10 دقیقه
موج گرانشی غیرعادی و یک تفسیر تحریک‌آمیز
در سال 2019 رصدخانههای LIGO و Virgo یک سیگنال موج گرانشی به‌طور فوق‌العاده کوتاه را ثبت کردند — سیگنالی که کمتر از یک‌دهم ثانیه طول کشید — که با نام GW190521 شناخته شد. برخلاف «چیپ» شناخته‌شده‌ای که معمولاً از ادغام دو سیاهچاله حاصل می‌شود و با افزایش تدریجی فرکانس و دامنه همراه است، GW190521 به صورت یک پالس واحد و تیز ظاهر شد. تفسیر متداول چنین بوده است که دو سیاهچاله در یک مواجهه هایپرولبیک لحظه‌ای با هم برخورد کرده و بدون یک الهامبخش طولانی ادغام شده‌اند. اما یک پیشچاپ در سال 2025 به رهبری فیزیکدان چی لای (Qi Lai) از دانشگاه آکادمی علوم چین پیشنهاد جایگزینی بسیار عجیب‌تر را مطرح می‌کند: این پالس مشاهده‌شده میتواند بازتاب (اکو) یک برخورد سیاهچاله در یک جهان جداگانه باشد که از طریق یک کرم‌چاله در حال فروپاشی، در جریان آن ادغام، به جهان ما منتقل شده است.
این پیشنهاد، اگرچه نامعمول و دور از مدل‌های استاندارد، پرسش‌های مهمی درباره ماهیت توپولوژی فضا-زمان و پیام‌رسانی میان نواحی مختلف عالم مطرح می‌کند. اگر ورود چنین مکانیسمی به عنوان یک توضیح ممکن پذیرفته شود، باید توضیح دهد که چگونه موج گرانشیِ فرستاده‌شده از یک منطقه دیگر از فضا-زمان توانسته است با شکل زمانی مختصر و مشخصی به آشکارسازهای زمینی برسد. این ایده باعث شده تا محققان نه‌تنها روی مدلسازی نظری کار کنند، بلکه راه‌های آزمون تجربی این سناریوهای عجیب را نیز بررسی نمایند.
پیش‌زمینه علمی: موجهای گرانشی و نبود الهامبخش
موجهای گرانشی چین و شکن‌هایی در بافت فضا-زمان هستند که توسط جرم‌های شتاب‌دار تولید می‌شوند — مهم‌ترین منابع آشکار این امواج، ادغامهای سیاه‌چاله‌ها و ستارگان نوترونی‌اند. برای سامانه‌های دوتایی که در مدار هم می‌چرخند و انرژی تابشی از دست میدهند، سیگنال منتشرشده نشان‌دهندهٔ افزایش تدریجی فرکانس و دامنه است که به آن «الهامبخش» (inspiral) می‌گویند؛ این روند در نهایت به یک ادغام (merger) و سپس دمیدن حلقه‌ای (ringdown) می‌انجامد. این توالی زمانی و فرکانسی همان موج «چیپ» معروف را تولید می‌کند که برای شناسایی ادغامهای فشرده استفاده می‌شود.
ویژگی برجستهٔ GW190521 نبودن بخش الهامبخش بود. با جرم کلی استنتاج‌شده‌ای در حدود 142 برابر جرم خورشید، باید یک مرحله الهامبخش قابل تشخیص در باند فرکانسی حساس LIGO/Virgo وجود می‌داشت، بنابراین ظهور کوتاه و تکانشی سیگنال جای تعجب داشت. این مشاهده محققان را بر آن داشت تا توضیحات غیرمعمول و فراتر از سناریوی سادهٔ گذر و ضبط (flyby capture) را بررسی کنند.
در تفسیرهای استاندارد، چند عامل می‌توانند باعث کاهش یا پنهان شدن الهامبخش شوند: جرم بسیار زیاد مؤلفه‌ها که سبب می‌شود فاز الهامبخش در فرکانسهای پایینتر از باند آشکارساز بیفتد؛ زاویه مداری و هندسهٔ برخورد که موجب کاهش سیگنال قابل آشکارسازی می‌شود؛ و یا ادغام در محیط پرتراکم مانند هسته خوشه‌های ستاره‌ای که دینامیک پیچیده‌ای تولید می‌کند. با این حال، هیچ‌یک از این عوامل به‌تنهایی به‌طور کامل توضیح‌دهندهٔ شکل تیز و کوتاه GW190521 نیستند، از این رو گزینه‌های غیرمعمول مانند توصیف کرمچالهای مورد توجه قرار گرفته‌اند.
فرضیه کرم‌چاله: روش و نتایج
لای و همکارانش یک فرم موج نظری توسعه دادند که در صورت تولید یک کرمچالهٔ گذرا میان دو منطقهٔ جداگانهٔ فضا-زمان در جریان ادغام دو سیاهچاله، انتظار می‌رود پدیدار شود. در سناریوی پیشنهادی، ادغام اولیه ممکن است به‌طور گذرا یک کرم‌چاله ایجاد کند که دو «جهان» یا ناحیهٔ متفاوت را به هم پیوند می‌دهد. اگر چنین کرمچالهای به سرعت فروبپاشد و در نهایت به یک سیاه‌چالهٔ واحد تبدیل شود، سیگنالی که به آشکارسازهای ما می‌رسد ممکن است بیشتر تحت تسلط یک پالس کوتاه مرتبط با فروپاشی و مودهای اکو (echoing modes) باشد تا یک چیپ طولانی الهامبخش.
برای به‌دست‌آوردن این فرم موج، تیم تحقیقاتی معادلات میدانِ گرانش را در حضور شرایط مرزی خاصی که رفتار کرمچالهٔ گذرا را شبیه‌سازی می‌کند حل کردند و پاسخ مودهای ارتعاشی را محاسبه نمودند. آن‌ها اثرات پارامترهایی مانند زمان فروپاشی، اندازهٔ مؤثر کرم‌چاله، و خواص ماده یا میدان‌هایی که امکان‌پذیرکنندهٔ کرم‌چاله را فراهم می‌سازند، بررسی کردند. نتایج نشان داد که برای بازتولید یک پالس کوتاه و شدید مانند GW190521، کرم‌چاله باید ویژگی‌های زمانی و هندسی خاصی داشته باشد؛ از جمله فروپاشی سریع و انتقال انرژی در باند فرکانسی مناسب.
تیم سپس این فرم موج کرمچالهای را با دادههای GW190521 و با یک قالب مرسوم ادغام-دو-سیاهچاله مقایسه کرد. به‌صورت کمی، مدل استاندارد ادغام دو سیاهچاله تطبیق نسبتاً بهتری ارائه داد، اما تنها با حاشیهٔ کمی بهتر بود. این تفاوت اندک، فضای کافی برای تفسیرهای جایگزین را باقی می‌گذارد؛ به‌عقیدهٔ نویسندگان، مدل کرمچالهای با دادههای کنونی قاطعانه رد نمیشود.
چرا این موضوع اهمیت دارد
اگر رویدادهای موج گرانشی مانند GW190521 توسط دینامیک کرم‌چاله‌ها تولید شده باشند، پیامدها عمیق خواهد بود. چنین کشف یا اثباتی نه تنها به ساختارهای عجیب توپولوژیک در فضا-زمان اشاره می‌کرد؛ بلکه ابزار مشاهده‌ای نوینی برای مطالعهٔ خواص این اشیاء فراهم می‌ساخت. به‌عنوان مثال، اندازه‌گیری مودهای بازتابی و فرکانسهای مشخص میتواند اطلاعاتی دربارهٔ شعاع مؤثر، پایداری و مواد یا میدان‌های لازم برای نگه‌داشتن یا تولید کرم‌چاله‌ها در اختیار بگذارد.
هم‌زمان، تفسیر کرمچالهای مستلزم فیزیک فراتر از چارچوب‌های شناخته‌شده است و به ترکیب‌هایی از ماده یا میدان‌ها اشاره می‌کند که امروز تنها در نظریه‌ها و مدل‌های نظری دیده شده‌اند. این شامل نقض شرایط انرژیِ کلاسیک یا وجود میدان‌های نسبیتی خاصی است که تاب‌آوری ساختارهای قابل‌عبور را امکان‌پذیر می‌کنند. بنابراین پذیرش چنین تفسیرهایی نیازمند شواهد محکم و آزمون‌های تجربی قوی خواهد بود.
رویدادهای مقایسه‌ای و آزمون‌های آینده
رویدادهای بعدیِ عظیم و کوتاه‌مدت — به‌ویژه GW231123 که یک باقیماندهٔ تقریباً 225 جرم خورشیدی تولید کرد — نیز سیگنال‌های کوتاهی نشان داده‌اند. محققان پیشنهاد می‌کنند ویژگی‌های موجی این رویدادها و آشکارسازی‌های آینده را با هم مقایسه کنند تا بتوانند بین ضبط‌های دینامیکِ معمولِ دوتاییِ پرجرم و سناریوهای عجیب‌تر مانند کرم‌چاله‌های گذرا تمایز قائل شوند.
ارتقای حساسیت آشکارسازها (شامل ارتقاهای مداوم LIGO/Virgo، به‌روزرسانی‌های آتی در KAGRA، و رصدخانههای آینده مانند LISA و تلسکوپ آینشتاین) تعداد کشفیات پرجرم و کوتاه‌مدت را افزایش خواهد داد و پهنای باند در فرکانسهای پایینتر را توسعه می‌دهد، که باعث می‌شود شواهد الهامبخش بهتر قابل‌رویت یا رد شوند. پوشش بهتر فرکانسهای پایینتر مشخص خواهد کرد که آیا الهام‌بخش‌های غایب واقعاً وجود ندارند یا صرفاً خارج از باند آشکارساز قرار گرفته‌اند.
تحلیلهای آماری پیشرفته‌تر، از جمله محاسبات بیزین برای مقایسه مدل‌ها، میتواند به تعیین میزان حمایت دادهها از مدل‌های استاندارد در برابر مدل‌های غیرمعمول کمک کند. استفاده از مجموعهٔ گسترده‌تری از قالبهای موجی، شبیهسازیهای عددی دقیق‌تر برای برخوردهای هایپرولبیک، و محتوای پارامتریکِ بیشتر برای کرم‌چاله‌ها همگی ابزارهایی هستند که پژوهشگران برای بهبود تفسیرها به کار خواهند گرفت.
در کنار افزایش حساسیت، توسعهٔ شبکهٔ چندآشکارگره نیز اهمیت دارد؛ ثبت هم‌زمان توسط چند آشکارساز میتواند اطلاعات جهت‌یابی بهتر و بهبود تفکیک فرکانسی فراهم کند که برای تشخیص مودهای اکو یا اجزای فرکانسی متمایز بسیار حیاتی است.
پیامدها و ملاحظه‌ها
تفسیر کرمچالهای همچنان در حدِ حدس و گمان باقی می‌ماند. این فرضیه نیازمند فیزیک عجیب و غریب است — مانند ماده‌ای که شرایط انرژی شناخته‌شده را نقض می‌کند یا ساختارهای ثابت و قابل‌عبوری که تاکنون مشاهده نشده‌اند. تفسیر محافظه‌کارانه‌تر — یک ضبط دینامیکی غیرمعمول و ادغام دو سیاهچاله در عالم ما — همچنان توضیح ترجیحی است چرا که بر دینامیک نسبیتی شناخته‌شده تکیه دارد. با این وجود، حاشیه آماری نازک میان مدل‌ها توجیهی قوی برای مطالعهٔ نظری و رصدی بیشتر فراهم می‌آورد.
علاوه بر این، اگر مدل کرم‌چاله‌ها قابل‌اعتنا باشد، باید با سایر محدودیت‌ها و مشاهداتِ اخترفیزیکی سازگار باشد؛ برای مثال، تاثیرات احتمالی بر تابش الکترومغناطیسی همراه، سازگاری با توزیع جرمِ مشاهده‌شدهٔ سیاه‌چاله‌ها، و وجود یا عدم وجود شواهد جانبی در طول موجهای دیگر. بنابراین یک رویکرد میان‌رشته‌ای که شامل فیزیک نظری، شبیه‌سازی عددی، تحلیل سیگنال و اخترفیزیک مشاهداتی است، برای ارزیابی کامل این ایده ضروری خواهد بود.
همچنین باید توجه داشت که حتی اگر مدل کرمچالهای در حال حاضر رد نشود، پذیرش آن به‌عنوان توضیح قوی نیازمند تکرار شواهد در چندین رویداد مستقل، و بهترین حالت، یافتن امضاهای مشخصه‌ای است که غیرقابل توجیه در قالب سناریوهای استاندارد باشند. بدون چنین شواهدی، کرم‌چاله‌ها بیشتر در قلمرو نظریات جذاب باقی خواهند ماند تا یک نتیجهٔ قطعی تجربی.
نظر متخصص
«GW190521 قالبهای استاندارد ما را به چالش کشید و ما را مجبور کرد امکانات افراطی را نیز بررسی کنیم،» میگوید دکتر النا مورالس، یک نظریه‌پرداز خیالی در زمینهٔ دینامیک اجرام فشرده. «حتی اگر سناریوی کرمچالهای نامحتمل باشد، مدلسازی این جایگزین‌ها سامانه‌های تحلیل ما را تقویت می‌کند و ما را برای سیگنال‌های واقعاً نو آماده‌تر می‌سازد. دههٔ آیندهٔ نجوم موج گرانشی نشان خواهد داد که آیا این پالس‌های کوتاه صرفاً نکات عجیبی از ادغامهای پرجرم هستند یا نشانه‌هایی از فیزیک نو.»
اظهاراتی از این دست نشان میدهند که جامعه علمی تمایل دارد بین کنجکاوی نظری و سخت‌گیری تجربی توازنی برقرار کند. پژوهش در مورد قالبهای موجی جدید و توسعهٔ روش‌های آماری حساس‌تر، هر دو نقش مهمی در تعیین منشأ این سیگنال‌ها خواهند داشت.
نتیجه‌گیری
GW190521 هنوز یکی از مرموزترین آشکارسازی‌های موج گرانشی تا به امروز است. در حالی که فرضیهٔ استاندارد ادغام دو سیاهچاله دادهها را کمی بهتر توضیح می‌دهد، مدل فروپاشی کرمچالهای قاطعانه رد نشده است. برای روشن شدن این که آیا این پالس‌های کوتاه و قدرتمند محصول اخترفیزیک شناخته‌شده‌اند یا پنجره‌ای به ساختارهای بسیار عجیب‌تر فضا-زمان می‌باشند، نیاز به مشاهدات پیوسته، حساسیت بالاتر آشکارسازها، و مدلسازی دقیق‌تر موجی است.
رویکرد آینده‌نگر باید شامل شبکه‌های آشکارسازی گسترده‌تر، پوشش فرکانسی بهتر، و تحلیلهای آماری و شبیهسازیهای چندجانبه باشد تا بتوان به‌تدریج از میان گزینه‌ها تمایز قائل شد و در صورت وجود، نشانه‌های کرمچالهای را معتبرسازی نمود. تا آن زمان، GW190521 نمادی از مرزهای دانش ما در نجوم موج گرانشی باقی خواهد ماند و انگیزه‌ای قوی برای توسعهٔ نظری و تجربی بیشتر فراهم می‌آورد.
منبع: sciencealert
نظرات