در آغاز زمان، طبق نظریه‌ای که دانشمندان بر آن پافشاری می‌کنند، کیهان دچار یک انبساط ناگهانی و سریع شد. در کسری از ثانیه، جهان قابل مشاهده از حجمی کوچکتر از یک پروتون به یک کره‌ای به قطر تقریباً دو متر رسید. این لحظه را تورم کیهانی اولیه می‌نامند. تورم کیهانی چندین مسئله کیهانی را حل می‌کند، مانند یکنواختی جهان و نسبت هیدروژن به هلیوم که ما مشاهده می‌کنیم. با این حال، هنوز نتوانسته‌ایم آن را اثبات کنیم. اما شاید بتوانیم با جستجوی نوع خاصی از امواج گرانشی، وجودش را ثابت کنیم.
اگر تورم کیهانی درست باشد، باید موجی از امواج گرانشی در سراسر کیهان ایجاد کرده باشد؛ درست مثل وقتی که به زنگوله‌ای ضربه می‌زنید و آن با صدای زنگ‌داری به ارتعاش درمی‌آید. این امواج گرانشی آن‌قدر ضعیف هستند که با رصدخانه‌های گرانشی فعلی مثل LIGO نمی‌توانیم آن‌ها را مطالعه کنیم. بنابراین، ستاره‌شناسان سعی کرده‌اند آن‌ها را به طور غیرمستقیم از طریق مشاهدات تپ‌اخترها ردیابی کنند.
ایده‌ای که پشت این روش است، واقعاً هوشمندانه است. تپ‌اخترها پالس‌های رادیویی را با نرخ‌های بسیار منظم ساطع می‌کنند. به جز کمی کند شدن با گذشت زمان و گاه‌به‌گاه اختلال‌های زمانی، تپ‌اخترها مثل ساعت‌های کیهانی دقیق عمل می‌کنند. با رصد تعداد زیادی تپ‌اختر، ستاره‌شناسان می‌توانند نوسانات کوچک در زمان‌بندی آن‌ها را ببینند که ناشی از حرکت نسبی‌شان نسبت به ما است. با استفاده از کمی آمار، می‌توان اثر امواج گرانشی با طول موج بلند را مشاهده کرد، در حالی که این امواج از کهکشان ما عبور می‌کنند. پروژه‌هایی مثل رصدخانه نانوهرتز آمریکایی برای امواج گرانشی (NANOGrav) همین کار را شروع کرده‌اند.
اما فقط تشخیص امواج گرانشی با طول موج بلند کافی نیست تا تورم کیهانی را اثبات کنیم، همان‌طور که مطالعه اخیر نشان می‌دهد. تورم کیهانی تنها منبع تولید زمینه یکنواخت امواج گرانشی نیست. جفت‌های سیاهچالههای ابرپرجرم هم چنین امواجی تولید می‌کنند. بنابراین، چالش اصلی تمایز بین این دو منبع است.
نویسندگان مقاله اشاره می‌کنند که یک سیگنال قوی از یک جفت سیاهچاله ابرپرجرم ممکن است از امواج گرانشی تورمی قابل تشخیص نباشد. اما جفت‌های سیاهچاله از کهکشان‌های مجاور مختلف، هر کدام سیگنال‌هایی با فرکانس‌های کمی متفاوت تولید می‌کنند. امواج گرانشی آن‌ها می‌توانند با یکدیگر تداخل کنند و ضرب‌های گرانشی ایجاد کنند؛ درست مثل وقتی دو نت مشابه با گوش ما صدایی موج‌دار و لرزان تولید می‌کنند. نویسندگان می‌گویند، با گوش سپردن به این ضرب‌های گرانشی، ستاره‌شناسان می‌توانند منابع سیاهچالههای جفتی را شناسایی کنند و حتی آن‌ها را فیلتر کنند تا صدای کیهانی تورم را بشنوند.
هنوز داده‌های مشاهده‌ای کافی برای این کار نداریم. داده‌های فعلی NANOGrav آن‌قدر قوی نیستند که تشخیص قطعی امواج گرانشی را تأیید کنند. اما این وضعیت در آینده تغییر خواهد کرد. اگر به ضرب‌های رادیویی تپ‌اخترها گوش دهیم، ممکن است ریتم تورمی شب کیهان را کشف کنیم.
کاوش عمیق‌تر در تورم کیهانی
برای درک بهتر، بیایید قدم به قدم به عقب برگردیم. کیهان‌شناسی مدرن بر پایه نظریه بیگ‌بنگ بنا شده است، اما بیگ‌بنگ به تنهایی نمی‌تواند همه رازها را توضیح دهد. مثلاً چرا جهان در همه جهات یکنواخت به نظر می‌رسد؟ چرا نسبت هیدروژن به هلیوم دقیقاً همان مقداری است که انتظار داریم؟ آلن گوت در سال ۱۹۸۰ نظریه تورم را پیشنهاد کرد تا این مسائل را حل کند. تورم می‌گوید کیهان در ۱۰^{-۳۲} ثانیه اول، با سرعتی بیشتر از سرعت نور (البته بدون نقض نسبیت عام) منبسط شد.
این انبساط، جهان را از اندازه‌ای اتمی به اندازه یک توپ بسکتبال رساند. اما اثبات تجربی؟ اینجا امواج گرانشی وارد می‌شوند. طبق نظریه، تورم میدان اینفلاتون (یک میدان کوانتومی فرضی) را تحریک کرد که امواج گرانشی primordial تولید کرد. این امواج، قطبیت B-mode در تابش زمینه کیهانی (CMB) ایجاد می‌کنند، اما رصد مستقیم‌شان سخت است.
نقش تپ‌اخترها به عنوان ساعت‌های کیهانی
تپ‌اخترها ستاره‌های نوترونی چرخان هستند که با سرعت‌های باورنکردنی (تا ۷۰۰ دور در ثانیه) می‌چرخند و پالس‌های رادیویی منظمی ساطع می‌کنند. دقت‌شان بهتر از ساعت‌های اتمی زمینی است! پروژه NANOGrav از ۶۸ تپ‌اختر در آمریکای شمالی استفاده می‌کند. هر پالس را با دقت نانوثانیه اندازه می‌گیرد.
وقتی موج گرانشی از زمین عبور می‌کند، فاصله بین ما و تپ‌اختر را کمی تغییر می‌دهد – حدود ۱۰^{-۱۵} متر! این تغییر، زمان رسیدن پالس را جابه‌جا می‌کند. با رصد صدها تپ‌اختر، الگوی همبستگی هالو (Heckman & Drasco, ۲۰۰۹) ظاهر می‌شود که فقط از امواج گرانشی isotropic ناشی می‌شود.
در سال ۲۰۲۳، NANOGrav سیگنال مشکوکی اعلام کرد، اما هنوز تأیید نشده. داده‌های ۱۵ ساله‌شان نشان‌دهنده زمینه نانوهرتزی است.
چالش تمایز منابع
مطالعه اخیر (منتشر در Astrophysical Journal) توسط تیمی از دانشگاه‌های MIT و Caltech، مشکل را برجسته می‌کند. سیگنال‌های stochastic از تورم، یکنواخت و ایزوتروپ هستند. اما جفت‌های سیاهچاله (SMBHBs) در مراکز کهکشان‌ها، سیگنال‌های هارمونیک تولید می‌کنند.
- تورم: فرکانس یکنواخت ~۱۰^{-۹} هرتز، بدون هارمونیک‌های قوی.
- SMBHBs: فرکانس‌های متفاوت از کهکشان‌های مختلف، تداخل → beats با دوره‌های ۱-۱۰ سال.
ضرب‌های گرانشی مثل موج‌های صوتی تداخلی هستند: f1 + f2 = beat frequency. با تحلیل طیف، می‌توان SMBHBs را جدا کرد. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند با داده‌های ۲۰ ساله، دقت ۹۰% تمایز ممکن است.
آینده رصد
پروژه‌های مشابه:
- EPTA (اروپا)
- PPTA (آسیا-اقیانوسیه)
- IPTA (ترکیبی جهانی)
تا ۲۰۳۰، با ۲۰۰ تپ‌اختر، حساسیت به ۱۰^{-۱۶} می‌رسد. SKA (Square Kilometre Array) هزاران تپ‌اختر جدید اضافه می‌کند.
اگر موفق شویم، نه تنها تورم را اثبات می‌کنیم، بلکه نقشه کیهان اولیه را ترسیم می‌کنیم. این امواج، فسیل‌های کیهانی هستند که از ۱۳.۸ میلیارد سال پیش باقی مانده‌اند.
کاربردهای عملی و فلسفی
اثبات تورم، چندجهانی را تأیید می‌کند – کیهان‌های حبابی بی‌شمار! در فیزیک ذرات، اینفلاتون را شناسایی می‌کند. در اخترفیزیک، تکامل کهکشان‌ها را توضیح می‌دهد.
اما چالش‌ها: نویز interstellar، گلیچ‌های تپ‌اختر، و سیگنال‌های غیرگرانشی (مانند dark matter).
نتیجه‌گیری: گوش سپردن به ریتم کیهان
کیهان مثل یک سمفونی عظیم است. تپ‌اخترها نوازندگان هستند، امواج گرانشی ملودی تورم. با صبر و فناوری، ریتم شب کیهان را خواهیم شنید. این نه فقط علم، بلکه شعری کیهانی است – از آغاز زمان تا امروز.
