کشف ارتعاشات پنهان در یک ابرسیاه‌چاله

به نقل از نیچر، به نظر می‌رسد بزرگترین نمونه از ادغام سیاه‌چاله‌ها که تاکنون کشف شده است، سیاه‌چاله‌ای را با جرم ۱۵۰ برابر خورشید تولید می‌کند و متضاد برخی نظریه‌های پذیرفته‌شده به نظر می‌رسد. اکنون پژوهشگران می‌گویند که برای اولین بار شواهدی را از ارتعاشات بلندمدت یافته‌اند که سیاه‌چاله ایجادشده آن‌ها را به شکل کروی می‌کند.

«استیون گیدینگز» (Steven Giddings) فیزیک‌دان نظری «دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا» (UCSB) گفت: این یافته‌ها یک آزمون جدید و سخت‌گیرانه را برای نظریه «نسبیت عام» مطرح‌شده توسط «آلبرت اینشتین» ارائه می‌کنند که پیش‌بینی‌های دقیقی را درباره سیاه‌چاله‌ها و امواج گرانشی دارد. ما در این پژوهش، یک مرز واقعا جدید را بررسی می‌کنیم.

«بدری کریشنان» (Badri Krishnan) فیزیک‌دان «دانشگاه رادبود» (Radboud University) هلند و یکی از پژوهشگران این پروژه است که در اوایل کار خود، روی این نوع تحلیل به عنوان یک امکان نظری کار کرده بود. کریشنان گفت: در آن زمان هرگز فکر نمی‌کردم که در طول عمرم چنین بررسی‌هایی را ببینم.

پس از آغاز نجوم امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵، تشخیص دادن ادغام سیاه‌چاله‌ها به یک اتفاق عادی تبدیل شده است. آشکارساز‌های دوقلوی «رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری» (LIGO) در ایالت‌های واشنگتن و لوئیزیانا، اکنون به طور میانگین بیش از یک بار در هفته چنین ادغام‌هایی را مشاهده می‌کنند.

داده‌های رصدخانه LIGO و آشکارساز کوچک‌تر «ویرگو» (Virgo) در ایتالیا معمولا نشانه‌ای از امواج گرانشی منتشرشده از دو جرم بزرگ را نشان می‌دهند که به صورت مارپیچی به یکدیگر متصل شده‌اند. فرکانس این مدار‌ها و چگونگی افزایش آن تا لحظه ادغام، جرم اجرام فضایی و یک سیاه‌چاله را که از ادغام آن‌ها حاصل می‌شود، آشکار می‌کند. به طور کلی، هرچه اجرام فضایی جرم بیشتری داشته باشند، مدار آن‌ها در زمان ادغام طولانی‌تر است و فرکانس امواج گرانشی آن‌ها کمتر می‌شود.

در میان ده‌ها رویداد از این دست که تاکنون شناسایی شده‌اند، «GW ۱۹۰۵۲۱» برجسته‌تر است. این رویداد از روی تاریخ کشف آن در ۲۱ مه ۲۰۱۹ نام‌گذاری شده است. فرکانس ادغام آن به اندازه‌ای کم بود که فقط در دو مدار آخر خود وارد محدوده حساسیت اشکارساز‌های LIGO و ویرگو شد.

کریشنان و گروهش که به همکاری LIGO و ویرگو وابسته نیستند، می‌خواستند ببینند که آیا امواج گرانشی ناشی از آن رویداد ممکن است اطلاعاتی را نه تنها از زمان پیش از ادغام، بلکه از لحظه‌های پس از آن نیز منتقل کنند. در لحظه‌ای که دو سیاه‌چاله با هم ادغام می‌شوند، سیاه‌چاله ایجادشده یک شکل نامتقارن پیدا می‌کند، اما سیاه‌چاله‌ها فقط زمانی پایدار هستند که کروی باشند. در عرض چند میلی‌ثانیه، سیاه‌چاله‌ها به شکل متقارن و کم‌انرژی درمی‌آیند.

کریشنان گفت: همان طور که یک زنگ براساس شکل خود، با فرکانس‌های مشخصی به صدا در می‌آید، سیاه‌چاله تثبیت‌کننده نیز امواج گرانشی را با فرکانس‌هایی منتشر می‌کند که توسط جرم و چرخش آن تعیین می‌شوند. اندازه‌گیری فرکانس‌های چرخشی، راهی را برای تخمین زدن ویژگی‌های سیاه‌چاله فراهم می‌کند که جایگزین ویژگی فرکانس‌های مارپیچی است.

کریشنان و همکارانش اکنون داده‌های رویداد GW ۱۹۰۵۲۱ را مجددا تحلیل کرده‌اند تا به دنبال شواهدی از انتشار امواج آن باشند. آن‌ها دو فرکانس چرخشی جداگانه را پیدا کردند که به همراه یکدیگر، جرم سیاه‌چاله حاصل را به حدود جرم ۲۵۰ خورشید می‌رسانند. این محدوده جرم، بسیار سنگین‌تر از تحلیل اولیه‌ای است که توسط گروه LIGO و ویرگو انجام شده بود.

این پژوهش در مجله «Physical Review Letters» به چاپ رسید.