اكتشاف موجات الجاذبية من اصطدام الثقوب السوداء الضخمة يكشف عن “الرنين” المطلوب منذ فترة طويلة

توصل الباحثون إلى توقيع اهتزازات الاندماج الضخمة المخفية في بيانات عام 2019 من أجهزة LIGO و Virgo.

مقدمة

تعمل اندماجات الثقوب السوداء على إنتاج موجات الجاذبية التي يمكن اكتشافها على الأرض (محاكاة الكمبيوتر). الاندماج الأكبر للثقوب السوداء الذي تم اكتشافه على الإطلاق يبدو أنه أنتج ثقبًا أسود بكتلة 150 مرة كتلة الشمس، وهو يتحدى بعض النظريات المقبولة. يقول الباحثون الآن إنهم وجدوا لأول مرة أدلة على الاهتزازات المطلوبة التي ينتجها الثقب الأسود الناتج عن الاندماج عندما يستقر في شكل كروي.

اكتشاف الاهتزازات المطلوبة

توفر النتائج اختبارًا جديدًا وصارمًا لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين – نظرية الجاذبية التي تقدم توقعات مفصلة حول الثقوب السوداء وموجات الجاذبية – وفقًا لـ ستيفن جيدينجز، فيزيائي نظري في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا. “نحن نستكشف حقًا حدًا جديدًا هنا”، يقول جيدينجز.

يقول الفيزيائي بادري كريشنان، أحد مؤلفي الدراسة، إنه كان يعمل على هذا النوع من التحليل كاحتمالية نظرية في وقت سابق من حياته. “في ذلك الوقت، لم أكن أعتقد أبدًا أنني سأرى مثل هذا القياس في حياتي”، يقول كريشنان، الذي يعمل الآن في جامعة رادبود في هولندا. تم نشر النتائج هذا الأسبوع في مجلة Physical Review Letters.

الكشف عن موجات الجاذبية

بعد فجر علم الأمواج الجاذبية في عام 2015، أصبح اكتشاف اندماج الثقوب السوداء أمرًا روتينيًا. تكشف أجهزة الاستشعار المزدوجة لمرصد الأمواج الجاذبية بالتداخل بين الليزر (LIGO) في ولاية واشنطن ولويزيانا عن مثل هذه الاندماجات أكثر من مرة في الأسبوع في المتوسط.

تُظهر البيانات من LIGO ومن المرصد الأصغر Virgo بالقرب من بيزا في إيطاليا توقيعات موجات الجاذبية من جسمين ضخمين يدوران في اتجاه بعضهما البعض حتى يندمجا. يكشف تردد هذه المدارات وكيفية زيادة هذا التردد مع مرور الوقت حتى لحظة الاندماج عن كتلة الجسمين وعن الثقب الأسود الواحد الناتج عن اندماجهما. بشكل عام، كلما زادت كتلة الجسمين، زادت مدة مداراتهما في وقت الاندماج، وتنخفض ترددات موجاتهما الجاذبية.

ولكن من بين العديد من الأحداث المكتشفة حتى الآن، تميزت GW190521 – المسماة بهذا الاسم بناءً على تاريخ اكتشافها في 21 مايو 2019 – تميزت بتردد اندماجها المنخفض لدرجة أن النظام دخل مدى الحساسية لـ LIGO و Virgo فقط خلال آخر مدورين له.

البحث عن أدلة على الرنين

أراد كريشنان وزملاؤه، الذين ليسوا مرتبطين بالتعاون بين LIGO و Virgo، أن يرى ما إذا كانت موجات الجاذبية من تلك الحدث قد تحمل معلومات ليس فقط من الوقت السابق للاصطدام، ولكن أيضًا من اللحظات التي تليها مباشرة. في اللحظة التي تندمج فيها اثنتان من الثقوب السوداء، يكون الثقب الأسود الناتج عن ذلك ذو شكل غير متماثل. ولكن الثقوب السوداء مستقرة فقط عندما تكون كروية (أو كروية إذا كانت تدور بسرعة). في غضون جزء من الثانية، يستقرون في شكل متماثل ذو طاقة منخفضة.

بنفس الطريقة التي يرن الجرس بترددات محددة تحددها شكله، يرن الثقب الأسود المستقر ويشع موجات الجاذبية بترددات تحددها كتلته ودورانه، وفقًا لكريشنان. يوفر قياس ترددات الرنين طريقة لتقدير خصائص الثقب الأسود بديلة لخصائص الترددات المتداورة.

أعاد كريشنان وزملاؤه تحليل بيانات حدث GW190521 للبحث عن أدلة على الرنين. وجدوا ترددين منفصلين للرنين، يضعان الثقب الأسود الناتج في حوالي 250 كتلة شمسية – نطاق كتلة أثقل بكثير من التحليل الأصلي الذي قام به فريق LIGO-Virgo23.

المراجع: Capano, C. D. et al. Phys. Rev. Lett. 131, 221402 (2023). Abbott, R. et al. Phys. Rev. Lett. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.101102 (2020). Abbott, R. et al. Astrophys. J. Lett. https://doi.org/10.3847/2041-8213/aba493 (2020).

Source: https://www.nature.com/articles/d41586-023-03813-w