برخورد سیاهچالهها تأیید میکند پیشبینیهای دههها قبل توسط انیشتین و هاوکینگ
ستارهشناسان موفق شدند برخورد دو سیاهچاله را با جزئیات بیسابقهای شناسایی کنند که واضحترین دیدگاه تاکنون درباره ماهیت این عجایب کیهانی را ارائه میدهد و پیشبینیهای بلندمدت فیزیکدانان افسانهای انیشتین و استیفن هاوکینگ را تأیید میکند.
این رویداد، که به نام GW250114 شناخته میشود، در ژانویه زمانی که پژوهشگران آن را با رصدخانه امواج گرانشی لیزر اینترفرومتر (LIGO) مشاهده کردند، شناخته شد — مجموعهای از دو دستگاه مشابه در لایولند، لوئیزیانا، و هانفورد، واشنگتن. این ابزارها امواج گرانشی، امواج ضعیف در فضا-زمان که توسط دو سیاهچاله در حال تصادم تولید میشود، را کشف کردند.
جستجو برای امواج گرانشی، پدیدههایی که در سال 1915 به عنوان بخشی از نظریه نسبیت انیشتین پیشبینی شده بودند، تنها راه شناسایی برخورد سیاهچالهها از زمین است. انیشتین معتقد بود که این امواج آنقدر ضعیف هستند که هرگز توسط فناوری انسانی قابل شناسایی نخواهند بود، اما در سپتامبر 2015، LIGO برای اولین بار آنها را ثبت کرد و بعدها جایزه نوبل را برای سه دانشمند که نقش کلیدی در توسعه این «تلسکوپ سیاهچاله» داشتند، دریافت کرد.
سیاهچالههای تازه کشفشده هر کدام حدود 30 تا 35 برابر جرم خورشید بودند و بسیار آرام میچرخیدند، گفت ماکسیمیلیانو ایسی، استادیار اخترشناسی در دانشگاه کلمبیا و اخترفیزیکدان در مرکز اخترفیزیک محاسباتی موسسه فلاتورن در نیویورک سیتی. ایسی مطالعه جدیدی را برای همکاری LIGO-Virgo-KAGRA درباره دادههای GW250114 رهبری کرد، که روز چهارشنبه در مجله فیزیک ریویو لیترز منتشر شد.
حفرههای سیاه حدود یک میلیارد سال نوری فاصله داشتند و در حال چرخش حول یکدیگر در تقریباً یک دایره کامل بودند،” ایسی گفت. “حفره سیاه حاصل حدود ۶۳ برابر جرم خورشید بود و با سرعت ۱۰۰ دور در ثانیه میچرخید.” این ویژگیها، بر اساس گفتههای ایسی، این ادغام را تقریبا نسخهای دقیق از اولین کشف پیشگامانه آن ده سال پیش میدانند. “اما اکنون، به دلیل بهبود بسیار زیاد ابزارها از آن زمان، میتوانیم این دو حفره سیاه را با وضوح بسیار بیشتری ببینیم، همانطور که به هم نزدیک میشوند و به یک حفره سیاه واحد ادغام میشوند،” او افزود. ایسی گفت، این مشاهدات دیدی کاملاً جدید به دانشمندان درباره “پویاییهای فضا و زمان” میدهد. اینستر و حلقه دو رنگی لایگو، که همچنین دارای دو ابزار کوچکتر خواهر — ویرگو در ایتالیا و کاغرا در ژاپن — است، توسط جامعه علمی جهانی متشکل از حدود ۱،۶۰۰ پژوهشگر اداره میشود. این دستگاه با کشف کششهای کوچک در فضا که ناشی از امواج گرانشی است، کار میکند و این کششها برابر با “تغییری در فاصله است که ۱،۰۰۰ برابر کوچکتر از شعاع هسته یک اتم است,” همانطور که ایسی میگوید. دانشمندان تاکنون از آن برای مشاهده بیش از ۳۰۰ ادغام حفره سیاه استفاده کردهاند. اوایل امسال، این ابزار، برخورد قدرتمندترین حفره سیاه تاکنون را بین دو حفره سیاه که حدود ۱۰۰ تا ۱۴۰ برابر جرم خورشید بودند، شناسایی کرد. از زمان معرفی، برخی از اجزای کلیدی لایگو — از جمله لیزرها و آینههای آن — بهروزرسانی شدهاند تا دقت را افزایش دهند و نویز پسزمینه را کاهش دهند. این عملکرد بهبود یافته، کشف جدید آن را بیش از سه برابر دقیقتر از اولین کشف ده سال قبل کرد. این وضوح بینظیر به ستارهشناسان اجازه داد تا از GW250114 برای تأیید پیشبینیهایی درباره حفرههای سیاه که دههها پیش توسط فیزیکدانان برجسته ارائه شده بود، استفاده کنند. اولین پیشبینی، که توسط ریاضیدان نیوزیلندی، روی کر، در سال ۱۹۶۳ ارائه شد، بر پایه نظریه نسبیت عمومی اینشتین استوار است و بیان میکند که حفرههای سیاه باید اشیایی بسیار ساده باشند، که توسط یک معادله واحد توصیف میشوند. “بله، حفرههای سیاه بسیار مرموز، پیچیده و دارای پیامدهای مهم برای تکامل جهان هستند,” ایسی گفت، “اما به صورت ریاضی فکر میکنیم باید کاملاً توسط دو عدد توصیف شوند. هر چیزی که درباره آنها باید بدانید، باید از اندازه حفره سیاه — یا جرم آن — و سرعت چرخش آن ناشی شود.” برای آزمایش این نظریه، محققان از ویژگی منحصر به فرد تصادف حفرههای سیاه استفاده کردند: یک “طنین” یا ارتعاش — مانند زنگی که زده شده است — که حفره سیاه نهایی تولید میکند. “اگر زنگی داشته باشید و آن را با چکش بزنید، زنگ میزند,” ایسی اشاره کرد. “نغمه و مدت زمان صدا، ویژگیهای صدا، چیزی دربارهاش به شما میگوید. با حفرههای سیاه، اتفاق مشابهی میافتد — آنها در امواج گرانشی زنگ میزنند.” این زنگ شامل اطلاعاتی درباره ساختار حفره سیاه و فضای اطراف آن است، افزود ایسی. اگرچه این پدیده قبلاً بهطور ضعیف مشاهده شده بود، GW250114 سیگنالی با “دو حالت … یک حالت بنیادی و یک اوورتون” ارائه داد که بسیار واضحتر بود. “ما دو مؤلفه از این زنگ را شناسایی کردیم، و این امکان را به ما داد که آزمایش کنیم که این حفره سیاه واقعاً با توصیف فقط دو عدد، جرم و چرخش، سازگار است,” او گفت. “و این بنیادیترین بخش درک ما از نحوه کار کردن فضا و زمان است — که این حفرههای سیاه باید بیویژگی باشند، در نوعی. این اولین باری است که قادر هستیم این را بهطور قانعکننده ببینیم.” نظریه سطح حبابها هاکینگ دومین پیشبینی که توسط GW250114 تایید شد، مربوط به سال ۱۹۷۱ و توسط فیزیکدان بریتانیایی استیفن هاوکینگ است، که بیان میکند وقتی دو حفره سیاه ادغام میشوند، سطح نهایی باید برابر یا بزرگتر از سطح حفرههای سیاه اولیه باشد.
شگفتانگیز است که این اثر بنیادی و نظری پس از چند دهه با ابزارهای پیشرفته تأیید میشود، گفت ایزی. و تأیید معادله هاوکینگ، او افزود، میتواند پیامدهایی برای هدف بسیار مورد تقاضا در فیزیک داشته باشد — ترکیب نظریه نسبیت عمومی که گرانش را توصیف میکند، با مکانیک کوانتیوم، که مربوط به جهان زیراتمی است.
«لیگو یک شاخه کاملاً جدید از ستارهشناسی ایجاد کرده است. این انقلابی در تصور ما درباره اشیاء فشرده، به ویژه سیاهچالهها، ایجاد کرده است»، او گفت. «قبل از راهاندازی لیگو، مردم حتی مطمئن نبودند که سیاهچالهها بتوانند ادغام شده و در این شکل برخورد کنند و شکل بگیرند.»
یک نقطه عطف منتظر شده
امواج گرانشی بسیار ضعیف هستند، و وظیفه عظیم کشف آنها اغلب به عنوان جستجوی سوزن در انبار کاه توصیف میشود، بر اساس بیانمانوئله برتی، استاد فیزیک و ستارهشناسی در دانشگاه جانز هاپکینز که در این مطالعه نقش نداشت. او حسگرهای لیگو را «کمکشنوایی» توصیف کرد که در این فرآیند کمک میکنند.
«یک گروه بزرگ از دانشمندان ده سال گذشته را صرف بهبود این کمکشنواییها کردهاند، و حالا میتوانیم سیگنالها را با وضوح بسیار بالاتری ‘شنواییم’»، او در ایمیلی گفت. «حالا میتوانیم اصول بنیادی گرانش را آزمایش کنیم که ده سال پیش نمیتوانستیم.»
در بین این اصول، او افزود، این ایده است که سیاهچالهها سادهترین اشیاء ماکروسکوپی در جهان هستند. سطح جزئیات در «زنگ زدن» تولید شده توسط تصادف GW250114 به معنی آن است که دانشمندان میتوانند با اطمینان بگویند که شیء نهایی با سیاهچالههایی که نظریه نسبیت عمومی آینشتاین پیشبینی میکند، سازگار است، که برتی آن را «بسیار هیجانانگیز» میداند.
لیور باراک، استاد فیزیک ریاضی در دانشگاه سانتهلمت، انگلستان که او نیز در این مطالعه نقش نداشت، اشاره کرد که از میان بیش از ۳۰۰ رویداد ادغام سیاهچاله که لیگو ثبت کرده است، آخرین مورد در نوع خود «به طور خاص دیدنی» است، و این مطالعه جدید را تحلیلی منتظر شده مینامد. دانشمندان توانستند دو «نغمه خالص» سیاهچاله باقیمانده را که در حالت نهایی خود قرار گرفته است، استخراج کنند، باراک افزود.
«این شامل، برای اولین بار، استخراج واضح اولین ‘نغمه فوقانی’، صدای همهنگام ضعیفتر زنگزده، در کنار نغمه اصلی بود»، او گفت. «این نوع آزمایش تا کنون دقیقترین است، و این فاصله بسیار زیاد است.»
این مطالعه یک نقطه عطف مهم در ستارهشناسی امواج گرانشی محسوب میشود، گفت ماکارنا لاگوس، استاد کمکی در مؤسسه اخترفیزیک دانشگاه آندرس نبلو در شیلی. لاگوس نیز در این کار نقش نداشت.
او موافقت کرد که کشف نغمه دوم در «زنگ زدن» سیاهچاله اهمیت خاصی دارد، و افزود که GW250114 موفقیتهای پیوسته لیگو را نشان میدهد و نشان میدهد که کشف امواج گرانشی میتواند فیزیک بنیادی را به شیوههایی آزمایش کند که قبلاً ممکن نبود.
«در حالی که آزمایشهای فعلی گرانش هنوز عدم قطعیتهای وسیعی دارند، این کار پایهریزی برای کشفهای آینده است» که انتظار میرود در سالهای آینده کیفیت بهتری داشته باشد، لاگوس در ایمیلی گفت. «این مشاهدات آینده قول میدهد آزمایشهای دقیقتری از درک ما از فضایزمان و گرانش ارائه دهند.»
از زمان عرضه، برخی از اجزای کلیدی لایگو — از جمله لیزرها و آینههای آن — به منظور افزایش دقت و کاهش نویز پسزمینه بهروزرسانی شدهاند. این عملکرد بهبود یافته، اندازهگیری جدید آن را بیش از سه برابر دقیقتر از اولین رصد در دهه گذشته کرد.
اولین پیشبینی، که توسط ریکِر، ریاضیدان نیوزیلندی در ۱۹۶۳، ارائه شد، بر پایه نظریه نسبیت عمومی آینشتین استوار است و بیان میکند که سیاهچالهها باید اشیایی پارادوکسیکال، ساده، و توصیفپذیر توسط یک معادله باشند.
«بله، سیاهچالهها بسیار مرموز، پیچیده و تاثیرات مهمی بر تکامل جهان دارند،» ایسی گفت، «اما از نظر ریاضی فکر میکنیم باید کاملاً توسط فقط دو عدد توصیف شوند. هر چیزی که باید درباره آنها بدانید باید از اندازه سیاهچاله — یا جرم آن — و سرعت چرخش آن نشأت گیرد.»
برای آزمایش این نظریه، محققان از ویژگی منحصر به فرد برخوردهای سیاهچالهها استفاده کردند: یک «زنگ زدن» یا ارتعاش — مانند زنگی که کوبیده شده است — که سیاهچاله نهایی تولید میکند. «اگر زنگی دارید و با چکش به آن ضربه میزنید، زنگ میزند،» ایسی اشاره کرد. «پایین و مدت زمان صدا، ویژگیهای صدا، چیزهایی درباره ساختار زنگ میگویند. در مورد سیاهچالهها چیزی مشابه رخ میدهد — آنها در امواج گرانشی زنگ میزنند.»
این زنگ زدن شامل اطلاعاتی درباره ساختار سیاهچاله و فضای اطراف آن است، ایسی افزود. اگرچه این پدیده قبلاً کمی مشاهده شده بود، GW250114 سیگنالی با «دو حالت … حالت پایه و حالت اوورتون» با وضوح بسیار بیشتری ارائه داد.
«ما دو مؤلفه از این زنگ زدن را شناسایی کردیم، و این امکان را برای ما فراهم کرد تا آزمایش کنیم که این سیاهچاله واقعاً با توصیف فقط توسط دو عدد، جرم و چرخش، سازگار است،» او گفت. «و این بنیادیترین بخش درک ما از نحوه کار کردن فضا و زمان است — که این سیاهچالهها باید بیویژگی باشند، به نوعی. این اولین باری است که میتوانیم این را به این اندازه قانعکننده ببینیم.»
قانون سطحی هاکینگ
دومین پیشبینی که توسط GW250114 تصدیق شد، یکی است که در ۱۹۷۱ توسط فیزیکدان بریتانیایی استیفن هاکینگ مطرح شد، و بیان میکند که زمانی که دو سیاهچاله ادغام میشوند، مساحت سطح نهایی باید برابر یا بیشتر از سطح اولیه سیاهچالهها باشد.
«این یک قضیه عمیق، اما بسیار ساده است که میگوید کل سطح سیاهچاله هرگز نمیتواند کاهش یابد — فقط میتواند بزرگتر یا همان اندازه باقی بماند،» ایسی گفت.
اگرچه مشاهدات قبلی لایگو تاییدهای آزمایشی اولیه از این قانون ارائه داده بود، وضوح این سیگنال جدید به محققان اطمینان بینظیری میدهد، ایسی گفت.
«از آنجایی که ما قادر هستیم بخشی از سیگنال که از سیاهچالهها در ابتدای جدا شدن آنها میآید، شناسایی کنیم، میتوانیم مساحت آنها را از آن استنتاج کنیم،» او توضیح داد. «سپس میتوانیم بخش نهایی سیگنال که از سیاهچاله نهایی میآید، را ببینیم و مساحت آن را اندازهگیری کنیم.»
مانند معادله کِر، قانون هاکینگ نیز از کارهای آینشتین به عنوان پایه استفاده میکند: «نظریههای آینشتین مانند سیستمعامل این است،» ایسی توضیح داد.
کپ ترون، یکی از سه دریافتکننده جایزه نوبل برای مشارکتهای لایگو، گفت هاکینگ بلافاصله پس از اطلاع از کشف امواج گرانشی در ۲۰۱۵ با او تماس گرفت تا بپرسد آیا لایگو قادر به آزمایش این قانون خواهد بود. «اگر هاکینگ زنده بود، در دیدن افزایش سطح سیاهچالههای ادغام شده لذت میبرد،» ترون در بیانیهای درباره یافتههای جدید گفت، که در سال ۲۰۱۸ درگذشت.
این یک قضیه عمیق اما بسیار ساده است که میگوید مساحت سطح کل یک سیاهچاله هرگز نمیتواند کاهش یابد — تنها میتواند بزرگتر شود یا ثابت بماند،” ایسی گفت.
اگرچه مشاهدات قبلی لایگو تاییدهای آزمایشی از این قضیه ارائه دادند، وضوح سیگنال جدید به محققان اطمینانی بینظیر میدهد، ایسی گفت.
ستارهشناسان موفق به کشف تصادفی بین دو سیاهچاله با جزئیات بیسابقه شدند و بهترین دیدگاه تاکنون در مورد ماهیت این عجایب کیهانی را ارائه دادند و پیشبینیهای بلندمدت دانشمندان افسانهای آلبرت اینشتین و استیفن هوکینگ را تایید کردند.
این رویداد، که به GW250114 معروف است، در ژانویه شناخته شد زمانی که پژوهشگران آن را با استفاده از رصدخانه امواج گرانشی لیزر اینترفرومتر (LIGO) مشاهده کردند — مجموعهای از دو ابزار مشابه در لیوینگاستون، لوئیزیانا، و هانفورد، واشنگتن. این ابزارها امواج گرانشی، امواج ضعیف در فضا-زمان که توسط برخورد دو سیاهچاله تولید میشود، را شناسایی کردند.
جستجو برای امواج گرانشی، پدیدههایی که در سال 1915 به عنوان بخشی از نظریه نسبیت اینشتین پیشبینی شده بودند، تنها راه برای شناسایی تصادفهای سیاهچالهها از زمین است. اینشتین معتقد بود که امواج بسیار ضعیف هستند و هرگز توسط فناوری انسانی قابل تشخیص نخواهند بود، اما در سپتامبر 2015، لایگو برای اولین بار آنها را ضبط کرد و در نهایت جایزه نوبل را برای سه دانشمندی که در توسعه این «تلسکوپ سیاهچاله» نقش داشتند، به ارمغان آورد.
سیاهچالههای جدید کشفشده هر کدام حدود 30 تا 35 برابر جرم خورشید بودند و دوران بسیار آرامی داشتند، گفت ماکسی میلیانو ایسی، استاد یار ستارهشناسی در دانشگاه کلمبیا و ستارهشناس در مرکز فیزیک محاسباتی موسسه فلاترون در نیویورک سیتی. ایسی مطالعه جدیدی برای همکاری لایگو-ورگو-کگرا در مورد دادههای GW250114 انجام داد که روز چهارشنبه در مجله فیزیک ریویو لترز منتشر شد.
«سیاهچالهها حدود یک میلیارد سال نوری دورتر بودند و در حال چرخش حول هم در تقریباً یک دایره کامل بودند»، ایسی گفت. «سیاهچاله حاصل تقریبا 63 برابر جرم خورشید بود و با سرعت 100 دور در ثانیه میچرخید.»
این ویژگیها، بر اساس گفته ایسی، این ادغام را تقریبا نسخهای کامل از اولین کشف انقلابی آن ده سال پیش میسازد. «اما حالا، به دلیل بهبود چشمگیر ابزارها از آن زمان، میتوانیم این دو سیاهچاله را با وضوح بسیار بیشتری ببینیم، همانطور که به هم نزدیک میشوند و با هم ادغام میشوند»، افزود.
ایسی گفت این مشاهدات دیدگاهی کاملاً جدید از «پویاییهای فضا و زمان» به دانشمندان میدهد.
اینشتین و حلقه دو رنگ
لایگو، که همچنین دو ابزار کوچکتر خواهر — ویرگو در ایتالیا و کگرا در ژاپن — دارد، توسط جامعه علمی جهانی متشکل از حدود 1600 پژوهشگر مدیریت میشود. این ابزار با تشخیص کششهای کوچک در فضا که به تغییر در فاصلهای تبدیل میشود که 1000 برابر کوچکتر از شعاع هسته یک اتم است، کار میکند، همانطور که ایسی توضیح میدهد. دانشمندان تاکنون از آن برای مشاهده بیش از 300 تصادف سیاهچاله استفاده کردهاند.
اوایل امسال، این ابزار بزرگترین تصادف سیاهچاله تا کنون را بین دو سیاهچاله تقریباً 100 تا 140 برابر جرم خورشید کشف کرد.
