موج گرانشی

{gravitational wave} [فیزیک] میدان گرانشی منتشرشونده ای که در نظریۀ نسبیت عام پیش بینی شده است

در فیزیک، موج گرانشی موجی است که توسط میدان گرانشی تولید می شود. وجود این نوع از امواج توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ از طریق نظریهٔ نسبیت عام به طور نظری پیش بینی شد، و صدسال بعد، در سال ۲۰۱۶ به کمک تأسیسات لایگو به طور تجربی مشاهده گردید و در سال ۲۰۱۷سه دانشمند ( راینرویس، بری سی بریش وکیپ اس تورن ) به طورمشترک جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۷ را به دلیل تلاش های خود در زمینه آشکارساز لایگوو مشاهده امواج گرانشی دریافت کردند.
موج گرانشی به طور نظری انرژی تابش گرانشی را منتقل می کند. منابع موج های گرانشی قابل آشکارسازی شامل سیستم های ستاره دوتایی است که یکی از اعضای آن کوتوله سفید، ستاره نوترونی یا سیاه چاله باشد. وجود موج گرانشی یکی از عوارض ناوردایی لورنتز در نسبیت عام است. همچنین این باعث می شود که سرعت برهمکنش های گرانشی محدود باشد اما در فیزیک کلاسیک این گونه نیست. ردیابی امواج گرانشی در واقع دو نظریهٔ مهم فیزیک و کیهان شناسی را ثابت کرده است، فرضیهٔ نسبیت عام انیشتین که حدود صد سال پیش ( ۱۹۱۶ ) ارائه شد و نظریهٔ دیگری به نام نظریهٔ تورم کیهانی که در دههٔ هشتاد میلادی مطرح شد. امواج گرانشی چین های ریزی در تارو پود هستی هستند، مثل امواجی که اقیانوس را درمی نوردند.
در فیزیک مدرن، زمان، بعد چهارم جهان محسوب می شود. انیشتین دریافت که نمی توان دو مفهوم فضا و زمان را از هم جدا کرد و هندسه جهان چهار بعدی می باشد ( سه بعد فضا و یک بعد زمان ). او در تئوری نسبیت این هندسه را فضا - زمان نامید. گرانش یا جاذبه در این تئوری انحنایی در فضا - زمان است. این انحنا را جرم ایجاد می کند. هر چه جرم جسمی بیشتر باشد انحنای بزرگتری در فضا - زمان ایجاد می کند. این انحنا در واقع موقعیت جسم را مشخص می نماید. وقتی جسمی حرکت می کند، انحنایی که در فضا - زمان ایجاد می کند هم حرکت می کند.
برای اینکه این موضوع روشن شود، یک صفحهٔ بسیار نرم لاستیکی منعطف را در نظر بگیرید. اگر یک توپ بسکتبال را روی آن قرار بدهید، جرم زیاد آن باعث فرو رفتگی در صفحهٔ لاستیکی خواهد شد. حال کمی این توپ را بغلتانید تا از نقطهٔ A به نقطهٔ B برود؛ انحنای موجود در صفحهٔ لاستیکی نیز همراه با توپ جابجا خواهد شد و از A به B خواهد رفت. واضح است که نقطهٔ A دیگر انحنا نخواهد داشت و بالا خواهد آمد. این حرکت از پایین به بالای صفحه، باعث ایجاد نوعی موج می شود. در ساختار فضا - زمان، این موج، موج گرانشی نامیده می شود.
موج گرانشی (سیال). موج گرانشی در دینامیک سیالات، موجی است که در محیط سیال یا در سطح تماس بین دو محیط که نیروی گرانش یا شناوری میل به بازگرداندن تعادل دارد، ایجاد می شود. نمونه ای از چنین سطحی، میان جو و اقیانوس است که باعث برخاستن امواج ناشی از باد می شود.
هنگامی که یک جزء سیال روی سطح یا درون یک ناحیه با چگالی متفاوت جابجا می شود، گرانش تمایل دارد که آن را به حالت تعادل برگرداند. نتیجهٔ این تمایل، نوسان پیرامون حالت تعادل است. امواج گرانشی در سطح تماس آب و هوا امواج گرانشی سطحی یا امواج سطحی نامیده می شوند. از سوی دیگر، امواج گرانشی درون تودهٔ آب، مانند امواج ناشی از اختلاف چگالی، امواج درونی نامیده می شوند.
امواج گرانشی ناشی از باد روی سطح آزاد، دارای زمان تناوب بین ۰٫۳ تا ۳۰ ثانیه هستند. امواج کوتاه تر بر اثر کشش سطحی ایجاد می شوند و امواج مویینگی نام دارند. از سوی دیگر، امواج زیرگرانشی که ناشی از اندرکنش موج غیر خطی با موج ناشی از باد هستند، تناوب های بیشتر از امواج گرانشی ناشی از باد دارند.
سرعت فاز c یک موج گرانشی خطی با عدد موج k از رابطهٔ زیر محاسبه می شود:
c = g k
که g شتاب گرانش است. اگر کشش سطحی قابل توجه باشد، رابطه به صورت زیر در می آید:
c = g k + σ k ρ
که σ ضریب کشش سطحی و ρ چگالی هستند.
بر اساس رابطهٔ c=ω/k می توان سرعت فاز را برحسب بسامد زاویه ای ω و عدد موج نوشت؛ بنابراین بسامد زاویه ای موج به صورت زیر است:
ω = g k
سرعت گروه موج به صورت زیر تعریف می شود:
c g = d ω d k
بنابراین برای موج گرانشی:
c g = 1 2 g k = 1 2 c
دیده می شود که سرعت گروهی نصف سرعت فاز است.
برای موج گرانشی در آب کم عمق، سرعت فاز و سرعت گروهی برابر هستند.
c p = c g = g h

میدان گرانشی منتشرشونده‏ای که در نظریۀ نسبیت عام پیش‏بینی شده است.

💡 سیگنال‌های موج گرانشی در فرکانس‌های مختلف، از حدود ۱۰ تا ۱۷ هرتز برای امواج در زمینه کیهان‌شناسی تا حدود ۱۰۳ هرتز از ایجاد ستاره‌های نوترونی در انفجارهای ابرنواختر هستند.

💡 در ۱۷ مارس ۲۰۱۴ دانشمندان مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیت‌سونین وجود موج گرانشی را (به‌طور غیرمستقیم) ثابت کردند. جان کواچ، رئیس گروه پژوهشی این مرکز، در بیانیه‌ای اعلام کرد "ردیابی این علائم مهمترین هدف اخترشناسی مدرن بوده‌است. این شواهد را تلسکوپی به نام "کلیک بایسپ" که در قطب جنوب نصب شده ثبت کرده‌است. این تلسکوپ امواج مایکروویو فضا را برای ثبت انرژی انفجار بزرگ پایش می‌کند. "

💡 در یک جهان در حال انبساط، سرعت انبساط به سرعت نور رسیده و حتی از آن فراتر می‌رود، که از خروج سیگنال‌های برخی مناطق جلوگیری می‌کند. افق رویداد کیهانی، یک افق رویداد واقعی است، چرا که برروی تمام انواع سیگنال‌ها ازجمله موج گرانشی که با سرعت نور طی مسیر می‌کند نیز اثرگذار است.

💡 اصطلاح «انرژی تابشی» در مورد تابش گرانشی نیز به کار می‌رود. برای نمونه، نخستین مشاهده امواج گرانشی در اثر برخورد سیاهچاله‌ای انجام شد که حدود ۵٫۳‎×۱۰۴۷ ژول انرژی موج گرانشی ساطع کرد.

💡 رویدادهای عظیم کیهانی مثل انفجار ابرنواخترها که انرژی‌های عظیم با سرعت نور حرکت می‌کنند موج گرانشی تولید می‌کنند. وقتی که آب را در حوض به هم بزنید موج‌های کوچکی ایجاد می‌شود. این موج‌ها را می‌توان به مثابه موج گرانشی در نظر گرفت.