يدعي الباحثون أن موجات الجاذبية المنبعثة من اندماج النجوم النيوترونية مع الثقوب السوداء قد تشير إلى معدل توسع الكون
ولتقدير معدل توسع الكون الذي وصفه ثابت هابل، ينظر الباحثون إلى النجوم والأجرام السماوية الأخرى ويقيسون سرعتها وبعدها. تم قياس ثابت هابل لأول مرة بواسطة إدوين هابل في ثلاثينيات القرن الماضي، ومنذ ذلك الحين تم إجراء عدة قياسات إضافية لتقدير هذا الثابت. وبحسب هذا القانون فإن هناك علاقة طردية بين مسافة الأجسام في الفضاء والمسافة بينها، حيث يصف ثابت هابل هذه العلاقة. في الواقع، يمكن القول أنه مع زيادة المسافة بين جسمين، تزداد السرعة النسبية التي يبتعدان بها عن بعضهما البعض.
حتى الآن، لم تكن المحاولات الأكثر دقة لتحديد ثابت هابل متسقة مع بعضها البعض. والآن ستتمكن طريقة جديدة من تحديد قيمة ثابت هابل بدقة أعلى بكثير، وربما مستقبل الكون، سواء كان من المتوقع أن ينهار على نفسه أو يتوسع إلى الأبد.
اقترح باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد طريقة لتقدير ثابت هابل بشكل أكثر دقة. بمساعدة موجات الجاذبية المنبعثة من اندماج نجم نيوتروني وثقب أسود، من حدث نادر نسبيا يجمع بين انبعاث موجات الجاذبية والإشعاع الضوئي أثناء دوران هذين الجسمين واندماجهما. وهذا حدث يمكن فيه قياس كلا النوعين من الإشعاع في وقت واحد وبالتالي يمكن تقدير ثابت هابل.
وفي المجلة المرموقة PHYSICAL REVIEW LETTERS المنشورة في 12 يوليو، أفاد الباحثون أن وميض الضوء المنبعث من الاندماج يسمح للباحثين بقياس سرعة مسافة النظام من الأرض وفي الوقت نفسه يمكن لموجات الجاذبية تقدير بدقة مسافة النظام من الأرض. على الرغم من أن أحداث اندماج نجم نيوتروني وثقب أسود نادرة نسبيًا، إلا أن عددًا واحدًا من هذه الملاحظات سيكون كافيًا لتحديد ثابت هابل بدقة كبيرة، وبالتالي معدل توسع الكون.
يدعي سلفاتوري فيتالي، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والذي كتب المقال، أن "الأنظمة الثنائية للنجم النيوتروني والثقب الأسود هي أنظمة معقدة للغاية، ونحن لا نعرف سوى القليل عنها. إذا عثرنا على واحد منهم، فسنتلقى كهدية مساهمة هائلة في معرفة الكون."
القياسات السابقة لثابت هابل
في السنوات الأخيرة، تم إجراء قياسين رئيسيين لتقدير ثابت هابل: أحدهما بواسطة تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا والآخر باستخدام تلسكوب وكالة الفضاء الأوروبية - تلسكوب بلانك. يعتمد تلسكوب هابل الفضائي في قياساته على المتغيرات القيفاوية (النجوم ذات السطوع الدوري) أو على ملاحظات المستعرات الأعظم (نهاية حياة النجوم الضخمة). تُعرف هاتان الملاحظتان بمصادر الضوء القياسية التي يمكن للباحثين استخدامها لتقدير المسافة وسرعة انتشار النجوم.
هناك طريقة أخرى لتقدير ثابت هابل تعتمد على التقلبات في إشعاع الخلفية الكونية - الإشعاع الكهرومغناطيسي المتأصل في الكون منذ الانفجار الكبير. على الرغم من أن قياسات كلتا الطريقتين دقيقة بشكل ملحوظ، إلا أنهما لا يزالان يختلفان حول قيمة ثابت هابل.
ويضيف فيتال: "هذا هو المكان الذي يلعب فيه مرصد LIGO". LIGO هو نظام للكشف عن موجات الجاذبية، والتي تنشأ من أحداث قوية بشكل خاص في الفضاء والتي تسبب موجات في نسيج الزمكان نفسه.
وفي عام 2017، شهد العلماء اندماج نجمين نيوترونيين لأول مرة. لقد كانت هذه ملاحظة فريدة جدًا لأنه تم قياسها لأول مرة في وقت واحد في كل من موجات الجاذبية بواسطة LIGO وتلسكوبات الضوء المرئي. وصلت موجات الجاذبية القوية إلى الأرض وسمحت للباحثين بقياس مسافة الحدث. وفي الوقت نفسه، أعطى الإشعاع المنبعث أيضًا للباحثين الفرصة لقياس سرعة انحسار النظام الثنائي.
وبمساعدة هذه البيانات، أعاد الباحثون تقدير ثابت هابل، لكن نسبة الخطأ البالغة 14% مرتفعة جدًا، وهي أعلى بكثير من قياسات بلانك أو هابل. ويقول فيتالي إن معظم الخطأ يأتي من صعوبة تقدير مسافة النظام الثنائي للنجوم النيوترونية من الأرض باستخدام البيانات التي تم الحصول عليها من موجات الجاذبية
ويوضح فيتال قائلاً: "نحن نقيس المسافة من خلال تقييم الضوضاء الصادرة عن موجات الجاذبية، أي مدى نظافة بياناتنا. إذا كانت نظيفة جدًا، فيمكننا تقدير المسافة بدقة، لكن هذا ليس هو الحال بالنسبة للنجوم النيوترونية".
لأن زوجًا من النجوم النيوترونية يدوران حول بعضهما البعض ويشكلان حولهما قرصًا نشطًا يصدر موجات الجاذبية بشكل غير متساوٍ. تبعث معظم الأنظمة الثنائية موجات الجاذبية مباشرة من مركزها ولا يأتي سوى جزء صغير من الانبعاث من الحواف. إذا حدد الباحثون موجات جاذبية "صاخبة"، فمن المحتمل أن مصدر ذلك يأتي من إحدى الحالتين: كانت موجات الجاذبية منبعثة من حواف النظام أو نشأت موجات الجاذبية من نظام أبعد بكثير. يقول فيتال: "في الأنظمة الثنائية للنجوم النيوترونية، من الصعب جدًا التمييز بين الحالتين".
طريق جديد
في عام 2014، حتى قبل أن يكتشف لييغو موجات الجاذبية لأول مرة، لاحظ فيتالي وزملاؤه أن النظام الثنائي لنجم نيوتروني وثقب أسود من شأنه أن يسمح بقياس أكثر دقة للمسافة.. في الأصل، تساءل الباحثون عن مدى دقة قياس دوران الثقب الأسود. يشير دوران الثقب الأسود إلى درجة دورانه حول محوره، تمامًا كما تدور الأرض حول محورها. قام الباحثون بمحاكاة أنظمة ثنائية باستخدام الثقوب السوداء بالكمبيوتر، وكنتيجة ثانوية لهذه الحسابات اكتشفوا أنه يمكن قياس مسافة هذه الأجسام بدقة لا تصدق. يقول فيتالي إن التقدير الدقيق للمسافة أصبح ممكنًا بفضل دوران الثقب الأسود.
"هل حقيقة أن اندماج الثقوب السوداء مع النجوم النيوترونية يسمح بقياس دقيق للمسافة يعوض عن حقيقة وجود عدد قليل جدًا من مثل هذه الأحداث مقارنة باندماج نجمين نيوترونيين؟" سأل فيتال.
للإجابة على هذا السؤال، أجرى فريق فيتالي العديد من عمليات المحاكاة للتنبؤ بتكرار عمليات الاندماج الثنائية في الكون وكذلك مساهمتها في دقة قياس المسافة. لقد أظهروا أنه على الرغم من أن عدد ثنائيات النجوم النيوترونية في الكون يزيد بخمسين مرة عن ثنائيات الثقب الأسود والنجوم النيوترونية، إلا أنهما قد يقيسان ثابت هابل بشكل أكثر دقة، وبالتالي معدل توسع الكون.
إذا كنا متفائلين للحظة، إذا ظهرت أنظمة الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية في الكون أكثر قليلاً، فيمكننا قياس ثابت هابل بدقة أربع مرات أكثر من القياسات التي تم إجراؤها حتى الآن.
وقال فيتالي: "حتى الآن، ركز الباحثون على ثنائيات النجوم النيوترونية لقياس ثابت هابل باستخدام موجات الجاذبية التي تنبعث منها عند اندماجها". "لقد أظهرنا أن هناك مصادر أخرى غير مستغلة لموجات الجاذبية - اندماج الثقوب السوداء مع النجوم النيوترونية. وفي عام 2019، سيبدأ مرصد LIGO في جمع بيانات أكثر دقة وحساسية مرة أخرى، مما يعني أنه سيكون قادرًا على قياس الأجسام من مسافات أكبر. وبالتالي سيكون LIGO قادرًا على اكتشاف نجم نيوتروني واحد ونظام ثقب أسود واحد على الأقل وما يصل إلى 25 منهم. إذا كان الأمر كذلك، فسنتمكن أخيرًا من تخفيف التوتر المتعلق بقياس ثابت هابل ومعدل توسع الكون في السنوات القادمة.
لمقالة في رسائل المراجعة البدنية
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
وماذا عن النظام الثنائي المكون من ثقبين أسودين؟
وفقًا للادعاء الموضح في المقالة، فإن نظامًا مكونًا من ثقبين أسودين يتيح قياسًا أكثر دقة من نظام ثقب أسود ونجم نيوتروني.
على الرغم من أنه من الواضح أن اندماج ثقبين أسودين لا ينبغي أن ينبعث منه إشعاع AM. الذي يعد قياسه ضروريًا، ولكن طالما لم يتم إجراء ملاحظات كافية، فهذا غير مؤكد. من الممكن أنه سيظل يجد أن إشعاع AM ينبعث. في اندماج الثقوب السوداء، نتيجة قوة الاصطدام، تشبه انبعاث موجات الجاذبية من ذلك الاندماج. إذا كان هذا هو الحال بالفعل، فإن اندماج الثقوب السوداء سيسمح بالقياس الأكثر دقة.
على حد ما أتذكر، في حدثين اكتشف فيهما ليجو موجات الجاذبية، كان هناك اندماج ثقبين أسودين. تبلغ كتلة أحد الثقوب السوداء حوالي 2 كتلة شمسية والآخر حوالي 2 كتلة شمسية.