في مؤتمر عقد في اليابان قبل بضع سنوات، ديفيد دونسكي حضرت محاضرة عن موجات الجاذبية، وهي تموجات في نسيج الزمكان تنشأ عندما تتسارع الأجسام الضخمة مثل النجوم والثقوب السوداء.

كان دونسكي طالب دراسات عليا في فيزياء الجسيمات في ذلك الوقت، ويبدو أن اهتماماته كانت تكمن في مكان آخر. يبحث فيزيائيو الجسيمات عن الحقيقة الأساسية التي تدعم القواعد الفيزيائية التي نعرفها. لقد استخدموا منذ فترة طويلة مصادمات الجسيمات عالية الطاقة لاختبار أفكارهم. ومن خلال تحطيم الجسيمات معًا في طاقات لا يمكن فهمها، يمكن لهؤلاء العلماء اكتشاف العناصر الأساسية لوحدات البناء - وهي ظواهر الطاقة العالية التي تحدث على نطاقات مسافات قصيرة. تخبرنا هذه الظواهر أيضًا عن اللحظات الأولى للكون عندما كان صغيرًا وكثيفًا وحارًا بشكل لا يصدق.

لكن دونسكي علم في المحاضرة أن مراصد موجات الجاذبية المستقبلية مثل هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA) يمكن استخدامها لاستكشاف فيزياء الطاقة العالية. سيكون LISA قادرًا على اكتشاف الأجسام الافتراضية التي تسمى الأوتار الكونية، وهي خيوط واسعة من الطاقة المركزة التي ربما نشأت أثناء ولادة الكون. قال دونسكي، وهو الآن عالم كوني وفيزيائي جسيمات في جامعة نيويورك: «لقد تعلقت بمحاولة فهم إشارات موجات الجاذبية من الكون المبكر، وكيف يمكن أن تخبرنا عن فيزياء الطاقة العالية جدًا التي من المحتمل أن تكون بعيدة جدًا. أبعد مما يمكننا اكتشافه حاليًا باستخدام المصادم.

إن تحوله نحو موجات الجاذبية كوسيلة للمضي قدمًا في فيزياء الجسيمات يجسد الاهتمام المتزايد بتجربة LISA المستقبلية، وربما تحولًا أوسع نطاقًا. لقد مرت اثنتا عشرة سنة منذ آخر اكتشاف كبير في مصادم الجسيمات. أدى اكتشاف بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في عام 2012 إلى إكمال النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وهي النظرية السائدة للجسيمات والقوى الأولية المعروفة. وبينما فكر المنظرون منذ ذلك الحين في حديقة حيوانات من النظريات المحتملة التي توسع النموذج القياسي، فإنه ليس من الواضح أننا نستطيع بناء مصادمات قادرة على اختبار هذه الأفكار.

وقال: "يتحدث الناس عن بناء مصادمات في الخمسين سنة القادمة تكون أقوى بعشر مرات من مصادم الهادرونات الكبير من حيث الطاقة". رامان ساندروم، عالم فيزياء الجسيمات النظرية في جامعة ميريلاند. ومع ذلك، فإن اختبار النظريات الموحدة الكبرى، التي تتبع القوى الثلاث للنموذج القياسي إلى قوة أساسية واحدة تعمل على مسافات أقصر، "يبدو أنه يتطلب مصادمًا تبلغ طاقته 10 مليارات مرة طاقة مصادم الهادرونات الكبير" LHC.

ما لا يمكننا إنتاجه في المصادم، قد نتمكن من رؤيته في الطبيعة. على وجه التحديد، قد تكمن الإجابات في أصداء الجاذبية للعمليات التي تكشفت في اللحظات الأولى من الخلق، عندما كان الكون نشيطًا للغاية لدرجة أن فيزياء خارج النموذج القياسي كانت ستسود.

هذا هو أمل علماء فيزياء الجسيمات مثل دونسكي وساندروم، الذين يتطلعون الآن إلى LISA لاختبار نظرياتهم. تم تطوير مفهوم المهمة لأول مرة في أوائل الثمانينيات وتم اقتراحه رسميًا على وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) في العقد التالي. تمت متابعة المشروع بالتعاون مع وكالة ناسا لبعض الوقت، لكن الأمريكيين انسحبوا في عام 1980 بسبب مخاوف تتعلق بالميزانية، مما أجبر أوروبا على المضي قدمًا بمفردها. ومع ذلك، في شهر يناير من هذا العام، حصلت LISA أخيرًا على الضوء الأخضر من وكالة الفضاء الأوروبية، التي تبحث الآن عن شركاء في الصناعة من أجل البدء في البناء. ويأتي هذا الإعلان بعد النجاح الباهر الذي حققته البعثة التجريبية LISA Pathfinder في عامي 2011 و2015، والتي اختبرت التقنيات الرئيسية للمرصد المستقبلي.

من المقرر الآن أن تطير LISA في ثلاثينيات القرن الحالي. لمدة أربع سنوات، ستنطلق مجموعتها المكونة من ثلاثة أقمار صناعية عبر الفضاء في مثلث متساوي الأضلاع يبلغ عرضه حوالي مليون ميل، حيث سترتد أشعة الليزر من المكعبات الذهبية المحفوظة في سقوط حر مثالي داخل كل مركبة لتستشعر التموجات في الزمكان.

وقال: "للمرة الأولى، قد نحصل في الواقع على شيء ما مباشرة من تلك الحقبة المبكرة للغاية" للكون إيزابيل جارسيا جارسيا، عالم فيزياء الجسيمات وعالم الكونيات في جامعة واشنطن. وأضافت أنه إذا تمكنت ليزا حقًا من التقاط موجات الجاذبية البدائية، فستكون هذه أول لمحة عن اللحظات الأولى للكون. "من وجهة نظر فيزياء الجسيمات، من الواضح أن هذا أمر مثير للغاية."

ليزا المحظوظة

إذا تمكنت LISA بالفعل من اكتشاف موجات الجاذبية البدائية في وقت ما من العقد المقبل، فسيكون ذلك بسبب ضربة حظ كوني غير عادية.

لن يكشف أي تلسكوب أبدًا عن اللحظات الأولى للخلق. تستكشف التلسكوبات ماضي الكون من خلال اكتشاف الضوء المنبعث من أماكن بعيدة. لكن أول 380,000 ألف سنة بعد الانفجار الكبير كانت مخفية خلف ستار كوني. في ذلك الوقت، كان الكون مليئًا بالبلازما المتأينة التي تبعثرت الفوتونات، مما جعله معتمًا للضوء.

على عكس الضوء، يمكن لموجات الجاذبية أن تنتشر بحرية عبر الكون المبكر. من المحتمل أن المراصد الأرضية الحالية مثل LIGO وVirgo ليست حساسة لهذه الموجات البدائية. لكن قد تكون ليزا قادرة على سماع ما حدث على المسرح قبل أن يرتفع الستار الكوني.

قال ساندروم: "الأمر أشبه بسماع شيء ما في الضباب".

مثل مراصد موجات الجاذبية الأرضية، سوف يكتشف LISA التموجات في الزمكان باستخدام الليزر لقياس المسافة بدقة على طول "أذرعه" - في هذه الحالة، الخطوط الموجودة في الفضاء الفارغ بين المركبات الفضائية الثلاث في كوكبتها المثلثة. عندما تمر موجة الجاذبية، فإنها تتمدد وتتقلص الزمكان. وهذا يخلق اختلافًا طفيفًا في أطوال ذراع LISA، والذي يمكن للأداة اكتشافه من خلال تتبع المحاذاة الخاطئة للقمم والقيعان لأشعة الليزر الخاصة بها. وبعد إزالته من بيئة الأرض الصاخبة، سيكون LISA أكثر حساسية بكثير من مقاييس التداخل الموجودة مثل LIGO، والتي تم استخدامها للكشف عن تصادمات الثقب الأسود والنجوم النيوترونية. وسيكون أيضًا أكبر بكثير؛ سيكون كل ذراع من ذراعيه أطول بحوالي 400 مرة من نصف قطر الأرض.

ومع ذلك، فإن التغيرات في المسافة التي سيشعر بها ليزا صغيرة للغاية - أصغر بحوالي 50 مرة من الذرة. قال: "إنه مفهوم مجنون تمامًا، إذا فكرت فيه". نورا لوتزجيندورف، عالم فيزياء فلكية في وكالة الفضاء الأوروبية وعالم في مشروع LISA.

سيسمح حجم LISA وحساسيته بمراقبة موجات الجاذبية الأطول بكثير من تلك التي يمكن ملاحظتها بواسطة مقاييس التداخل الأرضية. يستطيع مرصد ليجو استشعار موجات الجاذبية ذات الأطوال الموجية ما بين 30 إلى 30,000 ألف كيلومتر تقريبًا، بينما يستطيع مرصد ليزا التقاط موجات تتراوح أطوالها من بضع مئات الآلاف من الكيلومترات إلى بضعة مليارات من الكيلومترات. سيسمح هذا لـ LISA بالاستماع إلى الأحداث الفيزيائية الفلكية التي لا تستطيع المراصد الأرضية "سماعها"، مثل اندماج الثقوب السوداء الهائلة (على عكس الثقوب السوداء ذات الحجم النجمي). ويصادف أيضًا أن نطاق الطول الموجي لـ LISA هو بالضبط الحجم الذي يتوقعه الفيزيائيون من موجات الجاذبية المتولدة في اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير.

خلقت فيزياء الطاقة العالية في بداية الكون تموجات جاذبية، ومع توسع الكون وتمدد الفضاء، انفجرت هذه الموجات إلى أبعاد هائلة. تصادف أن LISA في وضع مثالي لالتقاط الموجات التي تم إنشاؤها في أول 10^-17 إلى 10^-10 بعد ثوانٍ من الانفجار الكبير، أي في بداية الزمن تقريبًا. النهاية القصيرة لهذا النطاق، 10^-17 الثواني، هي فترة قصيرة جدًا لدرجة أنها يمكن أن تناسب عددًا من المرات في الثانية بقدر تناسب الثواني مع عمر الكون.

قال: "هناك هذه الصدفة". كيارا كابريني، عالم الكونيات النظري في جامعة جنيف والمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN). هناك تطابق بين "نطاق التردد الخاص باكتشاف LISA وهذه الحقبة المحددة في تطور الكون والتي تمثل حدود معرفتنا بفيزياء الجسيمات."

ما وراء النموذج القياسي

حتى تلك الحدود، يقوم النموذج القياسي بعمل ممتاز في شرح كيفية تفاعل قطيعه المكون من 17 جسيمًا أوليًا مع ثلاث قوى: القوة الكهرومغناطيسية، والقوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة. لكن على الرغم من النجاحات الهائلة التي حققتها، لا أحد يعتقد أن هذه الجسيمات والقوى هي جوهر الوجود ونهاية الوجود.

النظرية لها عيوبها. على سبيل المثال، كتلة بوزون هيغز - مكون النموذج القياسي الذي يحدد كتل الجسيمات الأخرى - هو محبط "غير طبيعي".". يبدو اعتباطيًا وصغيرًا بشكل محير مقارنة بمقاييس الطاقة الأكبر بكثير في الكون. علاوة على ذلك، فإن النموذج القياسي لا يقدم أي تفسير للمادة المظلمة، ولا للكون الطاقة المظلمة الغامضة الذي يدفع التوسع المتسارع للفضاء. مشكلة أخرى هي أن المادة المضادة والمادة تتصرفان بنفس الطريقة تمامًا في ظل القوى الثلاث للنموذج القياسي، ومن الواضح أن هذه ليست القصة الكاملة، لأن المادة تهيمن على الكون. ثم هناك الجاذبية. يتجاهل النموذج القياسي تمامًا القوة الأساسية الرابعة، والتي يجب وصفها باستخدام نظريته المخصصة، وهي النسبية العامة.

يقول بيير أوكلير، عالم الكونيات النظري في الجامعة الكاثوليكية في لوفان ببلجيكا: "لذا، كان الكثير من المنظرين مثلي يحاولون الضغط على النموذج القياسي قليلاً ومحاولة توسيعه". لكن من دون أدلة تجريبية لاختبارها، تظل هذه النظريات الموسعة نظرية.

أوكلير هو المنظر. وقال: "لكنني لا أزال أحاول الارتباط بالتجارب قدر الإمكان". وهذا أحد أسباب انجذابه إلى ليزا. وقال: "عادة ما تؤدي هذه الامتدادات إلى أحداث متطرفة مختلفة في بداية الكون".

قالت جارسيا جارسيا أيضًا إن وعد LISA بتقديم أدلة رصدية لفيزياء الطاقة العالية دفعها إلى إعادة التفكير في حياتها المهنية، حيث قالت إن موجات الجاذبية يمكن أن "تستكشف الكون المبكر بطريقة لا تستطيع أي تجربة أخرى القيام بها". قبل بضع سنوات، بدأت بدراسة موجات الجاذبية وكيف أن الفيزياء خارج النموذج القياسي ستترك بصمات أصابع يمكن اكتشافها بواسطة LISA.

في العام الماضي، جارسيا جارسيا وزملاؤها العمل المنشور على توقيع موجة الجاذبية لجدران الفقاعات - حواجز حيوية بين جيوب الفضاء التي حوصرت في حالات مختلفة مع تبريد الكون. حدث هذا التبريد مع توسع الكون. مثلما يغلي الماء ويتحول إلى بخار، مر الكون بمراحل انتقالية. في النموذج القياسي، كان التحول الطوري الذي انقسمت خلاله قوة واحدة "كهروضعيفة" إلى قوى كهرومغناطيسية وضعيفة منفصلة سلسًا نسبيًا. لكن العديد من امتدادات النظرية تتنبأ بأحداث عنيفة تركت الحساء الكوني رغويًا ومضطربًا، كما قال دونسكي، الذي يدرس أيضًا العيوب الطوبولوجية مثل الجدران الفقاعية.

الحقول الكمومية التي تتخلل عالمنا لها حالات طاقة دنيا، أو حالات أرضية. ومع انخفاض حرارة الكون، تطورت حالات أرضية جديدة منخفضة الطاقة، لكن مجالًا معينًا لم يهبط دائمًا على الفور في حالته الأرضية الجديدة. لقد وقع البعض في شرك الحد الأدنى من الطاقة المحلية، وهي حالات أرضية زائفة تبدو مستقرة فقط. ومع ذلك، في بعض الأحيان، يمكن لقطعة صغيرة من الكون أن تدخل نفقًا كميًا إلى الحالة الحقيقية، مما يؤدي إلى نواة فقاعة تتوسع بسرعة من الفراغ الحقيقي بطاقة أقل من طاقة الكون الخارجي.

"هذه الفقاعات نشطة للغاية. وقال دونسكي: "إنهم يتحركون بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء بسبب اختلاف الضغط بين الداخل والخارج". "لذلك عندما يتصادمان، تحصل على هذا الاصطدام العنيف بين هذين الجسمين النسبيين للغاية، وهو مشابه إلى حد ما لكيفية إصدار الثقوب السوداء لموجات جاذبية قوية قبل الاصطدام مباشرة."

سلاسل وجدران

وبشكل أكثر تأملًا، يمكن أيضًا أن تكون التحولات الطورية في الكون المبكر قد خلقت هياكل تسمى الأوتار الكونية وجدران المجال، وهي خيوط وصفائح ضخمة، على التوالي، من الطاقة الكثيفة.

تنشأ هذه الهياكل عندما تتغير الحالة الأساسية للمجال الكمي بحيث يكون هناك أكثر من حالة أساسية جديدة، كل منها صالحة بشكل متساوٍ. يمكن أن يؤدي هذا إلى عيوب عالية الطاقة على طول الحدود بين جيوب الكون التي تقع في حالات أرضية مختلفة، ولكنها مواتية بنفس القدر.

وقال دونسكي، الذي قام بذلك، إن هذه العملية تشبه إلى حد ما الطريقة التي تطور بها بعض الصخور المغناطيسية الطبيعية أثناء تبريدها درس بصمات الأصابع التي يمكن ملاحظتها من العملية. عند درجات الحرارة المرتفعة، تتجه الذرات بشكل عشوائي. ولكن في درجات الحرارة الباردة، يصبح من المناسب لها أن تصطف مغناطيسيًا، حيث تتغير الحالة الأرضية. بدون وجود مجال مغناطيسي خارجي لتوجيه الذرات، فهي حرة في ترتيب نفسها بأي اتجاه. جميع "الاختيارات" صالحة بشكل متساوٍ، والمجالات المختلفة للمعدن ستتخذ، بالصدفة، اختيارات مختلفة. ينحني المجال المغناطيسي الناتج عن جميع الذرات بشكل كبير عند الحدود بين المجالات.

وبالمثل، فإن الحقول الكمومية في مناطق مختلفة من الكون "يجب أن تتغير بسرعة عند حدود" هذه المجالات، كما قال، مما يؤدي إلى كثافة طاقة كبيرة عند هذه الحدود التي "تشير إلى وجود جدار مجال أو سلسلة كونية".

هذه الأوتار الكونية وجدران المجال، لو كانت موجودة، لكانت قد امتدت لتغطي الكون بأكمله عمليًا مع توسع الفضاء. تنتج هذه الأجسام موجات جاذبية عندما تنتشر مكامن الخلل على طولها وتتأرجح الحلقات وتشكل شرفات. لكن مقاييس الطاقة لهذه الموجات تم تحديدها في الغالب على أنها الأجسام التي تشكلت في اللحظات الأولى للكون. ويمكن لـ "ليزا" اكتشافهم، إذا كانوا موجودين.

أصداء الخلق

إن موجات الجاذبية التي تصل إلينا من الكون المبكر جدًا لن تصل في صورة زقزقة معبأة بدقة، مثل إشارات اصطدام الثقوب السوداء. ولأنها حدثت في وقت مبكر جدًا، فقد انتشرت مثل هذه الإشارات منذ ذلك الحين عبر الفضاء بأكمله. سوف يرددون صدى من كل اتجاه، ومن كل نقطة في الفضاء، في وقت واحد - همهمة الجاذبية الخلفية.

وقال جارسيا جارسيا: "قم بتشغيل كاشفك، وهو موجود دائمًا".

وقال ساندروم إن الأنماط في هذه الخلفية ربما "تبدو مجرد ضجيج بالنسبة للشخص العادي". "ولكن سرا، هناك رمز مخفي."

أحد الأدلة المهمة هو طيف الإشارة الخلفية، أي قوتها عند ترددات مختلفة. إذا اعتبرنا إشارة موجة الجاذبية صوتًا، فإن طيفها سيكون عبارة عن مخطط لطبقة الصوت مقابل الحجم. وقال أوكلير إن الضوضاء البيضاء العشوائية حقًا سيكون لها طيف مسطح. لكن موجات الجاذبية التي يتم إطلاقها أثناء التحولات الطورية أو المنبعثة من الأوتار الكونية أو جدران المجال ستكون أعلى عند ترددات محددة. عمل أوكلير على حساب البصمات الطيفية للأوتار الكونية، التي تقذف موجات الجاذبية بأطوال موجية مميزة عندما تتطور مكامن الخلل والحلقات الخاصة بها. و كابريني دراسات كيف ستترك التحولات الطورية العنيفة بصماتها على خلفية موجات الجاذبية.

هناك نهج آخر اتبعه ساندروم وزملاؤه المبينة في عام 2018 و وضعت مؤخرا، سيكون محاولة تعيين الكثافة الإجمالية للخلفية عبر السماء. وهذا من شأنه أن يجعل من الممكن البحث عن تباين الخواص، أو البقع التي تكون أعلى أو أكثر هدوءًا قليلاً من المتوسط.

قال كابريني: "المشكلة هي أن هذا النوع من الإشارات له نفس خصائص ضجيج الآلة تقريبًا. لذا فإن السؤال برمته هو كيف يمكننا تمييزه بمجرد اكتشاف شيء ما.

يشبه LISA الميكروفون أكثر من التلسكوب. فبدلاً من النظر في اتجاه معين، سوف يستمع إلى السماء بأكملها في وقت واحد. سوف يسمع موجات الجاذبية البدائية إذا كانت موجودة. ولكنه سيسمع أيضًا زقزقة وعواء الثقوب السوداء المندمجة والنجوم النيوترونية والأزواج العديدة من النجوم القزمة البيضاء داخل مجرتنا. لكي يتمكن LISA من اكتشاف خلفية موجات الجاذبية البدائية، يجب تحديد جميع الإشارات الأخرى وإزالتها بعناية. إن تصفية الإشارة الحقيقية من الكون المبكر سيكون مثل التقاط صوت نسيم الربيع في موقع البناء.

لكن ساندروم اختار أن يكون متفائلاً. وقال: "لسنا مجانين لإجراء هذا البحث". "سيكون الأمر صعبًا على التجريبيين. سيكون من الصعب على الجمهور دفع تكاليف الأشياء المختلفة التي يجب إنجازها. وسيكون من الصعب على المنظرين أن يحسبوا طريقهم لتجاوز كل الشكوك والأخطاء والخلفيات وما إلى ذلك.

لكن سوندرم أضاف: “يبدو أن الأمر ممكن. مع قليل من الحظ."