Looking for gravitational waves with orbital dynamics: GUEST mission and the $μ$Hz band of Gravitational Waves

على مدى عقود، استمعت البشرية إلى الكون بشكل أساسي من خلال الضوء. فمن الموجات الراديوية الطويلة القادمة من المجرات البعيدة إلى أشعة غاما عالية الطاقة الناتجة عن انفجار النجوم، رسمت التلسكوبات صورة للكون عبر كامل الطيف الكهرومغناطيسي. وقد كشفت كل نافذة جديدة في هذا الضوء عن عجائب غير متوقعة، من إشعاع الخلفية الكونية الميكروي إلى وجود الثقوب السوداء. لكن الضوء ليس الرسول الوحيد؛ فمنذ أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية، بدأ كون جديد غير مرئي في الكشف عن نفسه. هذه الموجات هي تموجات في نسيج الزمكان، ناتجة عن أكثر الأحداث عنفاً وطاقة في الكون، مثل اصطدام الثقوب السوداء. وبخلاف الضوء، الذي يمكن حجبُه أو تشتيته بواسطة الغبار والغاز، تمر موجات الجاذبية عبر الكون دون عائق، حاملةً معلومات نقية من لحظة نشأتها تماماً.

وحتى وقت قريب، كانت قدرتنا على سماع هذه التموجات مقتصرة على ترددات محددة. فقد رصدنا إشارات عالية النبرة ناتجة عن اندماج الثقب السوداء والنجوم النيوترونية، ووجدنا أدلة على همهمة منخفضة التردد ناتجة عن ثقوب سوداء فائقة الكتلة تدور حول بعضها البعض على مدار ملايين السنين. ومع ذلك، توجد فجوة صامتة شاسعة بين هذين الطرفين المتطرفين. هذه المنطقة المفقودة، والمعروفة بنطاق "الميكرو هيرتز"، تقابل أطر زمنية تتراوح من ساعات إلى أشهر. وهي منطقة قد يهمس فيها الكون بأسرار حول تشكل الثقبات السوداء الأولى، أو طبيعة المادة المظلمة، أو حتى فيزياء الكون المبكر. إن ملء هذه الفجوة هو التحدي الكبير التالي في علم فلك موجات الجاذبية، ويقترح مقترح جديد طريقة بسيطة بشكل مدهش للاستماع إليها.

توضح الورقة البحثية مفهوم مهمة تسمى "جيست" (GUEST)، وهي اختصار لـ "استكشاف الكون بالجاذبية عبر تتبع الأقمار الصناعية". وتعتمد الفكرة الجوهرية على مبدأ أساسي في الفيزياء: تماماً كما يهتز الشوكة الرنانة عندما تسمع صوتاً بنبرته الخاصة، يمكن لنظام مداري أن يتجاوب رنيناً مع موجة جاذبية إذا تطابق تردد الموجة مع إيقاع المدار. يقترح الباحثون وضع كرتين كثيفتين وخاملتين في مدارات بيضاوية شديدة الاستطالة حول الأرض. ستكون هاتان الكرتان مغطاتين بمرايا صغيرة تسمى "العاكسات الرجعية". ومن خلال توجيه حزم الليزر نحو هذه المرايا من محطات على الأرض، يمكن للعلماء تتبع الموقع الدقيق للكرات بدقة مذهلة. وإذا مرت موجة جاذبية عبر النظام، فإنها ستؤدي إلى تمدد وتقلص الفضاء بشكل طفيف، مما يسبب تذبذباً في المسافة بين الأرض والقمر الصناعي بنمط محدد. ولأن الأقمار الصناعية موجودة في مدارات مستطيلة، فإنها تعمل ككواشف رنينية، حيث تضاعف هذه التأثيرات الضئيلة بمرور الوقت حتى يمكن قياسها.

إن هذا المقترح يرتكز على حقيقة أن التكنولوجيا الحالية كافية لإنجاح هذا العمل، شريطة أن تكون معالجة البيانات متطورة بما يكفي. ستتضمن المهمة قمرين صناعيين، كل منهما عبارة عن كرة صلبة بحجم كرة الشاطئ الكبيرة تقريباً، وذات وزن كافٍ لمقاومة الدفع الناتج عن الرياح الشمسية أو السحب الجوي. سيتم وضعهما في مدارات تأخذهما من ارتفاع بضعة آلاف من الكيلومترات فوق الأرض إلى ما يقرب من تسعين ألف كيلومتر. هذا التباين العالي في المدار أمر بالغ الأهمية؛ فبينما تتسارع الأقمار الصناعية بالقرب من أقرب نقطة لها وتتباطأ عند أبعد نقطة، يخلق إيقاعها المداري حساسية طبيعية لنطاق "الميكرو هيرتز". وسيتم ترقية الشبكة العالمية لمحطات قياس المسافات بالليزر، التي تتبع حالياً أقماراً صناعية أخرى والقمر، لتتبع هذه الأجسام الجديدة لمدة عشر سنوات على الأقل. والتحدي لا يكمن في بناء أجهزة جديدة للفضاء، بل في تتبع أجسام تسافر لمسافات أبعد بكثير من المعتاد، وتطوير الأدوات الرياضية للفصل بين الإشارة الخافتة لموجة الجاذبية والضجيج المعقد للميكانيكا المدارية.

إن المكافآت المحتملة للاستماع إلى هذا النطما الترددي هائلة. فإذا كانت الإشارات التي رصدتها مصفوفات توقيت النبضات مؤخراً ناتجة بالفعل عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة، فإن إشارتها يجب أن تمتد إلى نطاق "الميكرو هيرتز" هذا، مما يوفر طريقة مباشرة لدراسة كيفية تشكل هذه العمالقة واندماجها. علاوة على ذلك، يعد هذا النطاق أرضاً خصبة للبحث عن فيزياء جديدة؛ إذ يمكنه الكشف عن إشارات من الكون المبكر، مثل التحولات الطورية التي حدثت عندما كان الكون مجرد جزء ضئيل من الثانية. كما يمكنه أيضاً رصد وجود الثقوب السوداء البدائية، وهي أجسام نظرية تشكلت أثناء الانفجار العظيم، أو حتى المادة المظلمة فائقة الخفة التي تتصرف كموجة بدلاً من جسيم. وتشير عمليات المحاكاة الواردة في الورقة إلى أن هذه المهمة يمكن أن تصل إلى حساسية تسمح لها بسبر أغوار هذه الظواهر، مما قد يمكنها من رؤية إشارات من ثقوب سوداء تبعد مليارات السنين الضوئية، أو رصد التأثير الخفي للمادة المظلمة على مدارات الأقمار الصناعية.

وبعيداً عن البحث عن الموجات الكونية، توفر المهمة فوائد فورية لفهمنا للجاذبية وللأرض نفسها. فالدقة المطلوبة لتتبع هذه الأقمار الصناعية من شأنها أن تحسن قياساتنا لمجال جاذبية الأرض والقيمة الدقيقة لثابت الجاذبية. كما ستسمح للعلماء باختبار قوانين الجاذبية بطرق مستحيلة حالياً، والبحث عن انحرافات ضئيلة قد تلمح إلى وجود قوى أو جسيمات جديدة. ويؤكد المؤلف أنه بينما المفهوم جاهز، فإن الطريق للمضي قدماً يتطلب عملاً دقيقاً؛ فهم يعملون حالياً على بناء تعاون لتطوير تقنيات تحليل البيانات، والانتقال من الطرق القياسية المستخدمة لرسم خرائط الأرض إلى طرق قادرة على اكتشاف النمو البطيء والتراكمي لإشارة موجة الجاذبية. وإذا نجحت، ستضيف مهمة "جيست" لوناً جديداً إلى سماء موجات الجاذبية، محولةً فجوة صامتة في معرفتنا إلى مصدر غني للاكتشاف حول الطبيعة الجوهرية للكون.