اكتشف العلماء موجات الجاذبية الناتجة عن حدث اندماج الثقب الأسود، والتي أدت إلى استقرار الثقب الأسود في شكل كروي مستقر. تكشف هذه الموجات أن الثقب الأسود المركب قد يكون أكبر بكثير مما كان يعتقد سابقًا.
عندما تم اكتشافه لأول مرة في 21 مايو 2019، كان يُعتقد أن حدث موجة الجاذبية المعروف باسم GW190521 قد جاء من اندماج الاثنين. الثقوب السوداءأحدهما كتلته 85 شمسًا والآخر كتلته حوالي 66 شمسًا. ويعتقد العلماء أن هذا الاندماج أنتج حوالي 142 الكتلة الشمسية الابنة ثقب أسود.
ومع ذلك، فإن اهتزازات الزمكان التي تمت دراستها حديثًا من ثقب أسود مندمج، والتي تموج نحو الخارج عندما يتم حل الفراغ في كرة مثالية، تبدو أكبر مما كان متوقعًا في البداية. فبدلاً من أن تبلغ كتلته 142 كتلة شمسية، تشير الحسابات إلى أن كتلته يجب أن تساوي 250 ضعفًا. الشمس.
ستساعد هذه النتائج العلماء في النهاية على تصميم تجارب أفضل النسبية العامة, البرت اينشتاين1915 نظرية جاذبيةالذي قدم لأول مرة مفهوم موجات الجاذبية والثقوب السوداء. وقال عالم الفيزياء النظرية ستيفن جيدينجز من جامعة كاليفورنيا في بيركلي: “إننا نستكشف بالفعل حدودًا جديدة هنا”. قال في بيان.
متعلق ب: كيف تقترب الثقوب السوداء الراقصة بدرجة كافية للاندماج
موجات الجاذبية والنسبية العامة
تتنبأ النسبية العامة بأن الأجسام ذات الكتلة سوف تشوه نسيجها ذاته فضاء والزمن – متحد في كيان واحد رباعي الأبعاد يسمى “الزمكان” – وينشأ من منحنى “الجاذبية”.
فمثلما تُحدِث كرة البولينج الموضوعة على لوح مطاطي “انبعاجًا” أكثر شدة من كرة التنس، فإن الثقب الأسود يسبب انحناءًا في الزمكان أكثر من النجم، ويسبب النجم انحناءًا أكثر من الكوكب. في الواقع، الثقب الأسود، في النسبية العامة، هو نقطة من المادة تتسبب في أن يصبح انحناء الزمكان أكثر تطرفًا، عند الحدود الحدث لا ينتشرولا حتى الضوء يتمتع بالسرعة الكافية للهروب من الحفرة الداخلية.
ومع ذلك، فإن هذا ليس التنبؤ الثوري الوحيد للنسبية العامة. وتنبأ أينشتاين أيضًا أنه عندما تتسارع الأجسام، يجب أن تنشأ تموجات تسمى رنين الزمكان. موجات الجاذبية. مرة أخرى، كلما كانت الأجسام المعنية أكبر، كانت الظاهرة أكثر حدة. بينما تدور الأجسام الكثيفة مثل الثقوب السوداء حول بعضها البعض، وتتسارع باستمرار بسبب حركتها الدائرية، فإن الزمكان المحيط بها يطن بموجات الجاذبية، مثل الجرس المقرع.
تحمل هذه التموجات في الزمكان الزخم الزاوي بعيدًا عن الثقوب السوداء الحلزونية، وهذا يؤدي إلى تضييق المدارات المتبادلة للثقوب السوداء، وسحبها معًا وزيادة تردد موجات الجاذبية المنبعثة. تدور الثقوب السوداء بشكل أقرب فأقرب من بعضها البعض، وتندمج في النهاية لتشكل ثقبًا أسودًا جديدًا، مما يرسل موجات جاذبية عالية التردد يتردد صداها عبر الكون.
ولكن كان هناك شيء واحد أساء أينشتاين فهمه بشأن موجات الجاذبية. وكان عالم الفيزياء الكبير يعتقد أن هذه التموجات ضعيفة للغاية في الزمكان. أرض بعد السفر عبر الكون لملايين أو مليارات السنين الضوئية.
ومع ذلك، في سبتمبر. في عام 2015، المخترعون المزدوجون مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل بالليزر وأظهر (LIGO) ومقره واشنطن ولويزيانا أن أينشتاين كان مخطئًا. واكتشفوا GW150914، وهي موجات الجاذبية المرتبطة باندماج حوالي 1.3 مليار ثقب أسود. سنة ضوئية بعيداً. تم الكشف عن إشارة موجة الجاذبية كتغير في طول أحد أذرع الليزر الطويلة الخاصة بمرصد ليجو والتي يبلغ طولها 2.5 ميل (4 كيلومترات)، أي ما يعادل جزءًا من الألف من العرض. بروتون.
ومن اللافت للنظر أنه منذ ذلك الحين، اكتشف مرصد ليجو وزملاؤه من أجهزة كشف موجات الجاذبية، مثل جاني في إيطاليا وغاجرا في اليابان، العديد من هذه الأحداث، ووصلوا إلى النقطة التي تمكنوا فيها من اكتشاف حدث واحد لموجة الجاذبية كل أسبوع. ومع ذلك، حتى بين هذه الوفرة من أجهزة كشف موجات الجاذبية، يبرز GW190521.
ظاهرة موجة الجاذبية الخاصة
كان تردد اندماج الثقبين الأسودين خلف إشارة GW190521، الواقع على بعد 8.8 مليار سنة ضوئية من الأرض، منخفضًا جدًا لدرجة أن التردد ارتفع بشكل كافٍ فقط خلال المدارين الأخيرين للثقبين الأسودين. سيصل LIGO وVirgo إلى حدود الحساسية الخاصة بهما.
يريد الفريق الذي يقف وراء هذا التحقيق الجديد – والذي ليس جزءًا من تعاون LIGO/Virgo – معرفة المعلومات التي تحتوي عليها هذه الإشارة حول الاصطدام العنيف والاندماج بين هذه الثقوب السوداء.
ووجدوا أنه بعد اصطدام الثقبين الأسودين مباشرة، تشكل الثقب الأسود بشكل مائل. تكون الثقوب السوداء مستقرة فقط عندما يكون لها شكل كروي، مما يعني أنه خلال أجزاء من الثانية من التقارب، يجب أن يتخذ الثقب الأسود الابن شكل كرة.
وقال الفريق إنه مثلما يحدد شكل الجرس التردد الذي يرن به، فبينما يعدل هذا الثقب الأسود الجديد شكله، تتغير ترددات موجات الجاذبية التي يرنها. تحمل موجات الجاذبية هذه، المعروفة باسم “ringdowns”، معلومات حول كتلة الثقب الأسود الابن وسرعة دورانه.
توفر موجات الجاذبية الناتجة عن عمليات الاندماج هذه للعلماء طريقة بديلة لقياس خصائص الثقوب السوداء المندمجة، على عكس الطريقة التقليدية المتمثلة في استخدام موجات الجاذبية المتولدة أثناء عمليات الدوران.
وجد الفريق ترددين حلقيين متميزين في إشارة موجة الجاذبية لـ GW190521، والتي عند النظر إليها معًا تعطي الثقب الأسود الناتج 250 كتلة شمسية. وهذا يعني أنها أكبر بكثير مما تم تقديره باستخدام موجات الجاذبية الدوامية. كان العثور على موجات الجاذبية هذه بمثابة صدمة للفريق الذي يقف وراء هذه النتائج.
وقال بادري كريشنان، عالم الفيزياء بجامعة رادبود والمؤلف المشارك في البحث: “لا أعتقد أنني سأرى قياسًا كهذا في حياتي”.
تم تفصيل النتائج التي توصل إليها الفريق في مقال نشر في المجلة في 28 نوفمبر رسائل المراجعة البدنية.
