از وقتی که LIGO و Virgo برای اولین بار ادغام دو سیاه‌چاله را در سپتامبر سال ۲۰۱۵ رصد کردند^۱ (ببینید: اولین صداهای ادغام سیاه‌چاله‌ها)، آشکارسازی امواج گرانشی به یک اتفاق منظم تبدیل شد. با این حال جهانِ تاب‌دار به ارائه‌ی کشف‌های متنوع خود ادامه می‌دهد. اکنون گروه همکاری LIGO و Virgo، فقط دو هفته پس از انجام سومین رصد خود، گزارش داده‌اند که آشکارسازهای LIGO و Virgo یک ادغام سیاه‌چاله‌ای دیده‌اند که آن را GW190412 نامیده‌اند و به‌شکل قابلِ‌توجهی با بررسی‌های پیشین متفاوت است: این دوتایی «لورل و هاردی» به‌ترتیب با ۸ و ۳۰ برابر جرم خورشید، اولین سیستم دوتایی سیاه‌چاله‌ای کاملاً نامتقارن است که دیده شده است (شکل ۱)^۲. آشکارسازی چنین دوتاییِ نامتقارنی گنجینه‌ای از احتمالات علمی جدید فراهم می‌کند، از تعیین قیدهای قوی بر اسپین سیاه‌چاله تا ارائه سناریوهای جدید اخترفیزیکی برای تشکیل چنین سیستم‌های نامتوازن، تا آزمون نظریه نسبیت عام اینشتین در سامانه‌های کاوش‌نشده پیشین.

امواج گرانشی به‌طور طبیعی از نظریه نسبیت عام می‌آیند که گرانش را به پیچ‌وتاب‌های فضازمان در حضور ماده مرتبط می‌کند. جفتی از اجرام به‌هم‌پیوسته مانند ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها با چرخیدن به‌صورت مارپیچی حول یکدیگر فضازمان را به‌هم ریخته و درنهایت ادغام شده، موج‌هایی در فضازمان ایجاد می‌کنند که با سرعت نور به بیرون تابش می‌شود. این امواج میلیاردها سال بعد به آشکارسازهای امواج گرانشی ما می‌رسند، جایی که بازوهای چندین کیلومتریِ عمودبرهمِ آشکارسازها را اندکی تغییرِشکل می‌دهند. چنین الگوی تغییرِشکلی دینامیکِ سیستم‌های ادغام را رمزگشایی می‌کند، که شامل هندسه مداری و ویژگی‌های هر ستاره نوترونی یا سیاه‌چاله است.

تاکنون بیشترِ آشکارسازی‌ها جفت‌های سیاه‌چاله‌ای با جرم‌های تقریباً قابلِ‌مقایسه را نشان داده است: حتی نامتقارن‌ترین ادغام‌های آشکارسازی‌شده شامل نسبت جرمی کمتر از ۲ است^۳. همان‌طور که در نسبیت عام پیش‌بینی شده، غلبه‌ی سیگنالِ موج گرانشی در این مواردِ متقارن با یک فرکانس تکی است – هماهنگِ دومِ فرکانسِ دوتاییِ مداری^۴. علاوه‌براین، سیگنال‌های همه‌ی موارد آشکارسازی‌شده، به‌جز دو مورد (GW151226 و GW170729) شامل دوتایی‌هایی با اسپینِ مؤثرِ صفر بوده است. این پارامتر مجموع وزن جرمی هر مؤلفه‌ی اسپینی سیاه‌چاله عمود بر صفحه مداری آن است. اسپینِ مؤثرِ درحالِ ازبین‌رفتن برای سیاه‌چاله‌های با جرم برابر به این معنا است که این دو جرم یا اسپین‌های هم‌جهت دارند یا اسپین‌های در جهت‌های مخالف. اسپین مؤثر غیرصفر به میزان قابلِ‌توجهی بر دینامیک ادغام تأثیر می‌گذارد.

GW190412 در نگاه اول با کشف‌های قبلی هم‌راستا است – یک جفت سیاه‌چاله با جرم‌های مخصوص به خود شامل آشکارسازی‌های پیشین و مسیر تشکیل سیاه‌چاله‌ای مطابق با نظریه. هم‌زمان عدم تقارن در جرم‌های دوتایی آن را به سیستم به‌خوبی متفاوتی از هر چیز دیگری که تاکنون رصد شده تبدیل می‌کند (این فیلم را ببینید). LIGO و Virgo از مدل‌های مختلفِ شکل موجی برای آشکارسازی استفاده می‌کنند که در آن جرم یکی از سیاه‌چاله‌ها حدود ۳.۵ برابر جرم سیاه‌چاله‌ی دیگر است. طبق نظریه‌ی نسبیت عام این عدمِ‌تقارن، علاوه بر فرکانس تابشِ هماهنگ دومِ اصلی، به این معنا است که هماهنگ‌های بالاترِ تابش موج گرانشی، به‌خصوص مُدِ مرتبه‌ی سوم فرکانس مداری دوتایی، قابلِ آشکارسازی است. غالباً از امواج گرانشی با‌عنوان موسیقی کیهانی نام‌ برده می‌شود، و این قیاس در این مورد کاملاً‌مناسب است: برخورد این سیاه‌چاله‌ها در پهنه‌ی جهان سیگنالی تولید کرده که دارای «پنجمِ درست» (perfect fifth) فاصله‌ای در موسیقی& است، مانند آن‌چه بین نوت‌های G و C مربوط به دو فرکانس با نسبت ۳:۲ است^۵.

https://physics.aps.org/assets/303ad9ef-0212-4388-9032-52a71a40d317/video1.mp4

فیلم ۱:‌ شبیه‌سازی عددی از حرکت مارپیچی و ادغام دو سیاه‌چاله با نسبت‌های جرمی ۳:۵ که با رصدهای GW190412 مطابق است.

سیاه‌چاله‌های نامتقارن این فرصت را برای محققان فراهم می‌کنند تا نسبیت عام را در سامانه‌های کشف‌نشده پیشین بررسی کنند؛ یعنی با آزمودن پیش‌بینی‌های نظریه برای گشتاورهای چندگانه‌ی مربوط به تابش‌های هماهنگ‌های بالاترِ یک ادغام نامتقارن. همه پارامترهای مربوط به انحراف از نسبیت عام با صفر بودن سازگار بود – حتی وقتی ریزه‌کاری‌های ظریف نظریه به شیوه‌های جدید آزموده شد،‌ همچنان اینشتین تأیید شد.

محققان با تنظیم سیگنال‌های پیچیده‌تر؛ دربردارنده‌ی هماهنگ‌های بالاتر، در مقایسه با آشکارسازی‌های پیشین، محدودیت‌های موجود بر پارامترهای سیستم، مانند فاصله‌ی دوتایی از زمین، نسبت جرمی آن و اسپین سیاه‌چاله را به‌شدت بهبود بخشیدند. درواقع دانشمندان LIGO و Virgo دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های اسپین سیاه‌چاله،‌ که تاکنون از داده‌های امواج گرانشی به‌دست‌ آمده، را گزاش کردند و دریافتند که اسپین افق رویدادِ سیاه‌چاله‌های بزرگ‌تر حدود ۴۳درصد سرعت نور است. اکنون GW190412 سومین سیگنالی است که نشان‌دهنده‌ی شواهد اسپین غیرصفر است، نشان‌دهنده‌ی این که پتانسیل زیادی برای تعیین دقیق و مستقیم این ویژگی بااستفاده از تجزیه‌وتحلیل امواج گرانشی وجود دارد^{۶ و ۷}. دیگر تکنیک های متداول برای توصیف اسپین، غیرمستقیم است زیرا از اسپین سیاه‌چاله ناشی از تابش پرتو ایکس حاصل از افتادن مواد درون سیاه‌چاله به‌دست می‌آید و بدین‌ترتیب باید بر مدل‌های دینامیکی برافزایشی‌ای تکیه کند که آزمودن آنها سخت است. درمورد GW190412، تجزیه‌وتحلیل سیگنال تقدیم خفیف اسپین‌های مداری نشان‌دهنده‌ی این است که اسپین هر سیاه‌چاله با محور حرکت مداری هم‌راستا نیست.

ویژگی خاص GW190412 دربین همتایانش – اسپین قابلِ‌اندازه‌گیری و جرم‌های نامتقارن – آن را به ترکیب ارزشمندی تبدیل کرده که ما را از اطلاعات مربوط به سیاه‌چاله آگاه می‌کند. محققان بااستفاده‌از ادغام‌هایی که قبلاً آشکارسازی شده بود نشان دادند که احتمال یافتن دوتایی‌های سیاه‌چاله‌ای بااندازه‌های خاص را می‌توان با یک قانون توانی توصیف کرد.دربردارندگی این دوتایی نامتقارن به ایجاد قیدهای بسیار سخت‌تری بر توزیع نسبت‌های جرمی موردانتظار می‌انجامد. درحالی‌که تجزیه‌وتحلیل‌های پیشین نشان داده که در یک سیستم حداقل نامتقارن مانند GW190412 فقط در ۱.۷درصد موارد^۸ دیده می‌شود، قانون توزیع جمعیتی که احتمال آشکارسازی جدید را تا ۲۵درصد افزایش می‌دهد.

آشکارسازی GW190412 نشان داده که چقدر بیشتر باید درباره ادغام سیاه‌چاله‌ها بیاموزیم. یک نتیجه‌ی مهم استخراج هماهنگ‌های باز هم بالاتر است. با شکستن پارامتر مهم تبهگنی، چنین هماهنگ‌هایی اندازه‌گیری فاصله‌ی دوتایی سیاه‌چاله‌ای را بهبود می‌بخشد، و به محققان این فرصت را می‌دهد تا از آن به‌عنوان «شیپور تاریک» برای اشاره به آهنگ انبساط محلی جهان استفاده کنند^۹. این رویکرد می‌تواند به محققان کمک کند تا مباحثاتی درباره‌ی ثابت هابل – که تابش زمینه کیهانی و اندازه‌گیری‌های ابرنواختری اندازه‌های متناقضی برای آن ارائه می‌دهند (ببینید: کیهان‌شناسان نمی‌توانند بر سر ثابت هابل توافق کنند) داشته باشند. و ممکن است آشکارسازی‌های دیگر سیستم‌های نامتقارن و اسپین آنها کانال‌های احتمالی شکل‌گیری آنها را روشن کند. مثلاً ممکن است اسپین‌های ناهم‌تراز سیاه‌چاله‌های GW190412 نشان دهد که این دوتایی مستقیماً از یک دوتایی ستاره‌ای نیامده‌اند" یکی از آنها می‌تواند محصول ادغام سیاه‌چاله‌ای پیشین باشد^۱۰. توصیف بهتر اسپین‌های سیاه‌چاله‌ای و محیطی که ادغام در آن صورت گرفته می‌تواند شاهد قطعی بر این فرضیه باشد. بدون تردید می‌توانیم انتظار داشته باشیم که آشکارسازی‌های آینده آگاهی‌های بسیار بیشتری درباره‌ی تنوع سناریوهای جفت‌های سیاه‌چاله‌ایِ درحالِ ادغام ارائه دهد. درواقع در حین نوشتن این دیدگاه، ‌محققان سیستم نامتقارن‌تری به‌نام GW190814 را گزارش کردند، که میزبان سنگین‌ترین ستاره‌ی نوترونی یا سبک‌ترین سیاه‌چاله‌ی کشف‌شده تاکنون است.^۱۱

منبع:

https://physics.aps.org/articles/v13/114

نویسنده:

استفان تیلر. استادیار فیزیک و نجوم در دانشگاه وندربیلت، در تنسی، و عضو هیئت علمی مؤسسه علوم داده‌ها در وندربیلت (Vanderbilt’s Data Science Institute) است. وی پس از کسب درجه‌ی دکترای تخصصی در سال ۲۰۱۴ از مؤسسه اخترشناسی دانشگاه کمبریج، در انگلیس، عضو دوره پسادکترای ناسا در آزمایشگاه پیشرانه‌ی جت (Jet Propulsion Laboratory) در کالیفرنیا و عضو ارشد پسادکترا در رصدخانه‌ی امواج گرانشی North American Nanohertz (NANOGrav) در مؤسسه‌ی تکنولوژی کالیفرنیا بوده است. کار او درامتداد طیف امواج گرانشی، با تمرکز قابل‌توجه بر استفاده از آرایه‌های تپ‌اخترهای با زمان‌بندی دقیق برای آشکارسازی امواج گرانشی با فرکانس پایین است. وی عضو NANOGrav و آرایه‌ی بین‌المللی زمان‌بندی تپ‌اخترها (International Pulsar Timing Array)، هردو است.

مراجع:

1.

B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Observation of gravitational waves from a binary black hole merger,” Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).

2.

R. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “GW190412: Observation of a binary-black-hole coalescence with asymmetric masses,” Phys. Rev. D 102, 043015 (2020).

3.

B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Binary black hole population properties inferred from the first and second observing runs of advanced LIGO and advanced Virgo,” Astrophys. J. 882, L24 (2019).

4.

L. Blanchet, “Gravitational radiation from post-Newtonian sources and inspiralling compact binaries,” Living Rev. Relativ. 17, 2 (2014).

5.

C. Berry, "GW190412—A new flavour of binary black hole," https://cplberry.com/2020/04/18/gw190412.

6.

B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “GW151226: Observation of gravitational waves from a 22-solar-mass binary black hole coalescence,” Phys. Rev. Lett. 116, 241103 (2016).

7.

K. Chatziioannou et al., “On the properties of the massive binary black hole merger GW170729,” Phys. Rev. D 100, 104015 (2019).

8.

B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “GWTC-1: A gravitational-wave transient catalog of compact binary mergers observed by LIGO and Virgo during the first and second observing runs,” Phys. Rev. X 9, 031040 (2019).

9.

M. Soares-Santos et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “First measurement of the hubble constant from a dark standard siren using the dark energy survey galaxies and the LIGO/Virgo binary–black-hole merger GW170814,” Astrophys. J. 876, L7 (2019).

10.

D. Gerosa, “Astrophysical implications of GW190412 as a remnant of a previous black-hole merger,” arXiv:2005.04243.

11.

R. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “GW190814: Gravitational waves from the coalescence of a 23 solar mass black hole with a 2.6 solar mass compact object,” Astrophy. J. 896, L44 (2020).