لقد “سمع” العلماء سيمفونية ثقبين أسودين حديثي الولادة، كل منهما نشأ عندما اصطدم الثقبان الأسودان الأصليان ببعضهما واندمجا. في الواقع، كان أحد أحداث الاصطدام تلك هو الأول من نوعه.
الكشف عن مولود الثقوب السوداء ومعلومات عن والده الأربعة الثقوب السوداء التي صاغتها جاءت بفضل التموجات في الزمكان، أو موجات الجاذبية، ناجمة عن الأحداث الكونية العنيفة التي ولدتهم. تم تسجيل تلك الموجات بواسطة ليغو (مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل الليزري)، وكاشفات موجات الجاذبية Virgo، وKAGRA (كاشف موجات الجاذبية Kamioka).
بعد أقل من شهر واحد من هذا الاكتشاف الرائد، في 11 نوفمبر 2024، سمعت أجهزة موجات الجاذبية ثقبًا أسود حديث الولادة آخر يصرخ بعد الاصطدام العنيف لأسلافه. نشأت هذه الإشارة، GW241110، من اصطدام بين ثقبين أسودين تبلغ كتلتهما 16 و8 أضعاف كتلة الشمس، وحدث على بعد حوالي 2.4 مليار سنة ضوئية. وكشفت هذه الإشارة أن أحد الثقبين الأسودين المعنيين كان يدور في الاتجاه المعاكس لمداره حول الثقب الأسود الآخر، وهي المرة الأولى التي تُرى فيها هذه الخاصية عند الاندماج الثقوب السوداء الثنائية.
“يوفر كل اكتشاف جديد رؤى مهمة حول الكون، ويذكرنا بأن كل اندماج تمت ملاحظته هو اكتشاف فيزيائي فلكي ولكنه أيضًا مختبر لا يقدر بثمن لسبر القوانين الأساسية للفيزياء،” كارل يوهان هاستر، أستاذ مساعد في الفيزياء الفلكية في جامعة نيفادا، لاس فيغاس (UNLV). قال في بيان. “لقد تم التنبؤ بمثل هذه الثنائيات في ضوء الملاحظات السابقة، ولكن هذا هو أول دليل مباشر على وجودها.”
ويشير كلا الحدثين إلى وجود ما يسمى بالثقوب السوداء من الجيل الثاني.
وقال ستيفن فيرهيرست، المتحدث الرسمي باسم تعاونية LIGO والأستاذ بجامعة كارديف، في البيان: “GW241011 وGW241110 هما من بين الأحداث الأكثر حداثة من بين عدة مئات من الأحداث التي رصدتها شبكة LIGO-Virgo-KAGRA”. “مع وجود ثقب أسود في كلا الحدثين أكبر بكثير من الآخر ويدور بسرعة، فإنهما يقدمان دليلًا محيرًا على أن هذه الثقوب السوداء تشكلت من اندماج ثقب أسود سابق.”
الثقوب السوداء: الجيل الثاني
فكرة أن الثقوب السوداء المكتشفة هي من الجيل الثاني تأتي من الاختلاف في الحجم بين الثقوب السوداء الأكبر حجما ورفاقها الأصغر في عمليتي الاندماج. ويبدو أن كتلة الثقوب السوداء الأصغر حجمًا كانت تقريبًا نصف كتلة رفاقها. إن الاتجاه المعاكس للمدار لدوران الثقب الأسود الأكبر أثناء الاندماج الذي أنتج الإشارة GW241110 هو أيضًا دليل على اندماج سابق أنتج ذلك الثقب الأسود المهيمن.
تُعرف عملية نمو الثقب الأسود عن طريق الاصطدام بعد الاصطدام باسم “الاندماج الهرمي”. يُعتقد أن هذا يحدث في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية مثل العناقيد النجمية، حيث من المرجح أن تلتقي الثقوب السوداء وتتجمع مرارًا وتكرارًا، مما يؤدي لاحقًا إلى ثقوب سوداء أكبر.
يوفر GW241011 للعلماء الفرصة لاستكشاف حدود نظرية الجاذبية التي وضعها ألبرت أينشتاين عام 1915، النسبية العامةومن هنا نشأ مفهوم الثقوب السوداء وموجات الجاذبية.
على سبيل المثال، يؤدي الدوران السريع للثقب الأسود الناتج عن هذا الاندماج تحديدًا إلى تشويه الجسم، مما يترك انطباعًا فريدًا في موجات الجاذبية التي يصدرها. وهذا يعني أنه يمكن مقارنة هذا الحدث بالنسبية العامة والتنبؤات التي قدمها الفيزيائي روي كير باستخدام نظرية أينشتاين بشأن دوران الثقوب السوداء. ويوضح فريق الدراسة أن الثقوب السوداء في GW241011 تتوافق مع حل كير للنسبية العامة، مما يساعد في التحقق من ذلك بالإضافة إلى نظرية أينشتاين العظيمة نفسها في الظروف القصوى. يتضمن ذلك التأكيد للمرة الثالثة ضمن إشارة موجة الجاذبية (GW241011) على “طنين” توافقي أعلى، أقرب إلى نغمات الآلات الموسيقية.
يعتقد التعاون بين LIGO-Virgo-KAGRA أيضًا أن إشارات موجات الجاذبية هذه يمكن أن تكون أساسية لفتح شيء تم التنبؤ به ولكن لم يتم رؤيته من قبل – شيء خارج حدود النسبية العامة.
بالإضافة إلى ذلك، فإن اندماج الثقب الأسود خلف هذه الإشارات لديه القدرة على كشف المزيد عن مجال علمي غير ذي صلة: فيزياء الجسيمات.
يمكن للعلماء استخدام الثقوب السوداء التي تدور بسرعة لاختبار الوجود المفترض للبوزونات خفيفة الوزن، أو الجسيمات الموجودة خارج النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. إذا كانت موجودة، فيجب على البوزونات الخفيفة أن تستمد الطاقة الدورانية من الثقوب السوداء الدوارة. يعتمد مقدار الطاقة التي تستخرجها هذه الجسيمات ومدى إبطاء حركة الثقوب السوداء على كتلتها.
إن الكشف عن أن الثقب الأسود الأصلي للاندماج وراء GW241011 لا يزال يدور بمعدل سريع بعد ملايين (أو حتى مليارات) السنين منذ الاندماج الذي أدى إلى ظهوره يبدو أنه يستبعد مجموعة من كتل البوزون خفيفة الوزن.
قال فرانسيسكو بانارالي، الرئيس المشارك لقسم علوم المراقبة في تعاونات LIGO-Virgo-KAGRA والأستاذ في جامعة سابينزا في روما: “إن اكتشاف هذين الحدثين والتفتيش عليهما يوضح مدى أهمية تشغيل أجهزة الكشف لدينا في تآزر والسعي لتحسين حساسيتها”. “لقد علمتنا أدوات LIGO وVirgo المزيد عن كيفية تشكل الثقب الأسود الثنائي في كوننا، وكذلك عن الفيزياء الأساسية التي تنظمها في جوهرها.
“من خلال ترقية أدواتنا، سنكون قادرين على الغوص بشكل أعمق في هذه الجوانب وغيرها مع زيادة دقة قياساتنا.”
تم نشر بحث الفريق يوم الثلاثاء (28 أكتوبر) في مجلة رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
التعليقات