر اندماجًا فهي بناء مثلث ضخم واحد تحت الأرض، بثلاثة أذرع تربط بين ثلاث نقاط. هذا التصميم المثلثي، المقترح لتلسكوب أينشتاين في أوروبا، يقدم خدعة رياضية فريدة: نظرًا لأن الأذرع الثلاثة تشكل حلقة مغلقة، فإن إشارات موجات الجبذبية التي تكتشفها ليست جميعها مستقلة. إذا جمعت الإشارات من جميع الأذرع الثلاثة معًا، فمن المفترض نظريًا أن تلغي موجات الجاذبية بعضها البعض، تاركة وراءها "تيارًا صفريًا" (null stream) لا يحتوي إلا على الضجيج.

لسنوات عديدة، كان يُنظر إلى هذا التيار الصفري كقوة خارقة محتملة. كان الأمل هو أنه من خلال النظر إلى قناة الضجيج فقط، يمكن للعلماء تحديد وطرح الاضطرابات غير المرغوب فيها من القنوات الأخرى، مما يؤدي فعليًا إلى تنقية البيانات لسماع همسات الكون الخافتة بوضوح أكبر. ومع ذلك، فإن دراسة جديدة أجراها يان هارمز تتحدى هذا التفاؤل. تشير الأبحاث إلى أن التكوين المثلثي يواجه فخًا خفيًا: البيئة التي تحيط بالكاشف تخلق ضجيجًا ليس عشوائيًا، بل هو ضجيج مشترك. تمامًا كما يمكن سماع ضوضاء عالية في غرفة من قبل كل من بداخلها، فإن الاهتزازات من الأرض وتقلبات المجالات المغناطيسية يمكن أن تؤثر على الأذرع الثلاثة للمثلث في الوقت نفسه. تبحث الدراسة فيما إذا كان هذا الضجيج المشترك يفسد فائدة التيار الصفري، محولًا إياه من أداة محتملة للوضوح إلى مصدر للارتباك.

لفهم المشكلة، يجب على المرء أولًا أن ينظر إلى كيفية عمل هذه الكواشف. تم تصميم تلسكوب أينشتاين ليكون بمثابة "آلة أكسليفون" من الأدوات، مع أزواج مختلفة من الأذرع مضبوطة لسماع الأصوات منخفضة التردد وعالية التردد من الكون. في الإعداد المثلثي، يوجد ستة من هذه المقاييس في المجمل. ركز الباحثون على أجهزة التداخل منخفضة التردد، وهي الأكثر حساسية للارتجاجات البطيئة والثقيلة للكون، ولكنها أيضًا الأكثر عرضة لتأثير الأرض. الأرض ليست ساكنة تمامًا؛ فهي تهتز مع الموجات الزلزالية، كما أن الأجهزة حساسة أيضًا للمجالات المغناطيسية التي يمكن أن تجذب المكونات المعدنية بالداخل. استخدم الفريق بيانات حقيقية من المواقع المرشحة للتلسكوب، بما في ذلك القياسات تحت الأرض من هولندا وسردينيا، لمحاكاة كيفية سلوك هذه الاضطرابات البيئية. لقد بنوا نموذجًا حاسوبيًا يولد ضجيجًا واقعيًا، بما في ذلك نبضات التداخل الحادة والمفاجئة المعروفة باسم "الخلل" (glitches)، والتي تشبه الإشارات التي يبحث عنها العلماء.

كشفت المحاكاة أن البيئة تخلق شبكة معقدة من الروابط بين الأذرع الثلاثة. عندما تضرب موجة زلزالية أو تقلب مغناطيسي الموقع، فإنها لا تؤثر على كل ذراع بمعزل عن الآخر. بدًا من ذلك، يكون الضجيج مترابطًا، مما يعني أن الاضطراب في أحد الأذرع مرتبط رياضيًا بالضجيج في الأذرع الأخرى. وجد الباحثون أن هذا الارتباط قوي بشكل خاص بالنسبة لأجهزة التداخل منخفضة التردد. في عمليات المحاكاة التي أجروها، لاحظوا أن هذه القوى البيئية ستنتج مئات الآلاف من حالات "الخلل" كل عام في كل جهاز. العديد من حالات الخلل هذه ستظهر في نفس الوقت في أذرع متعددة، ليس لأنها موجات جاذبية، بل لأن الأرض والمجال المغناطيسي يهزان الموقع بأكمله في آن واحد. وهذا يخلق عقبة كبيرة أمام اكتشاف الأحداث الكونية الحقيقية، حيث يمكن للضجيج أن يغرق الإشارة أو يخلق إنذارات كاذبة.

أما النتيجة الأكثر إثارة للدهشة فتتعلق بالتيار الصفري، وهو القناة التي يُفترض أن تختفي فيها إشارات موجات الجاذبية. كان الأمل الأصلي هو أن تعمل هذه القناة كمرجع مثالي للضجيج، مما يسمح للعلماء بطرحه من القنوات الأخرى. ومع ذلك، تظهر الدراسة أن هذا لا يعمل مع حالات الخلل البيئية. نظرًا لأن الضجيج ينتقل عبر الأرض والمجالات المغناطيسية، فإنه يصل إلى الأذرع المختلفة بتأخيرات طفيفة وتغيرات في الشكل. قد تضرب موجة اهتزازية ذراعًا أولًا، ثم تنتقل إلى الذراع التالية، مما يغير شكل موجتها في الطريق. وبناءً على ذلك، فإن حالة "الخلل" التي تظهر في التيار الصفري لا تشبه حالة "الخلل" في الأذرع الفردية. الأمر يشبه محاولة إلغاء صوت ما عن طريق تشغيل تسجيل له، ولكن التسجيل مشوه قليلاً وغير متزامن. وجد الباحثون أن التيار الصفري يفشل في توفير نموذج دقيق للضجيج في القنوات الأخرى، مما يجعله غير فعال لتنقية البيانات.

كما بحثت الدراسة في كيفية تأثير هذا الضجيج المترابط على القدرة على اكتشاف "الهمهمة الخلفية" لموجات الجاذبية، وهي إشارة تأتي من الضجيج المشترك لعدد لا يحصى من الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية في جميع أنحاء الكون. تشير النتائج إلى أن الضجيج المشترك بين الأذرع يخلق حدًا أساسيًا لمدى حساسية التلسكوب تجاه هذا الخلفية. حتى مع أفضل التقنيات، فإن الضجيج الناتج عن الأرض والمجالات المغناطيسية يضع أرضية لا يمكن للتلسكوب أن يرى دونها. قدر الباحثون أنه بدون تحسينات هائلة في العزل وإلغاء الضجيج، فإن قدرة التلسكوب على سماع هذه الإشارات الخافتة ستنخفض بشكل كبير. وقدروا أن عدد الإنذارات الكاذبة الناجمة عن حالات الخلل البيئية هذه قد يصل إلى مئات الآلاف سنويًا، مما يخلق "غابة" من الضجيج تجعل من الصعب العثور على الإشارات الحقيقية النادرة.

في الختام، خلصت الورقة البحثية إلى أن التكوين المثلثي، رغم أناقته النظرية، يحمل عبئًا ثقيلاً من الضجيج البيئي الذي لا يمكن حله بسهولة عبر التيار الصفري. ويرى الباحثون أن المثلث ليس محصنًا ضد المشكلات نفسها التي عانت منها الكواشف السابقة، حيث حدت الارتباطات بين الضجيج في الأجهزة المتقاربة من حساسية الكشف. تشير الدراسة إلى أنه لجعل تلسكوب أينشتاين يعمل كما هو مخطط له، سيتعين على المهندسين تطوير طرق جديدة لحماية الجهاز من اهتزازات الأرض والمجالات المغناطيسية، بما يتجاوز بكثير ما تم تحقيقه حتى الآن. لقد ثبت أن التيار الصفري، الذي كان يُنظر إليه ذات يوم كوسيلة مختصرة وذكية للحصول على بيانات أنقى، غير فعال ضد النوع المحدد من الضجيج الذي من المرجح أن يواجهه المثلث. ويتطلب المسار المستقبلي الاعتراف بأن الأرض نفسها هي شريك صاخب في البحث عن الصمت الكوني، وأن بناء تلسكوب أفضل يعني أولاً تعلم كيفية تهدئة الأرض القابعة تحته.