نمایی از برخورد دو سیاه‌چاله با جرم‌های متفاوت؛ تصویر از: اِن. فیشر (N. Fischer)، اِچ. فیفر (H. Pfeiffer)، اِی. بونانو (A. Buonanno) (از مؤسسه مکس پلانک در فیزیک گرانشی)، شبیه‌سازی فضازمان‌های بینهایت (SXS).

اولین بار است که اخترفیزیک‌دان‌ها امواج گرانشی ناشی از برخورد بین دو سیاه‌چاله با جرم‌های بسیار متفاوت را آشکارسازی کرده‌اند و با این کار چشم‌انداز جدیدی مقابل اخترفیزیک و فیزیک گرانش گشودند. این رخداد اولین شواهد غیرقابلِ‌انکار از امواج گرانشی است که سیاه‌چاله‌ای پیش از ادغام درحال چرخش به‌دور خود بود نشان مي‌دهد و شناخت ویژه‌ای از این ویژگی کلیدی به اخترفیزیک‌دان‌ها می‌دهد.

کایا فیشباخ، اخترفیزیک‌دان دانشگاه شیکاگو در ایلی‌نویز، که در گردهم‌آیی مجازی انجمن فیزیک آمریکا در تاریخ ۱۸ آوریل (۳۰ فروردین) از این رخداد رونمایی کرد، گفت: این یک اتفاق استثنایی است. رصدخانه‌ی امواج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری (LIGO) و رصدخانه‌ی ویرگو (Virgo) در نزدیکی پیسا (Pisa)، در ایتالیا، سال گذشته این برخورد را آشکارسازی کردند.

رشته‌رصدهای پیشین ادغام سیاه‌چاله‌ها با جرم‌های تقریباً برابر را آشکارسازی کرده بود. فیزیک‌دان‌ها بااشتیاق منتظر رخدادهای سیاه‌چاله‌ای با جرم‌های نابرابر بودند، زیرا روش‌های دقیق‌تری برای آزمون نظریه‌ی نسبیت عام فراهم می‌کند. در ادغام آخر سیاه‌چاله‌ها،‌ جرم یک سیاه‌چاله حدود ۸ برابر جرم خورشید و جرم دیگیری حدود ۳۱ برابر جرم خورشید بود. این نابرابری و عدم‌تعادل باعث می‌شد که سیاه‌چاله‌ی بزرگ‌تر فضای اطراف را خم کند،‌ به‌طوری‌که مسیر سیاه‌چاله‌ی دیگر از یک مارپیچ کامل منحرف شود. این رخداد در سیگنال‌های امواج حاصل دیده می‌شود.

رشته‌رصدهای پیشین ادغام سیاه‌چاله‌ها با جرم‌های تقریباً برابر را آشکارسازی کرده بود. فیزیک‌دان‌ها بااشتیاق منتظر رخدادهای سیاه‌چاله‌ای با جرم‌های نابرابر بودند، زیرا روش‌های دقیق‌تری برای آزمون نظریه‌ی نسبیت عام فراهم می‌کند. در ادغام آخر سیاه‌چاله‌ها،‌ جرم یک سیاه‌چاله حدود ۸ برابر جرم خورشید و جرم دیگیری حدود ۳۱ برابر جرم خورشید بود. این نابرابری و عدم‌تعادل باعث می‌شد که سیاه‌چاله‌ی بزرگ‌تر فضای اطراف را خم کند،‌ به‌طوری‌که مسیر سیاه‌چاله‌ی دیگر از یک مارپیچ کامل منحرف شود. این رخداد در سیگنال‌های امواج حاصل دیده می‌شود.

رصدخانه‌ی امواج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری (LIGO) –یکی از دوقلوهای آشکارساز مستقر در هانفورد،‌ واشنگتن و لیوینگستون، لوییزیانا، و رصدخانه‌ی ویرگو (Virgo) در نزدیکی پیسا (Pisa)، در ایتالیا، ‌هر دو این رخداد را آشکارسازی کردند، رخدادی که با اطمینان بالایی در ۱۲ آوریل ۲۰۱۹ با نام GW190412 شناسایی شده است. گروه همکاران LIGO–Virgo، که فیشباخ هم در آن فعالیت می‌کند، یافته‌های خود را در arXiv preprint منتشر کرده است.

سومین و آخرین رشته‌رصد آنها در اول آوریل ۲۰۱۹ آغاز شد و ۲۷ مارس ۲۰۲۰، با یک ماه تعطیلی در ماه اکتبر، پایان یافت. حساسیت بسیار اصلاح‌شده شبکه را قادر ساخته است که حدود ۵۰ «رخداد کاندید» را با نرخ هفته‌ای یک رخداد جمع‌آوری کند. همکاری‌های بین‌المللی تاکنون فقط از یک رخداد دیگر از این دوره‌ی رصدی رونمایی کرده است. ادغام دوم بین دو ستاره‌ی نوترونی، موسوم به GW190425، است که در ماه ژانویه رونمایی شد.

فضای خمیده‌شده

رخداد اخیر بی‌نظیر است. یکی از دو سیاه‌چاله‌ی درحال ادغام جرمی حدود ۸ برابر جرم خورشید و سیاه‌چاله‌ی دیگر بیش‌از ۳ برابر بیشتر، حدود ۳۱ برابر جرم خورشید داشت. این نابرابری جرمی باعث شده که سیاه‌چاله‌ی بزرگ‌تر فضای اطراف را خم کند و بدین‌ترتیب مسیر سیاه‌چاله‌ی کوچک‌تر از مارپیچ کامل منحرف شود. این رخداد را می‌توان در امواج گرانشی حاصل دید، که به‌صورت اجرامی که درون یکدیگر به‌صورت مارپیچی می‌پیچند دیده شده است. همه رویدادهای دیگرِ ادغام که رونمایی ‌شده، امواجی تولید کرده که با نزدیک شدن به لحظه‌ی برخورد شدت و فرکانس آنها افزایش می‌یابد. اما GW190412 متفاوت بود: شدت آن به‌راحتی امواج روبشی افزایش نمی‌یافت. فیشباخ گفت: همین نگاه کردن به ریخت‌شناسی (مورفولوژی) سیگنال باعث شد که این سیستم بسیار جالب باشد.

فیزیک‌دانان مشتاقانه منتظر چنین رخدادهای «پیچیده‌ای» هستند، چرا که روش‌های جدیدِ بسیار دقیقی برای آزمودن نظریه‌ی گرانشی اینشتین، نظریه‌ی نسبیت عام، فراهم می‌کند. ماکسیمیلیانو ایسی، از مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست در کمبریج، یکی دیگر از اعضاء LIGO که در گردهم‌آیی ارائه داشت، می‌گوید: ما در دوره‌ی جدیدی از آزمون نسبیت عام قرار داریم.

بخصوص محققان توانستند از این داده‌ها برای تشخیص «اسپین» (سرعت چرخش به‌دور خود) سیاه‌چاله‌ها استفاده کنند. ایسی گفت: ما با اطمینان می‌دانیم که جرم سنگین‌تر باید دور خود بچرخد. رخداد قبلی محققان را گیج کرده بود: رصد سیاه‌چاله‌های راه شیری نشان داده بود که سیاه‌چاله‌ها باید اسپین‌های بسیار بالایی داشته باشند، اما در داده‌های امواج گرانشی دو رشته‌رصد پیشین دیده نشده بود.

اخترفیزیک‌دان‌ها امیدوارند که با شناسایی اسپین‌ها بتوانند چگونگی تشکیل سیاه‌چاله‌ها و چرخیدن ‌آنها به‌دور یکدیگر را روشن کنند. هر چه اطلاعات درباره‌ی ادغام‌های نامتقارن بیشتر باشد، به اندازه‌گیری دقیق‌تر فاصله‌‌ی رخداد از راه‌ شیری کمک می‌کند. جمع‌آوری اندازه‌گیری‌های بسیار زیاد می‌تواند شیوه‌ی جدیدی برای ترسیم تاریخچه‌ای از انبساط عالم فراهم کند.

جو ون‌دن برند، فیزیک‌دانی از مؤسسه‌ی ملی فیزیک زیراتمی در آمستردام، می‌گوید: گروه همکاری LIGO–Virgo به انتشار نتایج بیشتر گنجینه‌ی وسیع منتشرنشده‌ی خود ادامه می‌دهد که شامل رخدادهای تکی‌ای است که بسیار هیجان‌انگیز و جالب‌اند. بگذارید این‌گونه درنظر بگیریم که من فکر می‌کنم نتایج بسیار خوب‌اند.

شبیه‌سازی بسیار زیبای این رخداد در این نشانی دردسترس است:

https://youtu.be/5AkT4bPk-00

نویسنده: Davide Castelvecchi

منبع: https://www.nature.com/articles/d41586-020-01153-7