8 دقیقه
کشف جدید امواج گرانشی دید ما نسبت به سیاهچالهها را تیزتر کرد
اندازهگیریهای جدید و با دقت بالا از ادغام دو سیاهچاله، واضحترین «زنگخوردن» ثبتشده از یک سیاهچالهٔ ادغامشده را نشان میدهد؛ شواهدی محکم که پیشبینیهای یکقرنهٔ نسبیت عام را تأیید میکند و آزمونهای مهمی را بر روی کارهای نظری روی کر (Roy Kerr) و استیفن هاوکینگ ارائه میدهد. سیگنال موردنظر با نام GW250114 و ثبتشده توسط رصدخانههای LIGO در ژانویهٔ 2025، یک سیاهچالهٔ باقیمانده را نشان میدهد که جرمی نزدیک به 63 برابر جرم خورشید و نرخ چرخشی نزدیک به 100 دور در ثانیه دارد.
هنگامی که دو سیاهچاله برخورد و ادغام میکنند، امواج گرانشی آزاد میشوند. این امواج توسط آشکارسازهای حساس زمینی قابلاندازهگیری هستند و به دانشمندان اجازه میدهند جرم و سرعت چرخشِ سیاهچالهها را تخمین بزنند. واضحترین سیگنال ادغام ثبتشده تا کنون، که GW250114 نامیده میشود و در ژانویهٔ 2025 توسط LIGO ضبط شد، دیدگاههای تازهای نسبت به این اجرام مرموز ارائه میدهد؛ از جمله امکان جداسازی مؤلفههای فرکانسی کوتاهمدت که پیشتر در سایهٔ نویز قرار داشتند.
این کشف و تحلیل توسط تیمهایی در همکاری LIGO-Virgo-KAGRA هدایت شد و سهمهای کلیدی از سوی اخترفیزیکدانانی مانند ماکسیمیلیانو ایزی (Maximiliano Isi) و ویل فارر (Will Farr) از مرکز اخترفیزیک محاسباتی موسسهٔ فلتآیرون ارائه شد. بهبودهای پیوسته در حساسیت آشکارسازها و روشهای تحلیل از زمان اولین آشکارسازی دوتایی سیاهچاله در 2015، امکان جداکردن ویژگیهای فرکانسی کوتاه و با فرکانس بالا از موج را—که به آن "ریگداون" یا رزونانس نهایی گفته میشود—فراهم کرده است؛ ویژگیهایی که پیش از این مبهم و غیرقابلقياس باقی مانده بودند.
چگونه آشکارسازهای امواج گرانشی ادغامها را اندازهگیری میکنند
رصدخانههای امواج گرانشی مانند LIGO در آمریکا، Virgo در ایتالیا و KAGRA در ژاپن، تغییرات بسیار کوچک در طول بازوهای لیزری را که ناشی از عبور امواجی است که فضای-زمان را میکشند و فشرده میکنند، شناسایی میکنند. با ردیابی تکامل دامنه و فرکانس موج در طول فازهای الهامبخشی (inspiral)، ادغام (merger) و ریزش (ringdown)، پژوهشگران میتوانند جرمها، سرعتهای چرخش (اسپین) و جهتگیری سامانهٔ دوتایی را استنباط کنند. این فرایند نیازمند مدلسازی دقیق موج، حذف نویزهای سنجی و تلفیق دادهها از چند آشکارساز برای افزایش نسبت سیگنال به نویز است.
یک اینفوگرافیک که بینشهای جدید دربارهٔ خواص سیاهچالهها را توضیح میدهد. اعتبار: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
از آنجا که هر ادغام سیاهچاله الگوی فرکانسی خاص خود را تولید میکند، موج اندازهگیریشده مانند یک اثر انگشت صوتی عمل میکند. جرمهای بزرگتر و اسپینهای مختلف فرکانسها و زمانهای میرایی این «تنها» را جابهجا میکنند. GW250114 در نوع خود متمایز بود، زیرا نسبت سیگنال به نویز (SNR) بالا و پهنای باند مناسب آشکارسازها به اخترفیزیکدانان اجازه داد نه تنها مؤلفهٔ اصلی بلکه یک اورتون (overtone) کوتاهمدت و گذرا را که بلافاصله پس از ادغام ظاهر میشود، جداسازی کنند. تفکیک این مؤلفههای فرعی امکان طیفسنجی رینگداون را فراهم میکند—ابزاری که دقیقاً ویژگیهای جسم باقیمانده را فاش میسازد و از مدلهای نظری آزمونپذیری بهعمل میآورد.
رِینگداون، راهحل کر و قضیهٔ سطح هاوکینگ
کشف اورتون برای آزمایش یک پیشبینی بنیادی از سال 1963 اثر روی کر حیاتی است: طبق راهحل کر، سیاهچالههای نجومی در نسبیت عام تنها با دو پارامتر—جرم و اسپین—بهطور کامل توصیف میشوند. راهحل کر نشان میدهد که فرکانسها و نرخهای فروپاشی مودهای رینگداون تنها تابع این دو کمیت هستند. در GW250114، فرکانس و زمان میراییِ اندازهگیریشده از اورتون با مقادیری که از مود غالب استنتاج شده بود تطابق داشت؛ این سازگاری از این ایده پشتیبانی میکند که جسم باقیمانده با توصیف کر سازگار است و نیازی به پارامترهای اضافی برای توصیف آن نیست.
یک تن ثانویهٔ گذرا در سیگنال امواج گرانشی اخیر کشف شد و فرصت نادری برای آزمون راهحل کر فراهم آورد—این راهحل یک سیاهچالهٔ در حال چرخش را تنها با جرم و اسپین توصیف میکند. بهطرز هیجانانگیزی، مقادیر جرم و اسپینی که از این اورتون استخراج شدند با مقادیر حاصل از تنِ بنیادی همخوانی داشتند. اگر این مقادیر اختلاف معناداری نشان میدادند، معنیاش آن بود که ویژگیهای اضافیای برای توصیف سیاهچاله لازم است؛ اما همخوانی موجود نشان میدهد که—حداقل برای این نمونهٔ خاص—نیازی به پارامتر فراتر از جرم و اسپین نیست. اعتبار: Simons Foundation
تحلیل جدید همچنین پشتیبانی تجربی قویتری برای قضیهٔ سطح هاوکینگ فراهم میآورد، قضیهای که میگوید مجموع مساحت افقهای رویداد سیاهچالهها در فرایندهای کلاسیکی قابل کاهش نیست. با مقایسهٔ دقیق مساحتهای افق پیش و پس از ادغام، پژوهشگران نتایجی سازگار با این قضیه یافتند و بدینوسیله پلی میان دینامیک گرانشی و رفتاری شبیه ترمودینامیک که به سیاهچاله نسبت داده میشود، برقرار کردند. این شواهد آزمایشی اهمیت مفهومی قضیه را تقویت میکند و نشان میدهد که پیوند میان مساحت افق و انتروپی یک نقطهٔ کلیدی در تلاشها برای همگرایی نسبیت عام و مکانیک کوانتومی است.
این پیشرفتها پیامدهای گستردهتری دارند: ارتباط میان مساحت افق و انتروپی یکی از پایههای تلاش برای متحد ساختن نسبیت عام و مکانیک کوانتومی است. طیفسنجی دقیق رینگداون محدودهٔ انحرافات از نسبیت عام را محدود میکند و یکی از بهترین راههای مشاهداتی برای جستجوی نشانههای گرانش کوانتومی در حوزههای میدان قوی فراهم میسازد. بهطور مشخص، هرگونه اختلاف پایدار در مودهای رینگداون یا زمانهای میرایی ممکن است نشانهای از فیزیک تازه، مانند وجود ساختار بر روی افق یا درجات آزادی کوانتومی اضافی باشد؛ بنابراین اندازهگیریهای باکیفیت مانند GW250114 به عنوان آزمایشگاههای طبیعی برای فیزیک بنیادین عمل میکنند.
فناوریهای مرتبط و چشمانداز آینده
ارتقاهای آشکارساز و رصدخانههای نسل بعدی انتظار میرود در دههٔ آتی حساسیت را تقریباً یک مرتبهٔ بزرگی افزایش دهند. این به معنای ثبت تعداد بسیار بیشتری از رویدادهای با نسبت سیگنال به نویز بالا مانند GW250114 خواهد بود که امکان طیفسنجی رینگداون را بهصورت روزمره فراهم میآورد، آزمونهای سختگیرانهتری روی متریک کر میسر میسازد و مطالعهٔ نظاممند جمعیتهای سیاهچاله در طول تاریخ کیهانی را ممکن میسازد. بهبود در مدلسازی موجها و خط لولههای تحلیل داده نیز اندازهگیریهای مرتبط با پیشرَوییِ اسپین (spin precession)، خروج از دایرهای بودن مدار (excentricity) و اثرات احتمالی فراتر از نسبیت عام را تیزتر خواهد کرد.
از منظر عملی، افزایش پهنای باند و کاهش نویز در باندهای فرکانسی بالاتر به منظور آشکارسازی اورتونها و مودهای فرعی حیاتی است. همچنین، ادغام دادهها از شبکهای از آشکارسازهای جغرافیایی منتشر، دقت تعیین موقعیت و پارامترهای فیزیکی را بهبود میبخشد. پژوهشهای همزمان در حوزهٔ محاسبات، از جمله استفاده از یادگیری ماشین برای تشخیص الگوها و شتابدهی به مراحل نمونهگیری، به کارایی تحلیلها کمک میکند و زمانهای تحلیل را کاهش میدهد؛ این امر در مواجهه با دهها تا صدها رویداد در هفته اهمیت حیاتی خواهد داشت.
دیدگاه کارشناسان
دکتر لنا اورتیز، یک اخترفیزیکدان فرضی متخصص در تحلیل دادههای امواج گرانشی، چنین اظهار نظر میکند: «رویدادهایی مانند GW250114 نقطهٔ عطفی هستند. سالها میدان ما بر پیشبینیهای نظری و آشکارسازیهای محدود تکیه داشت. اکنون میتوانیم ویژگیهای دقیقی از موج را آزمون کنیم و نتایج مستقل جرم و اسپین را با هم مقایسه کنیم. طیفسنجی رینگداون ما را به آزمایش تجربی فیزیکهای شدید نزدیکتر میسازد—جایی که گرانش و اثرات کوانتومی ممکن است بهطور مستقیم تلاقی کنند.»
نتیجهگیری
GW250114 نمادی از یک سنگسنگِ راه در نجومشناسی امواج گرانشی است: واضحترین رینگداون مشاهدهشده تا به امروز، تأیید قاطع اینکه سیاهچالههای نجومی با توصیف کر سازگار هستند، و پشتیبانی تجربی قویتر از قضیهٔ سطح هاوکینگ. با پیشرفت حساسیت آشکارسازها و گسترش فهرست رویدادهای با کیفیت بالا، مشاهدات امواج گرانشی به بازتعریف و تیزتر کردن درک ما از سیاهچالهها و نقش آنها در فیزیک بنیادین ادامه خواهند داد. در آیندهٔ نزدیک، هر رکورد جدید نه تنها جزئیات بیشتری از رفتار سیاهچالهها فاش میکند، بلکه راههای نوینی برای ارتباط نسبیت عام، ترمودینامیک و گرانش کوانتومی باز مینماید.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر