تایید درستی نسبیت عام و آفرینش کیهانی در 7 آزمایش

اندازه‌گیری‌های پیچیده جدید امواج رادیویی از دو ستاره سنگین (چِگال) شواهد محکمی برای درک چگونگی آغاز جهان ارائه کرده است. یک تیم بین المللی از ستاره شناسان با انجام مجموعه ای از آزمایشات در مورد نظریه نسبیت عام انیشتین ( (GRو در نتیجه دکترین کتاب مقدس در خصوص آفرینش جهان به قطعی ترین نتایج دست یافته اند. تا آنجا که GR را تحت عنوان نظریه گرانش توصیف میکنند و همچنین تاکید میکنند که ویژگی‌های بافت فضا-زمان جهان با یک مدل خلقت کیهانی سازگار هستند.

تیمی متشکل از 29 محقق به رهبری مایکل کرامر از موسسه نجوم رادیویی ماکس پلانک ، نتایج مطالعه 16 ساله خود را در مورد تغییرات مداری در سیستم تَپ اَختر(اختر تپنده) PSR J0737-3039A/B منتشر کردند.¹ این سیستم تنها مورد شناخته شده در وضعیتی است که در آن دو تپ اختر فعال به دور یکدیگر می چرخند . تپ اختر یک ستاره نوترونی است که در نتیجه داشتن میدان مغناطیسی قوی، انتشارات رادیویی ضربانی منظمی تولید می کند. تپ اخترها بسیار سریع می‌چرخند و پرتوهای قدرتمندی از نور ساطع می‌کنند که مانند «نبض» دیده میشوند، درست شبیه به پرتوهای نوری که از یک فانوس دریایی می‌بینیم.

این دو تپ اختر در منظومه PSR J0737-3039، A و B (که بعنوان یک سیستم دو-دویی تپ اختری شناخته میشود) به ترتیب دارای سرعت چرخش 22.70 و 2.77 میلی ثانیه هستند. بنابراین ستاره شناسان رادیویی در هر ثانیه 44 و 361 پالس تابشی را به ترتیب از تپ اخترهای A و B مشاهده و ثبت کرده اند.

دوره مداری کنونی تپ اختر B به دور تپ اختر A فقط 2.454 ساعت است. این دوره مداری کوتاه‌ترین دوره‌ای است که تاکنون برای تپ‌اخترهایی با همدم دوتایی شناسایی شده است. این ضریب سه برابر کوتاه‌تر از سیستم ستاره‌ای تپ اختر نوترونی PSR B1913+16 است که پیشتردقیقترین نتایج آزمایش نظریه نسبیت عام انیشتین را ارائه کرده است، اندازه‌گیری که بخاطر آن دو فیزیکدان به نامهای جوزف تیلور و راسل هالس در سال 1993 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.

تپ اختر دوقلو
دو ستاره نوترونی در منظومه PSR J0737-3039 ، جرمی 1.338 و 1.249 برابر جرم خورشید دارند. قطر این ستارگان حدودا 116000 برابر کوچکتر از قطر خورشید است. تراکم جرمی آنها بیش از 2 میلیارد تن در هر قاشق چای خوری است!

گریز از مرکز مداری این سیستم دوتایی 0.088 است (برای مقایسه، گریز از مرکز مداری زمین = 0.0167). پایداری چرخشی فرکانس پالسی دو ستاره نوترونی با بهترین ساعت های اتمی قابل مقایسه است. مطالعات طولانی‌مدت پیشین درباره انحرافات بسیار کوچک از پایداری چرخشی دیگر تپ‌اخترها نشان می‌دهند که ستارگان نوترونی دارای پوسته جامدی از نوترون‌ها بوده و مایع درونی آنها را نیز نوترون‌ها تشکیل داده اند.

تئوری های گرانشی به بهترین وجه در جایی آزمایش می شوند که یک یا دو ستاره نوترونی در یک سیستم دوتایی قرار دارند. بهترین کاندیداها جاهایی هستند که دو ستاره نوترونی به دور یکدیگر بچرخند و هر دو ستاره نوترونی تپ اختر باشند. بهتر از آن زمانی است که دو تپ اختر دارای یک دوره مداری کوتاه، یک گریز از مرکز مداری غیرصفر و سطوح مداری آنها نیز نزدیک به خط دید ما باشند. قابل توجه است که برخی معتقدند این هدیه ای از جانب خداوند است که تنها تپ اختر دوتایی که تا کنون شناخته شده، همه این ویژگی های بهینه را برای آزمایش نظریه های گرانش داراست.

هفت آزمایش
برای اندازه‌گیری پالس‌های منظومه PSR J0737-3039، تیم کرامر از شش عدد از بزرگترین تلسکوپ‌های رادیویی ( تلسکوپ گرین بنک رابرت سی برد، تلسکوپ رادیویی 100 متری افلسبرگ، رصدخانه بانک جودرل، رصدخانه رادیویی نانچای،تلسکوپ رادیویی سنتز وستربورک، و تلسکوپ رادیویی پارکس) به اضافه آرایه خط پایه بسیار طولانی (VLBA) استفاده کرده. (VLBA) شامل 10 تلسکوپ رادیویی 25 متری است که از هاوایی تا جزایر ویرجین امتداد دارند و به عنوان تداخل سنج به یکدیگر متصل شده اند. VLBA برای تعیین اندازه‌گیری دقیق فاصله مستقیم تا سیستم PSR J0737-3039 بسیار مهم بود و بدون آن آزمایش‌های دقیق GR میسّر نبود. اندازه‌گیری‌های هفت سیستم تلسکوپی، هفت آزمایش مختلف را ارائه کردند.

تیم کرامر صبور بود، آنها ماه به ماه و سال به سال به رصد تپ اخترهای PSR J0737-3039 ، بدون انتشار هیچ داده ای ادامه دادند. حتی زمانی که همکاری‌های LIGO و Virgo آشکارسازی‌های مستقیم خود را از امواج گرانشی پیش‌بینی‌شده توسط GR از ادغام سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی منتشر کردند،² تیم کرامر دوام آورد. آن‌ها منتظر ماندند تا اندازه‌گیری‌های کافی برای تعیین انرژی منتقل شده توسط امواج گرانشی با دقت 1000 برابر بیشتر از چیزی که توسط تلسکوپ‌های موج گرانشی LIGO و Virgo به دست آمده بود را جمع‌آوری کنند.

پیشینه آزمون ها
GR تمامی آزمون های تجربی و رصدی را که ستاره شناسان و فیزیکدانان تا به امروز ابداع کرده اند با موفقیت پشت سر گذاشته است که من این آزمایش‌ها را در ویرایش چهارم کتاب خالق و کیهانشرح داده ام. ³ آزمایش‌ها شکی باقی نمی‌گذارند که GR پاسخ نهایی در توصیف گرانش است. با این حال، یک رژیم (پدیده طبیعی) وجود دارد که در آن احتمال ایجاد یک نظریه جایگزین گرانش تقویت میگردد. این رژیم همان میدان های گرانشی بسیار قوی است که در نزدیکی ستاره های نوترونی و سیاهچاله ها وجود دارند. میدان گرانشی روی سطح یک ستاره نوترونی معمولی حدود 200 میلیارد برابر سطح زمین است. از این رو، یک انسان 100 کیلویی روی یک ستاره نوترونی 20 میلیارد تن وزن خواهد داشت!

نتیجه آزمایشات
صبر تیم کرامر نتیجه داد، مشاهدات آنها گسترده ترین و دقیق ترین آزمایشات GR را برای رژیم های میدان گرانشی قوی به همراه داشت. کرامر و همکارانش از طریق مشاهده کاهش جرم ستاره‌های نوترونی، اندازه مدار آنها و تغییرات کوچک در زمان‌بندی پالس‌هایشان، به هفت آزمایش مجزا از GR دست یافتند.

دو مورد از هفت آزمایش مذکور قبلا هرگز انجام نشده بود. برای مثال، تیم کرامر نشان داد که چگونه فوتون‌های یکی از ستاره‌های نوترونی با عبور از میدان گرانشی شدید ستاره نوترونی دیگر، سرعت خود را کاهش داده و مسیر جهت آن‌ها خم میشود. اثراتی که آنها مشاهده کردند با آنچه GR پیش بینی کرده بود مطابقت داشت. آزمایش دیگری که برای اولین بار انجام شد نشان دادن روشی بود که در آن گرانش، شکل مدار ستارگان نوترونی را منحرف می‌کرد یعنی دقیقا همانطور که در GR پیش‌بینی شده است.

نتایج هفت آزمایش که به صورت مشاهدات در قیاس با پیش‌بینی‌های GR بیان شده‌اند به شرح زیر است:⁴

تاخیر شاپیرو به افتخار ایروین شاپیرو نامگذاری شده است که اولین آزمایشات با دقت بالای GR را در دهه 1970 انجام داد.⁵ ما نیز همزمان در تیم تحقیقاتی Caltech مشارکت داشتیم و من از چندین گفتگو با او در مورد آزمایشات GR (نسبیت عام) و پیامدهای آنها لذت بردم.

نتایج این هفت آزمایش از 16.2 سال رصد و مشاهده منظومه PSR J0737-3039 به دست آمده است و این نتایج به ناچار با مشاهدات بیشتر بهبود خواهند یافت (خطاهای اندازه گیری با جذر زمان مشاهده کاهش می یابد. به عنوان مثال، چهار سال اندازه گیری در مقایسه با یک سال اندازه گیری، خطای اندازه گیری را تا ضریب دو کاهش می دهد) پیشرفت های چشمگیری تنها طی 10 تا 20 سال آینده انتظار می رود. در طی یک دهه آینده، اندازه‌گیری‌های بهبود یافته تغییر شکل مداری جهش‌های اسپین تپ‌اخترها، مقادیر قطر ستاره‌های نوترونی را به دست خواهند آورد.

مفاهیم فیزیکی و فلسفی
مقادیر قطر ستاره‌های نوترونی اخترشناسان را قادر می‌سازد تا رفتار نوترون‌های متراکم را در فضای داخلی آن‌ها بهتردرک کنند و این دانش اصلاحات و بینش های بهتری را در مورد مدل های ایجاد ذرات به همراه خواهد داشت.

نتایج منتشر شده این تیم قبلاً بینش جدیدی در مورد ویژگی های محیط بین ستاره ای بین PSR J0737-3039 و زمین پدید آورده است و مشاهدات آتی میتوانند چندین بینش دیگر را نیز ایجاد نمایند. مشاهدات بعدی همچنین ارائه مدل‌های جامع‌تر و دقیق‌تر را برای تشکیل سامانه‌های تپ‌اختر دوگانه و احتمال کشف یک یا چند مورد از این سامانه‌ها را نوید می‌دهند.

هیجان‌انگیزترین نتیجه حاصل از نتایج پژوهشگران این است که GR(نسبیت عام) اکنون به‌عنوان کامل‌ترین اصل آزمایش‌شده و تایید شده در فیزیک است. GR اکنون تحت تمام رژیم های میدان گرانشی تایید شده است.

این تأییدیه باید خبر خوبی برای همه خداباوران و به ویژه مسیحیان باشد. قضایای فضا-زمان ثابت کرده اند که پیدایش جهان آغازی دارد. این آغاز شامل آغاز فضا و زمان است و بر این فرض استوار است که جهان حاوی جرم است و GR به طور قابل اعتمادی دینامیک اجرام عظیم در جهان را توصیف می کند. با توجه به اینکه GR به طور کامل آزمایش شده و نشان داده شده است که تمام آزمایشات را با موفقیت پشت سر می گذارد، می توانیم بسیار مطمئن باشیم که جهان آغازی داشته و یک عاملِ عِلّی فراتر از فضا و زمان، جهان ما را از ماده، انرژی، فضا و زمان ایجاد کرده است. همانطور که کتاب مقدس هزاران سال پیش این موضوع را اعلام کرده است.⁶

پینوشت

1. Michael Kramer et al., “Strong-Field Gravity Tests with the Double Pulsar,” Physical Review X 11, no. 4 (December 13, 2021): id. 041050, doi:10.1103/PhysRevX.11.041050.

2. B. P. Abbott et al., “Astrophysical Implications of the Binary Black Hole Merger GW150914,” Astrophysical Journal Letters 818, no. 2 (February 20, 2016): id. L22, doi:10.3847/2041-8205/818/2/L22; Hugh Ross, “How Gravitational Waves Help Explain the Universe’s Beginning,” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, March 10, 2016.

3. Hugh Ross, The Creator and the Cosmos, 4th edition (Covina, CA: RTB Press, 2018), 114–120.

4. Kramer et al., “Strong-Field Gravity Tests,” 37.

5. Irwin I. Shapiro, “Fourth Test of General Relativity,” Physical Review Letters 13, no. 26 (December 28, 1964): 789–791, doi:10.1103/PhysRevLett.13.789.

6. Hugh Ross with John Rea, “Big Bang—The Bible Taught It First!,” Reasons to Believe (July 1, 2000); Hugh Ross, “Does the Bible Teach Big Bang Cosmology?” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, August 26, 2019.