اكتشف علماء الفلك تصادمًا بين فتحتين سوداء في تفاصيل غير مسبوقة ، مما يوفر أوضح رؤية حتى الآن في طبيعة هذه الشذوذ الكوني وتأكيد التنبؤات الطويلة التي قام بها الفيزيائيون الأسطوريون ألبرت أينشتاين وستيفن هوكينج.
أصبح الحدث ، الذي يطلق عليه GW250114 ، معروفًا في يناير عندما اكتشف الباحثون ذلك مع مرصد الموجة التداخل بالليزر (LIGO)-مجموعة من صكين متطابقين يقعان في ليفينجستون ولويزيانا وهانفورد ، واشنطن. اكتشفت الأدوات الموجات الجاذبية ، تموجات باهتة في الزمان التي تنتجها الثقوب السوداء التي تنتقل إلى بعضها البعض.
البحث عن موجات الجاذبية ، هو الظواهر التي تنبأت في عام 1915 كجزء من نظرية آينشتاين للنسبية ، هو الطريقة الوحيدة لتحديد تصادم الثقب الأسود من الأرض. اعتقد آينشتاين أن الأمواج ستكون ضعيفة للغاية بحيث لا يمكن التقاطها من قبل التكنولوجيا البشرية ، ولكن في سبتمبر 2015 ، سجلت ليجو لأول مرة ، في وقت لاحق صياغة جائزة نوبل لثلاثة علماء قدموا مساهمات رئيسية في تطوير هذا “”تلسكوب الثقب الأسود“
وقال ماكسيميليانو ، وهو أستاذ مساعد لعلم الفلك في جامعة كولومبيا وعلماء الفيزياء الفلكية في مركز الفيزياء الحسابية في مدينة نيويورك ، إن الثقوب السوداء التي تم اكتشافها حديثًا كانت حوالي 30 إلى 35 مرة من كتلة الشمس ، وكانوا يدورون ببطء شديد. قاد ISI دراسة جديدة لتعاون Ligo-Virgo-Kagra على بيانات GW250114 ، التي نشرت يوم الأربعاء في خطابات المجلة المادية للمراجعة.
وقال ISI: “كانت الثقوب السوداء على بعد حوالي مليار سنة ضوئية ، وكانوا يدورون حول بعضهم البعض في دائرة مثالية تقريبًا”. “كان الثقب الأسود الناتج حوالي 63 ضعف كتلة الشمس ، وكان يدور عند 100 ثورة في الثانية.”
هذه الخصائص تجعل الاندماج نسخة طبق الأصل تقريبًا من هذا الاكتشاف الرائد منذ 10 سنوات ، وفقًا لما ذكره ISI. وأضاف: “لكن الآن ، لأن الأدوات قد تحسنت كثيرًا منذ ذلك الحين ، يمكننا أن نرى هذين الثقوب السوداء بوضوح أكبر بكثير ، حيث اقتربوا من بعضهما البعض ودمجوا في واحد”.
وقالت ISI إن الملاحظة تمنح العلماء رؤية جديدة تمامًا في “ديناميات المكان والزمان”.
آينشتاين وخاتم ثنائية النطق
تتم إدارة LIGO ، التي لديها أيضًا صكان أخت أصغر – العذراء في إيطاليا و KAGRA في اليابان – من قبل مجتمع علمي عالمي يضم حوالي 1600 باحث. إنه يعمل من خلال اكتشاف تمديدات صغيرة في الفضاء الناتجة عن موجات الجاذبية التي تصل إلى “تغيير في المسافة أصغر 1000 مرة من نصف قطر نواة الذرة” ، كما يقول ISI. استخدمها العلماء لمراقبة أكثر من 300 من عمليات دمج الثقب الأسود حتى الآن.
في وقت سابق من هذا العام ، اكتشفت الأداة تصادم الثقب الأسود الأكثر ضخامة حتى الآن بين فتحتين أسود حوالي 100 و 140 ضعف كتلة الشمس.
منذ ظهورها لأول مرة ، تمت ترقية بعض مكونات Ligo الرئيسية – بما في ذلك الليزر والمرايا – لزيادة الدقة وتقليل ضوضاء الخلفية. جعل هذا الأداء المحسن ملاحظته الجديدة أكثر من ثلاث مرات أكثر دقة من الافتتاحية قبل عقد من الزمان.
سمح هذا الوضوح غير المسبوق لعلماء الفلك باستخدام GW250114 لتأكيد التنبؤات حول الثقوب السوداء التي صنعها قبل عقود من قبل الفيزيائيين البارزين.
إن التنبؤ الأول ، الذي ابتكره عالم الرياضيات النيوزيلندي روي كير في عام 1963 ، يعتمد على نظرية آينشتاين للنسبية العامة ، ويذكر أن الثقوب السوداء يجب أن تكون أشياء بسيطة من المفارقة ، الموصوفة بمعادلة واحدة.
“نعم ، الثقوب السوداء غامضة للغاية ومعقدة ولها آثار مهمة على تطور الكون ،” قال ISI ، “ولكن من الناحية الرياضية ، نعتقد أنه ينبغي وصفها بالكامل من خلال رقمين فقط. كل ما يمكن معرفته عنهم يجب أن يأتي من حجم الثقب الأسود – أو ما مدى سرعة تدويره”.
لاختبار هذه النظرية ، استخدم الباحثون ميزة فريدة لتصادمات الثقب الأسود: “رنين” أو اهتزاز – مثل جرس تم ضربه – الذي ينتجه الثقب الأسود النهائي. “إذا كان لديك جرس وقمت بضربه بمطرقة ، فسوف يرن” ، أشار ISI. “إن ملعب الصوت ومدة الصوت ، وخصائص الصوت ، تخبرك بشيء عن ماهية الجرس. مع وجود ثقوب سوداء يحدث شيء مشابه – إنها ترن في موجات الجاذبية.”
وأضاف ISI أن هذا الرنين يتضمن معلومات حول بنية الثقب الأسود والمساحة المحيطة به. على الرغم من أن هذه الظاهرة لوحظت بشكل خافت من قبل ، إلا أن GW250114 أعاد إشارة مع “وضعين … وضع أساسي وتجاوز” مع وضوح أكبر بكثير.
وقال: “لقد حددنا مكونين من هذا الرنين ، وهذا سمح لنا باختبار أن هذا الثقب الأسود يتوافق حقًا مع وصفتين فقط ، الكتلة والدوران”. “وهذا أمر أساسي لفهمنا لكيفية عمل المساحة والوقت – أن هذه الثقوب السوداء يجب أن تكون مميزة ، بطريقة ما. إنها المرة الأولى التي نتمكن فيها من رؤية ذلك بشكل مقنع.”
نظرية منطقة سطح هوكينج
التنبؤ الثاني الذي أكدته GW250114 هو واحد صنع في عام 1971 من قبل الفيزيائي البريطاني ستيفن هوكينج ، والذي ينص على أنه عندما يندمج فتحتان سوداء ، يجب أن تكون مساحة السطح الناتجة مساوية أو أكبر من الثقوب السوداء الأصلية.
وقال ISI: “إنها نظرية عميقة ، لكنها بسيطة للغاية تقول إن مساحة السطح الكلي للثقب الأسود لا يمكن أن تنخفض أبدًا – يمكن أن تصبح أكبر أو تبقى كما هي”.
على الرغم من أن ملاحظات LIGO السابقة عرضت تأكيدات مبدئية للنظرية ، فإن وضوح هذه الإشارة الجديدة تمنح الباحثين ثقة لا مثيل لها ، على حد قول ISI.
“لأننا قادرون على تحديد جزء من الإشارة التي تأتي من الثقوب السوداء في وقت مبكر ، حيث يتم فصلها عن بعضنا البعض ، يمكننا استنتاج مناطقهم عن ذلك” ، أوضح. “ثم يمكننا أن ننظر إلى الجزء الأخير من الإشارة التي تأتي من الثقب الأسود النهائي ، وقياس منطقتها الخاصة.”
تمامًا مثل معادلة كير ، تستخدم نظرية هوكينج أيضًا عمل آينشتاين كأساس لها: “نظريات آينشتاين تشبه نظام التشغيل لهذا كل هذا” ، أوضحت ISI.
وقال كيب ثورن ، أحد المتلقين الثلاثة لجائزة نوبل لمساهمات ليجو ، إن هوكينج اتصل به حالما علم بكشف الموجة الجاذبية لعام 2015 لسؤال ما إذا كان ليجو قادرًا على اختبار نظريته. وقال ثورن عن الفيزيائي المحترم ، الذي توفي عام 2018 ، في بيان حول النتائج الجديدة: “إذا كان هوكينج على قيد الحياة ، لكان قد اكتشف في رؤية منطقة الثقوب السوداء المدمجة”.
وقال ISI إنه من اللافت للنظر كيف يتم تأكيد هذا العمل النظري الأساسي بعد عقود من الأدوات المتقدمة. وأضاف أن تأكيد معادلة هوكينج ، يمكن أن يكون لها آثار على هدف مطلوب للغاية في الفيزياء-الجمع بين النظرية غير المتوافقة على ما يبدو للنسبية العامة ، التي تصف الجاذبية ، مع ميكانيكا الكم ، والتي تتعلق بالعالم دون الدوري.
وقال: “لقد أنشأت ليجو فرعًا جديدًا من علم الفلك. لقد أحدث ثورة في ما نفكر فيه في الأشياء المدمجة ، والثقوب السوداء على وجه الخصوص”. “قبل تشغيل Ligo ، لم يكن الناس متأكدين من أن الثقوب السوداء يمكن أن تندمج وتتعطل وتشكل بهذه الطريقة.”
ترسم هذه المخططات الاكتشافات التي أجراها شبكة Ligo-Virgo-Kagra (LVK) منذ اكتشاف Ligo الأول ، في عام 2015 ، من موجات الجاذبية المنبثقة من زوج من الثقوب السوداء المصطيفة.
معلم طال انتظاره
غالبًا ما توصف موجات الجاذبية بشكل كبير ، وغالبًا ما توصف المهمة التي يتمتع بها تيتانيكها بأنها تبحث عن إبرة في كومة قش ، وفقًا لإيمانويل بيرتي ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة جونز هوبكنز التي لم تشر إلى الدراسة. ووصف أجهزة الكشف عن LIGO بأنها “أجهزة السمع” التي تساعد في هذه العملية.
وقال في رسالة بالبريد الإلكتروني: “أمضت مجموعة كبيرة من العلماء السنوات العشر الماضية في تحسين تلك السمع ، والآن يمكننا” سماع “الإشارات بوضوح أعلى بكثير”. “يمكننا الآن اختبار المبادئ الأساسية للجاذبية التي لم نتمكن من اختبارها قبل عشر سنوات.”
وأضاف أن من بين هذه المبادئ ، فكرة أن الثقوب السوداء هي أبسط الأشياء العيانية في الكون. مستوى التفاصيل في “الرنين” الناتج عن تصادم GW250114 يعني أن العلماء يمكن أن يقولوا بثقة أن الكائن النهائي يتسق مع الثقوب السوداء التي تنبأت بها النسبية العامة لأينشتاين ، والتي يقول بها بيرتي إنها “مثيرة للغاية”.
أشار لور باراك ، أستاذ الفيزياء الرياضية بجامعة ساوثهامبتون في إنجلترا التي لم تكن أيضًا جزءًا من الدراسة ، إلى أنه من بين أكثر من 300 من أحداث دمج الفتحة السوداء التي سجلها ليجو ، تبرز الأحدث على أنه “مذهل بشكل خاص” ، ويطلق على الدراسة الجديدة تحليلًا طويلًا. وأضاف باراك أن العلماء تمكنوا من استخراج اثنين من “النغمات النقية” من الثقب الأسود بقايا حيث استقر في شكله النهائي.
وقال: “لقد تضمن ذلك ، لأول مرة ، استخراجًا واضحًا للأول” المتفوق “، صوتًا متناغمًا خافتًا من ثقب الرنين ، بالإضافة إلى النغمة الأولية”. “هذا النوع من الاختبار هو الأكثر دقة حتى الآن ، بهامش طويل.”
وقالت ماكارينا لاجوس ، أستاذة مساعدة في معهد الفيزياء الفلكية في جامعة أندريس أندريس بيلو في تشيلي ، إن الدراسة تمثل معلمًا مهمًا في علم فلك الموجة الجاذبية. لم يشارك لاجوس أيضًا في العمل.
وافقت على أن اكتشاف النغمة الثانية في الثقب الأسود “الرنين” مهم بشكل خاص ، مضيفًا أن GW250114 يوضح نجاح التحسينات المستمرة التي توصلت إليها Ligo ويظهر أن اكتشافات الموجة الجاذبية يمكنها اختبار الفيزياء الأساسية بطرق لم تكن ممكنة من قبل.
وقال لاجوس في رسالة بالبريد الإلكتروني: “في حين أن الاختبارات الحالية للجاذبية لا تزال لديها حالات عدم اليقين الواسعة ، فإن هذا العمل يضع الأساس لاكتشافات المستقبل” من جودة أفضل متوقعة في السنوات المقبلة. “تعد هذه الملاحظات المستقبلية بتوفير اختبارات أكثر دقة لفهمنا للفضاء والجاذبية.”
اشترك في النشرة الإخبارية لنظرية Wonder's Wonder Science. استكشف الكون مع الأخبار عن الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي والمزيد.
لمزيد من الأخبار والنشرات الإخبارية CNN قم بإنشاء حساب في CNN.com