يصل أسبوع الثقب الأسود إلى نهايته اليوم (10 مايو)، وليس هناك طريقة أفضل للاحتفال بهذه المناسبة من بعض العلوم “الاستثنائية” المتعلقة بالثقوب السوداء.
باستخدام قياسات موجات الجاذبية بواسطة مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO)، ومقره في الولايات المتحدة، وكاشفي Virgo وKAGRA، الموجودين في إيطاليا واليابان، على التوالي، وجد العلماء أن مدارات بعض الثقوب السوداء الثنائية يمكن أن تكون بيضة. -شكل ويظهر تمايلًا غريبًا.
هذا البحث هو أكثر من مجرد فضول (و”خدعة البيض” للقضاء على بعض التورية السيئة المتعلقة بالبيض). إن اكتشاف هذه المدارات البيضاوية الشكل في أنظمة الثقوب السوداء الثنائية يمكن أن يساعد الباحثين على تحديد كيفية تشكل كل من هذه الأنظمة.
متعلق ب: الوقوع في ثقب أسود في الرسوم المتحركة المذهلة لناسا (فيديو)
“وجدنا أنه من المتوقع أن تكون غالبية الثقوب السوداء الثنائية في ما يسمى بالمدارات “شبه الدائرية”. و”شبه” يعني فقط أن الفصل بين الثقوب السوداء يتناقص بمرور الوقت بسبب انبعاث موجات الجاذبية”. وقال المؤلف الرئيسي للدراسة نيهار غوبت، من معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية في ألمانيا وجامعة ميريلاند، لموقع Space.com.
وأضاف غوبتي: “تظهر دراستنا أن عددًا قليلاً من الثقوب السوداء الثنائية التي تم رصدها يمكن أن تكون في مدارات”غريبة الأطوار”. “وهذا يعني أن الثقوب السوداء تدور في شكل بيضاوي أو على شكل بيضة.”
وقال الباحث إن الفريق اكتشف أيضًا أن طرف هذا المدار البيضاوي على شكل بيضة يمكن أن يدور بينما تدور الثقوب السوداء حول بعضها البعض.
“لقد وجدنا أيضًا أنه إذا قمت بتحليل هذه الأحداث باستخدام نموذج غير غريب الأطوار، فسوف تفعل ذلك
وأضاف غوبتي: “إنهم يبالغون في تقدير كتل الثقوب السوداء”.
ماذا يمكننا أن نتعلم من مدارات الثقب الأسود على شكل بيضة؟
قام غوبتي وزملاؤه بفحص 57 زوجًا من الثقوب السوداء الثنائية التي تم اكتشافها عبر موجات الجاذبية من خلال التعاون بين LIGO-Virgo-KAGRA. موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان تنبأ بها لأول مرة ألبرت أينشتاين في نظريته الشهيرة عن النسبية العامة عام 1915.
تشير النسبية العامة إلى أن الأجسام ذات الكتلة تخلق انحناءًا في نسيج المكان والزمان، متحدين ككيان رباعي الأبعاد يسمى “الزمكان”. تنشأ الجاذبية من هذا الانحناء، والذي يصبح أكثر تطرفًا مع زيادة كتل الأجسام. ولهذا السبب تتمتع النجوم بتأثير جاذبية أكبر من تأثير الكواكب، كما تتمتع المجرات بتأثير جاذبية أكبر من النجوم.
كما تنبأ أينشتاين في هذه النظرية الثورية للجاذبية أنه عندما تتسارع الأجسام، فإنها ترسل تموجات صغيرة تشع عبر الزمكان – موجات الجاذبية. ومع ذلك، تكون هذه التموجات غير ذات أهمية حتى يتم الوصول إلى مجال الأجسام فائقة الكثافة مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.
عندما تدور النجوم النيوترونية الثنائية أو الثقوب السوداء حول بعضها البعض، فإنها تنبعث منها باستمرار موجات الجاذبية، والتي تحمل الطاقة بعيدًا عن النظام في شكل زخم زاوي. يؤدي فقدان الزخم الزاوي إلى تشديد مدارات هذه الأجسام، مما يؤدي إلى تقريبها معًا حتى يتولى تأثير جاذبيتها. وفي نهاية المطاف، تصطدمان وتندمجان، مرسلين صرخة أخيرة عالية النبرة من موجات الجاذبية.
اعتقد أينشتاين أنه حتى موجات الجاذبية هذه ستكون خافتة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها على الأرض. لحسن الحظ، في سبتمبر 2015، أثبت مرصد LIGO خطأ العالم العظيم، حيث اكتشف GW150914، وهي إشارة موجة جاذبية من اندماج ثنائي لثقب أسود على بعد أكثر من مليار سنة ضوئية.
متعلق ب: مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل بالليزر (LIGO): اكتشاف التموجات في الزمكان
مع استمرار اكتشاف موجات الجاذبية، يتعلم علماء مثل جوبتا كيفية استخدامها للكشف عن تفاصيل حول الكائنات التي تخلقها، كما يوضح هذا البحث الجديد.
وأوضح غوبتا أن استخدام موجات الجاذبية لفهم مدارات الثقوب السوداء الثنائية يشبه قيام علماء الحفريات بدراسة العظام لإعادة بناء الطريقة التي عاشت بها الديناصورات. وبالتالي، يمكن للفيزيائيين دراسة خصائص اندماج الثقوب السوداء الثنائية لفهم كيفية تجمع الثقوب السوداء الثنائية معًا في المقام الأول.
يمكن أن يحدث هذا بطريقتين مختلفتين. تحدث التفاعلات الديناميكية عندما يواجه ثقب أسود ثنائي ويتفاعل مع ثقب أسود آخر، أو حتى نظام ثنائي ثقب أسود آخر.
من ناحية أخرى، يمكن عزل الثنائيات وتشكيلها بشكل أكثر بساطة من نجمين يدوران بالفعل حول بعضهما البعض ليصبحا ثقوبًا سوداء، أو من ثقب أسود يتجول بالقرب من الآخر ويشكل نجمًا ثنائيًا قبل أن يتصادما ويندمجا.
وقال غوبتا: “الفكرة الأساسية هي أنه إذا لاحظنا وجود ثنائي غريب الأطوار، فمن المحتمل أن يأتي ذلك من تفاعل ديناميكي”. “يمكن لهذه التفاعلات الفوضوية أن تفكك الثنائي وتطلق الثقوب السوداء المكونة لها خارج المجرات المضيفة وعناقيد المجرات. لكن في بعض الأحيان، يمكنها أيضًا تقليص المسافة بين الثقبين الأسودين، وتحفيز الانحراف المركزي، وتسبب اندماجهما في فترات زمنية قصيرة. “
بالإضافة إلى استخدام الانحراف المداري لسرد قصة الثقب الأسود الثنائي، يهتم العالم وفريقه أيضًا بدراسة ما تفعله الطبيعة البيضاوية للمدارات بانبعاثات موجات الجاذبية لهذه الأنظمة.
وأوضح غوبتا: “عندما يكون لديك انحراف مركزي، فهذا يعني أنه في بعض النقاط في المدار، تكون الثقوب السوداء أقرب إلى بعضها البعض”. “عندما تكون الثقوب السوداء أقرب إلى بعضها البعض، يكون لها تسارع أكبر، مما يعني أنها تبعث المزيد من موجات الجاذبية. ومن ناحية أخرى، إذا كانت بعيدة، يكون لديها تسارع أقل، مما يعني أنها تبعث موجات جاذبية أقل.
“لذلك ينتهي بك الأمر إلى رؤية نقاط صغيرة في سعة الشكل الموجي [the total pattern of gravitational waves]والتي تحدث نتيجة اقتراب الثقوب السوداء من بعضها البعض وابتعادها عنها!”
سيكون من الصعب للغاية تحديد طبيعة وتاريخ الثقوب السوداء الثنائية دون استخدام موجات الجاذبية. هناك طريقة بديلة لفهم أصل الثقوب السوداء الثنائية وهي البحث عما يسمى بأحداث “الغلاف المشترك” باستخدام علم الفلك القياسي المعتمد على الضوء.
تبدأ هذه الأحداث عندما يدور نجم وثقب أسود حول بعضهما البعض، ليتحول ذلك النجم إلى عملاق أحمر. تشكل الطبقات الخارجية للنجم المنتفخ غلافًا مشتركًا حول شاغلي النجم الثنائي، مما يولد احتكاكًا بين الثقب الأسود والنجم. يؤدي هذا إلى تقليص مدار الثنائي، وفي النهاية، بعد أن أصبح العملاق الأحمر ثقبًا أسود، يؤدي هذا إلى اندماج ثقب أسود ثنائي.
وقال جوبتا: “المشكلة هي أن مراقبة هذه الفترة الحرجة أمر صعب مع عمليات الرصد الكهرومغناطيسي. وذلك لأن النجوم الضخمة نادرة وقصيرة العمر، وبالتالي فإن المراحل التطورية الحرجة لاندماج الأجسام المدمجة تشغل جزءًا صغيرًا من هذه الأنظمة”. “من ناحية أخرى، من خلال دراسة موجات الجاذبية، يمكننا فهم اللحظات الأخيرة للاندماج الثنائي. وهذا يمكن أن يسمح لنا بتتبع تاريخ الاندماج وافتراض ما الذي يمكن أن يكون قد شكله.”
وأضاف أن موجات الجاذبية مفيدة بشكل خاص في هذا الصدد لأنها “مسبار نظيف للغاية” أو أحداث بعيدة. يشير هذا إلى حقيقة أن هذه التموجات عبر الزمكان يمكن أن تنتقل لمسافات شاسعة دون تدخل من أي شيء يقع بين الثنائي والأرض.
متعلق ب: الكون يطن مع موجات الجاذبية. ولهذا السبب فإن العلماء متحمسون جدًا لهذا الاكتشاف
قصص ذات الصلة:
– كيف تصبح بعض الثقوب السوداء كبيرة جدًا؟ قد يكون لدى تلسكوب جيمس ويب الفضائي إجابة
– ألمع نجم زائف على الإطلاق يستمد طاقته من ثقب أسود يلتهم “شمسًا يوميًا”
– محطم الأرقام القياسية! الثقب الأسود الأكثر وحشية في درب التبانة من حيث الكتلة النجمية هو عملاق نائم يتربص بالقرب من الأرض (فيديو)
“على الرغم من أننا لا ندعي أن هذه هي الاكتشافات النهائية للثقوب السوداء الثنائية اللامركزية، إلا أن هذه النتائج تشير إلى الانحراف المركزي”. [in the] قال غوبتي: “هذا اعتبار مهم بالنسبة لكاشف موجات الجاذبية الحالي الموجود على الأرض، بالإضافة إلى كاشفات موجات الجاذبية الأرضية والفضائية المستقبلية.
“في الوقت الحاضر، ليس لدينا بيانات كافية لتحديد أصول الثقوب السوداء الثنائية بشكل قاطع. ومع ذلك، إذا لاحظنا المزيد من الثقوب السوداء الثنائية الغريبة في المستقبل، فيمكننا البدء في وضع قيود على الآليات التي تشكل هذه الأنظمة.”
ولم يتم نشر ورقة الفريق بعد في مجلة خاضعة لمراجعة النظراء. يمكنك قراءة نسخة أولية منه في المستودع عبر الإنترنت arXiv.