أضخم موجات الجاذبية على الإطلاق

من المحتمل أن يؤدي اندماج ثقبين أسودين إلى خلق موجات جاذبية تعادل طاقة ثمانية شموس * "الانفجار" في كاشفي ليجو وفيرجو إشارة لأصل أضخم موجات الجاذبية على الإطلاق

على الرغم من الفراغ الشاسع، فإن الكون يعج بالنشاط على شكل موجات الجاذبية. هذه الأصداء، الناتجة عن الظواهر الفيزيائية الفلكية المتطرفة، تموج للأمام وتهتز نسيج الزمكان، مثل رنين الجرس الكوني.

اكتشف الباحثون الآن إشارة لما يمكن أن يكون أضخم اندماج للثقب الأسود تم رصده على الإطلاق في موجات الجاذبية. ويعد نتاج الاندماج أول اكتشاف واضح لثقب أسود ذو "كتلة متوسطة"، تتراوح ما بين 100 إلى 1000 مرة من كتلة الشمس.

اكتشفوا الإشارة، التي تحمل اسم GW190521، في 21 مايو 2019، باستخدام مرصد موجات الجاذبية (LIGO) التابع لمؤسسة العلوم الوطنية، وهو زوج من مقاييس التداخل المتطابقة بطول 4 كيلومترات في الولايات المتحدة، وVirgo، وهو كاشف بطول 3 كيلومترات. في ايطاليا. .

استمرار الإشارة وهي مثل أربع ذبذبات قصيرة، قصيرة جداً، أقل من عُشر الثانية. ومما فهمه الباحثون، تم إنشاء GW190521 بواسطة مصدر يبعد حوالي 5 جيجافار ثانية، عندما كان عمر الكون حوالي نصف عمره اليوم، مما يجعله أحد أبعد مصادر موجات الجاذبية المكتشفة حتى الآن.

أما بالنسبة لما أنتج هذه الإشارة، استنادًا إلى مجموعة قوية من الأدوات الحسابية والنمذجة الحديثة، فيعتقد العلماء أنه من المحتمل جدًا أن يكون GW190521 قد تشكل نتيجة اندماج ثقب أسود ثنائي له خصائص غير عادية.

تقريبًا كل الإشارات المؤكدة لموجات الجاذبية حتى الآن جاءت من اندماج ثنائي بين ثقبين أسودين أو نجمين نيوترونيين. يبدو أن هذا الاندماج الأخير هو الأكبر حتى الآن، حيث يتضمن ثقبين أسودين يتحركان في مدارات حلزونية متبادلة بكتلة تبلغ حوالي 85 و66 مرة كتلة الشمس.

قام فريق Ligo-Virgo أيضًا بقياس دوران كل ثقب من الثقوب السوداء، ووجد أنه مع دوران الثقوب السوداء بشكل أقرب وأقرب، ربما دارت حول محاورها، بزوايا غير متوافقة مع محور مداراتها. من المحتمل أن الدورات غير المنسقة للثقوب السوداء تسببت في تحرك مداراتها من جانب إلى آخر، أو "السوط"، حيث كان العملاقان يتجهان نحو بعضهما البعض.

من المحتمل أن الإشارة الجديدة تمثل اللحظة التي اندمج فيها الثقبان الأسودان. وأدى الاندماج إلى خلق ثقب أسود أكبر حجما، تبلغ نحو 142 كتلة شمسية، وأطلق كمية هائلة من الطاقة، تعادل حوالي 8 كتل شمسية، انتشرت في جميع أنحاء الكون على شكل موجات جاذبية.

يقول نيلسون كريستنسن، عضو فريق فيرجو، والباحث في المعهد الوطني الفرنسي للبحث العلمي (CNRS): "إنها ليست مثل تغريدة، وهو ما نرصده عادةً"، مقارنًا الإشارة بالمرة الأولى التي اكتشف فيها مرصد ليجو موجات الجاذبية في 2015. "إنه أشبه بشيء يحدث "فرقعة"، وهي أقوى إشارة سنراها في Ligo وVirgo."

أعلن الفريق الدولي من العلماء، والذي يضم التعاون العلمي لـ LIGO وتعاون Vigo، عن النتائج التي توصل إليها في مقالتين نُشرتا اليوم. تظهر إحداهما في Physical Review Letters، وهي تعرض تفاصيل الاكتشاف، بينما تناقش الأخرى في The Astrophysical Journal Letters الخصائص الفيزيائية للإشارة وآثارها الفيزيائية الفلكية.

يقول بيدرو ميرونتي، مدير برنامج فيزياء الجاذبية في المعهد الوطني للعلوم: "يفاجئنا ليجو مرة أخرى ليس فقط باكتشاف ثقوب سوداء ذات أحجام يصعب تفسيرها، ولكن أيضًا من خلال القيام بذلك باستخدام تقنيات غير مصممة خصيصًا لعمليات الاندماج النجمية". مؤسسة. "هذا له أهمية كبيرة لأنه يظهر قدرة الأداة على اكتشاف الإشارات من الأحداث الفيزيائية الفلكية غير المتوقعة على الإطلاق. يُظهر ليغو أنه يستطيع أيضًا توقع ما هو غير متوقع."

في الفجوة الجماعية

تثير الكتل الكبيرة الفريدة للثقبين الأسودين المتصاعدين بشكل متبادل، بالإضافة إلى الثقب الأسود الأخير، العديد من الأسئلة حول تكوينهما.

تندرج جميع الثقوب السوداء التي تمت ملاحظتها حتى الآن ضمن إحدى فئتين: الثقوب السوداء النجمية، والتي يتراوح حجمها من بضع كتل شمسية إلى عشرات الكتل الشمسية، ويُعتقد أنها تتشكل عندما تموت النجوم الضخمة، أو الثقوب السوداء فائقة الكتلة، مثل ذلك النجم. في مركز مجرة ​​درب التبانة، والتي هي أكبر بمئات الآلاف إلى عدة مليارات من شمسنا.

لكن الثقب الأسود الأخير الذي تبلغ كتلته 142 كتلة شمسية والذي نشأ عن الاندماج GW190521 يقع في نطاق متوسط ​​من الكتل بين الثقوب السوداء النجمية والفائقة الكتلة، وهو الأول من نوعه الذي يتم اكتشافه على الإطلاق.

ويبدو أيضًا أن الثقبين الأسودين الأصليين اللذين شكلا الثقب الأسود الأخير فريدان من حيث الحجم. وهي ضخمة جدًا لدرجة أن العلماء يشتبهون في أن أحدهما أو كليهما ربما لم يتشكل من نجم منهار، كما تفعل معظم الثقوب السوداء النجمية.

وفقًا لفيزياء تطور النجوم، فإن الضغط الخارجي الناتج عن الفوتونات والغاز في قلب النجم يدعمه ضد الجاذبية التي تدفع إلى الداخل، وبالتالي فإن النجم مستقر، مثل الشمس. بعد أن يقوم قلب نجم ضخم بدمج أنوية ثقيلة كالحديد، لم يعد بإمكانه توليد ضغط كافٍ لدعم الطبقات الخارجية. عندما يكون هذا الضغط الخارجي أقل من الجاذبية، ينهار النجم بسبب وزنه، في انفجار يسمى المستعر الأعظم المنهار الأساسي، والذي يمكن أن يترك وراءه ثقبًا أسود.

يمكن لهذه العملية أن تشرح كيف يمكن للنجوم التي تصل كتلتها إلى 130 كتلة شمسية أن تشكل ثقوبًا سوداء تصل كتلتها إلى 65 كتلة شمسية. لكن بالنسبة للنجوم الأثقل، يُعتقد أن ظاهرة تسمى "عدم الاستقرار الزوجي" هي التي تحدث. عندما تصبح فوتونات النواة نشطة للغاية، فإنها يمكن أن تصبح زوجًا من الإلكترون والإلكترون المضاد (البوزيترون). تخلق هذه الأزواج ضغطًا أقل من الفوتونات، وهذا يجعل النجم غير مستقر في مواجهة انهيار الجاذبية، ويكون الانفجار الناتج قويًا جدًا لدرجة أنه لا يترك شيئًا خلفه. حتى النجوم الأكثر ضخامة، والتي تزيد كتلتها عن 200 كتلة شمسية، ستنهار في النهاية مباشرة إلى ثقب أسود كتلته 120 كتلة شمسية على الأقل. لذلك، لا ينبغي للنجم المنهار أن يخلق ثقبًا أسودًا تتراوح كتلته بين حوالي 65 و120 كتلة شمسية، وهي منطقة تسمى "الفجوة الكتلية لعدم الاستقرار الزوجي".

لكن الآن، فإن أثقل الثقبين الأسودين اللذين أنتجا الإشارة GW190521، بكتلة 85 كتلة شمسية، هو الأول حتى الآن الذي يتم اكتشافه ضمن فجوة الكتلة لعدم الاستقرار الزوجي.

ويقول كريستنسن، وهو مدير مختبر أرتميس في مرصد نيس في عام 2015: "حقيقة أننا نرى ثقبًا أسودًا في هذه الفجوة الكتلية ستجعل الكثير من علماء الفيزياء الفلكية في حيرة من أمرهم ويحاولون فهم كيفية تشكل هذه الثقوب السوداء". فرنسا.

أحد الاحتمالات، التي أثارها الباحثون في ورقتهم الثانية، هو احتمال الاندماج الهرمي، حيث يتم إنشاء الثقبين الأسودين اللذين يتشكلان ذاتيًا من خلال اندماج ثقبين أسودين أصغر حجمًا، قبل أن يهاجرا معًا ويندمجا في النهاية.

يقول آلان وينشتاين، عضو فريق مرصد LIGO، وأستاذ الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "يثير هذا الحدث أسئلة أكثر مما يقدمه". "فيما يتعلق بالاكتشاف والفيزياء، فهو أمر مثير للغاية."

"شيء غير متوقع"

لا تزال هناك أسئلة كثيرة حول GW190521.

وبينما تستمع كاشفات LIGO وVirgo لموجات الجاذبية التي تمر عبر الأرض، تقوم عمليات البحث الآلية بمسح البيانات الواردة بحثًا عن الإشارات محل الاهتمام. تستخدم عمليات البحث هذه طريقتين مختلفتين: الخوارزميات التي تجد أشكال موجية محددة في البيانات التي ربما تم إنشاؤها بواسطة الثنائيات المدمجة، وعمليات البحث "المتتابعة" الأكثر عمومية، والتي تبحث في الواقع عن أي شيء خارج عن المألوف.

يقارن سلفاتوري فيتالي، عضو فريق LIGO، وأستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، البحث عن الثنائيات المدمجة بـ "تشغيل مشط عبر البيانات، والذي سيلتقط الأشياء على مسافة معينة"، مقارنة بالبحث عن الدفقات، وهو أكثر من مجرد "صيد" نهج كل شيء".

في حالة GW190521، كان البحث عن الانفجارات هو الذي وجد الإشارة بشكل أكثر وضوحًا، مما فتح احتمالًا صغيرًا جدًا بأن موجات الجاذبية كانت بسبب شيء آخر غير الاندماج الثنائي.

يقول وينشتاين: "إن حاجز الادعاء بأننا وجدنا شيئًا جديدًا مرتفع جدًا". "لهذا السبب نستخدم عادة شفرة أوكام: الحل الأبسط هو الأفضل، وفي هذه الحالة هو ثقب أسود ثنائي."

ولكن ماذا لو أن شيئًا جديدًا تمامًا هو الذي خلق موجات الجاذبية هذه؟ إنه احتمال محير، وفي ورقتهم يناقش العلماء بإيجاز المصادر الأخرى في الكون التي ربما أنتجت الإشارة التي اكتشفوها. على سبيل المثال، ربما تكون موجات الجاذبية قد انبعثت من نجم منهار في مجرتنا. يمكن أن تكون الإشارة أيضًا من سلسلة كونية تشكلت مباشرة بعد توسع الكون في لحظاته الأولى، على الرغم من أن أيًا من هذه الاحتمالات الغريبة لا يتناسب مع البيانات وكذلك الاندماج الثنائي.

يقول وينشتاين: "منذ أن بدأنا مرصد LIGO، كل ما لاحظناه بكل ثقة هو اصطدام الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية". "هذا هو الحدث الوحيد الذي يسمح فيه تحليلنا باحتمال ألا يكون هذا الحدث بمثابة تصادم. ورغم أنه من المناسب أن ينشأ هذا الحدث من اندماج ثقب أسود ضخم بشكل غير عادي، ويتم استبعاد التفسيرات البديلة، إلا أنه يدفع حدود ثقتنا. ومن المحتمل أن يكون الأمر مثيرًا للغاية. لأننا كنا جميعًا نأمل في شيء جديد، شيء غير متوقع، يمكن أن يغير ما تعلمناه بالفعل. هذا الحدث لديه القدرة على القيام بذلك."

تم تمويل هذا البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.

لإشعار الباحثين

للمادة العلمية

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• وسلط الباحثون في تل أبيب الضوء على الفترة التي نمت فيها الثقوب السوداء
• ضوء جديد على الثقوب السوداء
• 2016: سنة علمية رائعة - بفضل اكتشاف موجات الجاذبية