اندازه‌گیری سه‌بُعدی حرکت سیاه‌چاله با امواج گرانشی، گامی نو در درک ادغام‌های کیهانی
خانه »
در یک پیشرفت علمی چشمگیر، اخترفیزیک‌دانان موفق شده‌اند برای نخستین‌بار جهت و سرعت حرکت یک سیاه‌چاله‌ی تازه‌تشکیل‌شده را پس از برخورد دو سیاه‌چاله، با استفاده از امواج گرانشی اندازه‌گیری کنند. این دستاورد نه‌تنها درک ما از ادغام‌های کیهانی را گسترش می‌دهد، بلکه ابزار جدیدی برای بررسی دقیق‌تر رفتار سیاه‌چاله‌ها در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد.
بازگشت حاصل از برخورد دو سیاه‌چاله اکنون با استفاده از امواج گرانشی اندازه‌گیری شده است. این نخستین اندازه‌گیری‌ای است که نه‌تنها سرعت سیاه‌چاله‌ی تازه‌تشکیل‌شده را در حرکت در فضا ثبت کرده، بلکه جهت آن را نیز مشخص و این موضوع ابزار جدیدی برای درک ادغام‌های سیاه‌چاله‌ای را فراهم می‌کند.
از زمان رویداد امواج گرانشی سال ۲۰۱۹ با عنوان GW190412، اخترشناسان دریافته‌اند که نامتقارن‌بودن برخورد باعث شده سیاه‌چاله با سرعتی بیش از ۵۰ کیلومتر (۳۱ مایل) در ثانیه به جلو رانده شود. یک نظریه‌ی تازه مطرح می‌کند که امواج گرانشی شکل‌دهنده‌ی جهان بوده‌اند.
کوستاو چاندرا (Koustav Chandra)، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا بیان می‌کند این یکی از معدود پدیده‌ها در اخترفیزیک است که در آن ما فقط چیزی را شناسایی نمی‌کنیم، بلکه حرکت سه‌بعدی کامل یک جسم را آن‌هم از فاصله‌ی میلیاردها سال نوری، فقط با استفاده از موج‌هایی در بافت فضا-زمان. بازسازی می‌کنیم. این یک نمایش خارق‌العاده از توانایی‌های امواج گرانشی است.
ده سال از نخستین شناسایی امواج گرانشی گذشته و از آن زمان، آشکارسازهای LIGO، Virgo و KAGRA صدها برخورد سیاه‌چاله را در سراسر جهان ثبت کرده‌اند. امواج گرانشی مانند موج‌هایی در یک برکه هستند، و اگر آن برکه فضا-زمان باشد، زمانی‌که دو سیاه‌چاله به‌سوی یکدیگر مارپیچ می‌شوند، میدان‌های گرانشی آن‌ها فضا-زمان را مختل و موج‌هایی با سرعت نور ارسال می‌کنند.
این رقص کیهانی در نهایت با یک «بلوپ» عظیم گرانشی به پایان می‌رسد؛ زمانی‌که سیاه‌چاله‌ها با هم برخورد و ادغام می‌شوند، یک جسم واحد را تشکیل می‌دهند. دانشمندان می‌توانند این موج‌ها را رمزگشایی کرده تا ویژگی‌های سیاه‌چاله‌ها از جمله جرم و چرخش هر یک از دو سیاه‌چاله‌ی برخوردکننده، و همچنین جرم محصول نهایی ادغام‌شده را بررسی کنند.
خوان کالدرون بوستیلو (Juan Calderon-Bustillo)، اخترفیزیک‌دان دانشگاه سانتیاگو دِ کامپوستلا در اسپانیا توضیح می‌دهد، ادغام‌های سیاه‌چاله‌ای را می‌توان به‌عنوان ترکیبی از سیگنال‌های مختلف درست مانند موسیقی یک ارکستر که از ترکیب موسیقی سازهای مختلف تشکیل شده در نظر گرفت. با این حال، این ارکستر خاص است.
مخاطبانی که در موقعیت‌های مختلف اطراف آن قرار دارند، ترکیب‌های متفاوتی از سازها را ثبت کرده که به آن‌ها اجازه می‌دهد دقیقاً بفهمند در کجای اطراف آن قرار دارند. در ادامه می‌توانید ویدیوی مربوط بازسازی حرکت سه‌بعدی سیاه‌چاله با امواج گرانشی را ببینید:
یکی از چشمگیرترین پیامدهای یک رویداد کیهانی خشونت‌آمیز، مانند «ابر نواختر فروپاشی هسته‌ای» یا «ادغام سیاه‌چاله‌ها»، پدیده‌ای است که با عنوان «لگد تولدی» (natal kick) شناخته می‌شود. اگر رویداد نامتقارن باشد، مثلاً ابرنواختر در یک سمت قدرتمندتر یا جرم دو سیاه‌چاله به‌شدت متفاوت باشد، انرژی منتقل‌شده نامتعادل و سیاه‌چاله‌ی تازه‌تشکیل‌شده را در یک جهت خاص به‌شدت هُل خواهد داد.
در سال ۲۰۱۸، کالدرون بوستیلو و همکارانش روشی برای اندازه‌گیری لگد تولدی سیاه‌چاله از داده‌های ادغام امواج گرانشی براساس چرخش‌ها و جرم‌های سیاه‌چاله‌های درگیر طراحی کردند. این روش به مجموعه‌ای خاص از شرایط نیاز داشت که در آن زمان هنوز فراهم نشده بود، اما مدت زیادی طول نکشید تا رویداد مناسب رخ دهد.
در آوریل ۲۰۱۹ (فروردین ۱۳۹۸)، برخوردی میان دو سیاه‌چاله در یک منظومه‌ی دوتایی به‌شدت نامتقارن توسط همکاری LIGO-Virgo شناسایی شد. یکی از سیاه‌چاله‌ها جرمی معادل ۲۹.۷ برابر جرم خورشید داشت، در حالی‌که دیگری بیش از سه برابر کوچک‌تر، یعنی ۸.۴ جرم خورشیدی بود.
علاوه بر این، سبک‌وزنی این ادغام باعث شد سیگنال آن بسیار طولانی‌تر از ادغام‌های سنگین‌تر باشد، که داده‌های فراوانی را در اختیار قرار داد. با استفاده از تکنیک تحلیلی، پژوهشگران زاویه و سرعت سیاه‌چاله‌ی ادغام‌شده حاصل از برخورد را تعیین کردند. سرعتی که برای خارج‌شدن از یک خوشه‌ی کروی، یعنی خوشه‌ای متراکم از ستارگان درون یک کهکشان، کافی است.
البته نمی‌دانیم که آیا این سیاه‌چاله واقعاً در یک خوشه‌ی کروی بوده یا نه؛ زیرا این ادغام در فاصله‌ی ۲.۴ میلیارد سال نوری رخ داده و ابزارهای ما وضوح کافی برای دیدن خوشه‌ای کروی در آن فاصله را ندارند. اما اگر چنین بوده، احتمالاً اکنون در حال خروج از آن است.
پژوهشگران می‌گویند این تکنیک می‌تواند ابزار قدرتمند جدیدی برای بررسی ادغام‌های سیاه‌چاله‌ای باشد. ادغام‌های سیاه‌چاله در محیط‌های متراکم می‌توانند منجر به سیگنال‌های الکترومغناطیسی قابل شناسایی، موسوم به شراره‌ها (Flare) شوند، آن هم زمانی که سیاه‌چاله‌ی باقی‌مانده از میان محیطی متراکم مانند هسته‌ی فعال کهکشانی عبور می‌کند.
سمسون لیونگ (Samson Leong)، اخترفیزیک‌دان دانشگاه چینی هنگ‌کنگ می‌گوید:
از آن‌جا که دیده‌شدن شراره (Flare) به جهت بازگشت نسبت به زمین بستگی دارد، اندازه‌گیری بازگشت‌ها به ما اجازه می‌دهد تفاوت میان یک جفت واقعی سیگنال موج گرانشی-الکترومغناطیسی که از یک منظومه‌ی دوتایی سیاه‌چاله‌ای می‌آید را تشخیص دهیم.
