9 دقیقه
نقطهعطف جدید: ردیابی شلیک سهبعدی یک سیاهچاله
تیمی به سرپرستی Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) در دانشگاه سانتیاگو د کومپوستلا هر دو کمیت سرعت و جهت یک سیاهچالهٔ بهجا مانده از ادغام دوتایی سیاهچالهها را بازسازی کرده است. این نتیجه که در Nature Astronomy منتشر شده با استفاده از دادههای رویداد GW190412 نشان میدهد که ستارهشناسی امواج گرانشی نه تنها میتواند وقوع ادغامهای پرتوان را آشکار کند، بلکه حرکت کامل سهبعدی — یا رانش/شلیک — جسم حاصل را نیز نشان دهد.
پیشزمینهٔ علمی: امواج گرانشی و شلیک سیاهچالهها
امواج گرانشی نشرهای موجی در فضا-زمان هستند که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ پیشبینی کرد. این امواج توسط جرمهای شتابدار تولید میشوند و قویترین سیگنالها از رویدادهای بسیار پرانرژی مانند ادغام دوتایی سیاهچالهها، برخورد ستارگان نوترونی و ابرنواخترهای فروپاشی هستهای سرچشمه میگیرند. از آنجا که برخی از این منابع نور اندکی یا هیچ نوری تولید نمیکنند، آشکارسازهای امواج گرانشی پنجرهٔ مکملی به جهان ارائه میدهند.
اولین آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی، GW150914، در سال ۲۰۱۵ توسط رصدخانههای Advanced LIGO اعلام شد. آن مشاهدهٔ برجسته واقعیت ادغام اجسام فشرده را تایید کرد و رشتهٔ ستارهشناسی امواج گرانشی را بهعنوان یک شاخهٔ مشاهدهای جدید گشود. از زمان GW150914 تا کنون نزدیک به ۳۰۰ رویداد نامزد توسط شبکهٔ LIGO–Virgo گزارش شده است که امکان مطالعات جمعیتی و آزمونهای نوین نسبیت عام را فراهم آورده است.
یکی از نتایج برجستهٔ ادغامهای نامتقارن سیاهچالهها، رانش یا آنچه معمولاً بهعنوان "شلیک" گرانشی توصیف میشود، است. اگر تابش امواج گرانشی از یک ادغام ناهمسان — یعنی در برخی جهتها قویتر از دیگر جهتها — باشد، پایستگی تکانه باعث میشود که جسم بهجا مانده سرعتی به دست آورد. سرعتهای رانش میتواند از چند ده تا چند هزار کیلومتر بر ثانیه متغیر باشد؛ در برخی موارد این شلیکها آنقدر بزرگ هستند که میتوانند سیاهچاله را از خوشهٔ ستارهای میزبان یا حتی از کهکشان بیرون بیندازند.
GW190412: ادغامی با جرمهای نامساوی که شلیک قابلاندازهگیری داشت
تحلیل بر روی GW190412 متمرکز بود که در آوریل ۲۰۱۹ و در خلال سومین دورهٔ رصدی (O3) Advanced LIGO و Virgo شناسایی شد. GW190412 بهدلیل درگیر بودن سیاهچالههایی با جرمهای نامساوی و حضور واضح مؤلفههای تابش مرتبههای بالاتر — نوعی سیگنال امواج گرانشی «پُرتر» — قابل توجه است. این ویژگیها امکان محدودسازی جهتگیری و ساختار موج را محکمتر از سامانههای متقارنتر فراهم میکنند.
با مدلسازی نحوهٔ تغییر موج بر اساس موقعیت ناظر، تیم بردار سرعت جسم بهجا مانده را نسبت به زمین و نسبت به جهات درونی سامانهٔ دوتایی (مثلاً تکانهٔ زاویهای مداری) بازسازی کرد. نتیجه نشان میدهد که جسم بهجا مانده سریعتر از ۵۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت کرده است — بهاندازهای که نویسندگان اشاره میکنند میتواند برای فرار از یک خوشهٔ کروی متراکم کافی باشد — و توصیف سهبعدی کاملی از شلیک چند ثانیه پس از ادغام فراهم میآورد.
چگونه این اندازهگیری عملی میشود
سیگنالهای امواج گرانشی جمعبندی پیچیدهای از مدها هستند (اجزایی ریاضی از موج که با نتهای موسیقی قابل قیاساند). هنگامی که مدهای مختلف نقش قابلتوجهی ایفا کنند، دامنهٔ نسبی و فاز هر مد به زاویهٔ دید بستگی دارد. این وابستگی به تحلیلگران اجازه میدهد تا موقعیت ناظر نسبت به منبع را استنتاج کنند. تیم تحت رهبری IGFAE از مدلهای موجی استفاده کرد که این مؤلفههای مرتبهٔ بالاتر را در بر میگیرند و آنها را با روشهای برآورد پارامتر مبتنی بر استنتاج بیزی ترکیب نمود. بهقول نویسندهٔ ارشد پروفسور Juan Calderon-Bustillo: "ادغامهای سیاهچاله را میتوان همچون جمعی از سیگنالهای مختلف فهمید، درست مثل موسیقی یک ارکستر... مخاطبانی که در نقاط مختلف اطراف آن قرار دارند ترکیبهای متفاوتی از سازها را ضبط میکنند که به آنها اجازه میدهد دقیقاً بفهمند کجا ایستادهاند."
استراتژی مبتنی بر سه مؤلفهٔ اندازهگیریشده است: (۱) سهمهای نسبی مدهای موج که اطلاعات زاویهٔ دید را کد میکنند؛ (۲) جرمها و چرخشهای استنتاجشدهٔ اجزای دوتایی که سرعت رانش مورد انتظار در نسبیت عام را تعیین میکنند؛ و (۳) مدلسازی آماری دقیق برای ترکیب عدمقطعیت مشاهدهای با پیشبینیهای نظری.
کشفهای کلیدی و پیامدها
کشف اصلی این است که تنها یک سیگنال امواج گرانشی میتواند بازسازی سهبعدی کامل حرکت یک سیاهچالهٔ بهجا مانده در فواصل کیهانی را فراهم کند. دکتر Koustav Chandra (Penn State)، یکی از نویسندگان، اهمیت را اینگونه خلاصه کرد: "این یکی از معدود پدیدهها در اخترفیزیک است که ما نه تنها چیزی را شناسایی میکنیم — بلکه حرکت سهبعدی کامل یک جسم را که میلیاردها سال نوری دور است بازسازی میکنیم، تنها با استفاده از رگههای فضا-زمان. این نمایش خارقالعادهای از توانمندیهای امواج گرانشی است."
پیامدهای عملی شامل موارد زیر است:
- نگهداری یا پرتاب در محیطهای ستارهای: رانش بالاتر از حدود ۵۰ کیلومتر بر ثانیه میتواند یک سیاهچاله را از سیستمهای کمجرم مانند خوشههای کروی یا از مناطق مرکزی کهکشانهای کوتوله آزاد کند. این موضوع بر پیشبینی نرخهای ادغام در محیطهای متراکم و تاریخ رشد سیاهچالههای بزرگ اثر میگذارد.
- جستجوهای چندپیامرسانهای: اندازهگیری جهت رانش به ارزیابی قابلیت رؤیت هر فوران الکترومغناطیسی احتمالی کمک میکند، زمانی که جسم بهجا مانده از میان گاز متراکم عبور میکند. همانطور که همنویسنده Samson Leong (CUHK) اشاره میکند، "از آنجا که قابلیت رؤیت فوران بستگی به جهت رانش نسبت به زمین دارد، اندازهگیری رانشها به ما امکان میدهد بین یک جفت واقعی سیگنال GW–EM که از یک سیستم دوتایی سیاهچاله ناشی شده و یک همزمانی تصادفی تفکیک قائل شویم." در دیسکهای هستهای فعال (AGN) یا سایر محیطهای متراکم، یک جسم رانشخورده ممکن است گاز پیرامون را مختل کند و تابش الکترومغناطیسی گذرایی تولید کند.
- پیامدهای جمعیتی و کیهانشناختی: اندازهگیریهای دقیق رانش به مدلهای جمعیتشناسی سیاهچالهها، کسری که در خوشهها نگه داشته میشود، سناریوهای ادغام سلسلهمراتبی و پسزمینهٔ مورد انتظار امواج گرانشی خوراک میدهد.
این نتیجه همچنین روشی را که در سال ۲۰۱۸ توسط همان گروه پیشنهاد شده بود تایید میکند؛ آن روش نشان داد که آشکارسازهای زمینی کنونی میتوانند شلیکها را از سیگنالهایی با محتوای مد بالاتر اندازهگیری کنند — در حالی که رویکردهای پیشین فرض کرده بودند که آشکارسازهای فضایی مانند LISA، که به منابع کمفرکانس حساساند، مورد نیاز خواهند بود.
فناوریهای مرتبط و چشمانداز آینده
این اندازهگیری اهمیت حساسیت آشکارساز و مدلسازی موج را برجسته میکند. ارتقاءهای مستمر LIGO، Virgo و KAGRA تعداد و کیفیت رویدادهای شناساییشده را افزایش خواهد داد و شانس ثبت سامانههای بیشتری با مدهای قابلاندازهگیری را بهتر میکند. آشکارسازهای آینده مانند LIGO Voyager، Einstein Telescope، Cosmic Explorer و رصدخانهٔ فضایی LISA محدودهٔ جرم و فاصلهٔ قابل دسترسی را گسترش داده و مستقیماً حوزههایی را که در آنها شلیکها میتوانند بزرگتر باشند یا منجر به همتافتهای الکترومغناطیسی قابلمشاهده شوند، بررسی خواهند کرد.
ترکیب اندازهگیریهای امواج گرانشی با بررسیهای الکترومغناطیسی و رصدخانههای حوزهٔ زمان برای تأیید پیوندهای فوران و مطالعهٔ محیطهایی که ادغامها در آن رخ میدهد ضروری خواهد بود. برنامههای هماهنگ میان تاسیسات GW و رصدخانههای میدان وسیع در باندهای بصری، فروسرخ، پرتو ایکس و رادیو جستجو برای گذراهای ناشی از رانش را تیزتر خواهند کرد.
دیدگاه کارشناس
دکتر Maya Singh، اخترفیزیکدان نظری در Institute for Gravitational Physics، دیدگاه زمینهای ارائه میدهد: "این کار گامی تعیینکننده برای ستارهشناسی امواج گرانشی است. با استخراج بردار سرعت کامل جسم بهجا مانده از یک رویداد واحد، تیم نشان میدهد که میتوانیم فراتر از تشخیص حرکت کنیم و بازسازی کینماتیک انجام دهیم. این توانایی به ما امکان خواهد داد تا بررسی کنیم چگونه سیاهچالهها در محیطهای اخترفیزیکی مختلف تقسیمبندی میشوند و سناریوهای ادغام تکراری در خوشههای متراکم را آزمون کنیم. از منظر مشاهدهای، آشکارسازی تعداد بیشتری از سیگنالهای دارای مدهای بالا به ما امکان میدهد توزیع سرعتهای شلیک را در جمعیت نگاشت کنیم که پیامدهای مستقیمی برای رشد و نگهداری سیاهچالهها در کهکشانها دارد."
دکتر سینگ یک نکتهٔ فنی اضافه میکند: "مدلهای موج دقیق که شامل مولتیپلهای مرتبهٔ بالاتر و پیشگردش هستند ضروریاند. پیشرفت در توسعهٔ مدل موج و روشهای برآورد پارامتر در دههٔ گذشته این اندازهگیری را امروز ممکن ساخته است."
نتیجهگیری
تحلیل رهبریشده توسط IGFAE از GW190412 نخستین اندازهگیری سهبعدی کامل سرعت رانش یک سیاهچاله را ارائه میدهد و نشان میدهد که دادههای امواج گرانشی میتوانند هم اندازه و هم جهت شلیک جسم بهجا مانده را آشکار کنند. با سرعت اندازهگیریشدهای بیش از ۵۰ کیلومتر بر ثانیه، جسم بهجا ماندهٔ GW190412 نمونهای است از اینکه چگونه ادغامهای نامتقارن میتوانند سرنوشت سیاهچالهها را تغییر دهند — از جمله احتمال پرتاب آنها از خوشهها و شکلدهی به محیطهای اخترفیزیکیشان. فراتر از نتیجهٔ آنی، این کار نشاندهندهٔ توانمندیهای رو به رشد ستارهشناسی امواج گرانشی است: نه تنها برای شناسایی رویدادهای اکستریم، بلکه برای بازسازی دقیق دینامیک آنها و هدایت جستجوهای چندپیامرسانهای برای همتافتهای الکترومغناطیسی. با بهبود حساسیت آشکارسازها و مدلهای موج، انتظار میرود اندازهگیریهای مشابه بهطور معمول انجام شوند و محدودههای جدیدی را دربارهٔ کانالهای شکلگیری سیاهچاله، ادغامهای سلسلهمراتبی و تعامل میان اجسام فشرده و محیط پیرامونشان فراهم آورند.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر