ادغام "غیرممکن" سیاهچاله ممکن است سرانجام به لطف نسبیت انیشتین حل شود - اما معمایی بزرگتر را مطرح می کند.

اخترشناسان گمان می‌کنند که تغییری که قبلا هرگز از یک پدیده فضا-زمان دیده نشده بود، می‌تواند ادغام «غیر ممکن» سیاه‌چاله را توضیح دهد که سال‌ها کارشناسان را متحیر کرده است. اما اگر نظریه آنها درست باشد، معمایی کاملا جدید برای حل ایجاد می کند.

در 23 نوامبر 2023، هر دو نیمه رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) - واقع در واشنگتن و لوئیزیانا - مجموعه ای غیرعادی از امواج گرانشی را شناسایی کردند. این امواج در تار و پود فضا-زمان می تواند توسط برخی از قوی ترین رویدادهای جهان، مانند ستاره های در حال انفجار و ستاره های نوترونی به سرعت در حال چرخش، ایجاد شود. اما در این مورد، سیگنالی که GW231123 نامیده می‌شود، از یک جفت سیاهچاله در فاصله حدود 2 میلیارد سال نوری از زمین منشأ گرفته است.

این ادغام همچنین امواجی را در رسانه‌ها به‌عنوان عظیم‌ترین برخورد سیاه‌چاله تا به امروز ایجاد کرد، با این که دو سیاه‌چاله والد یک تکینگی حدود 230 برابر بزرگ‌تر از خورشید به وجود آوردند. تنها مشکل این است که سیاهچاله های در حال برخورد - که به ترتیب 100 و 130 جرم خورشیدی دارند - بیش از حد بزرگ هستند که با درک فعلی ما از جهان توضیح داده شوند.

این جفت در جایی زندگی می‌کنند که اخترشناسان آن را «شکاف جرمی» می‌نامند، به این معنی که آن‌ها بیش از آن بزرگ هستند که سیاهچاله‌هایی با جرم ستاره‌ای باشند که توسط ستارگان در حال فروپاشی ایجاد شده‌اند، اما کوچک‌تر از سیاه‌چاله‌های با جرم متوسط ​​هستند، که ما هنوز به طور کامل آن را درک نکرده‌ایم. علاوه بر عجیب بودن، سیاهچاله ها در هنگام برخورد با یکدیگر بسیار سریعتر از حد انتظار می چرخیدند.

محققان چندین توضیح بالقوه برای اندازه های "ممنوع" سیاهچاله ها ارائه کرده اند. یک مطالعه منتشر شده در سال گذشته مسیر جدیدی را پیشنهاد کرد که از طریق آن تکینگی هایی با این اندازه می توانند شکل بگیرند: از طریق فروپاشی ستارگان بزرگتر که در غیر این صورت به صورت ابرنواختر منفجر می شوند. با این حال، این ایده برخلاف بسیاری از شواهد مشاهداتی قبلی است.

اکنون، در مطالعه‌ای که در 25 آگوست در The Astrophysical Journal Letters منتشر شد، محققان توضیح ساده‌تر و در عین حال جذاب‌تری برای GW231123 ارائه کردند. آنها پیشنهاد می‌کنند که سیگنال حاصل از ادغام توسط یک پدیده فضا-زمان عجیب به نام لنز گرانشی منحرف شده است، که زمانی رخ می‌دهد که گسیل‌های دوردست از تکه‌های فضا-زمان منحرف شده توسط گرانش اجرام عظیم پیش‌زمینه منحرف می‌شوند.

هنگامی که سیاهچاله ها با هم برخورد می کنند، امواجی را در تار و پود فضا-زمان به نام امواج گرانشی می فرستند که می تواند توسط رصدخانه های ویژه روی زمین، مانند LIGO، شناسایی شود. (اعتبار تصویر: آزمایشگاه تصویر مفهومی مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا) این اثر قبلا بارها نشان داده است که منابع نوری دور را بزرگ‌نمایی می‌کند یا در غیر این صورت منحرف می‌کند. با این حال، تا کنون، محققان هیچ مدرکی مبنی بر اینکه عدسی گرانشی می‌تواند در موج‌های فضا-زمان رخ دهد، پیدا نکرده بودند.

میگوئل زومالاکارگی، اخترفیزیکدان مؤسسه فیزیک گرانشی ماکس پلانک در آلمان، در بیانیه ای گفت: امواج گرانشی نیز مانند نور می توانند توسط اجرام عظیم منحرف، بزرگ شده و به سیگنال های متعدد تقسیم شوند. برای امواج گرانشی، تأثیرات پراش و تداخل راه دیگری برای شناسایی و مطالعه سیگنال‌های عدسی به ما می‌دهد.»

بزرگنمایی کیهانی

ایده عدسی گرانشی اولین بار در سال 1915 توسط نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین ارائه شد که بیان می کند گرانش اجرام عظیم مانند کهکشان ها یا سیاهچاله ها، فضا-زمان اطراف آنها را منحرف می کند. اگر چنین جسمی مستقیما بین زمین و جسم دورتر دیگری قرار گیرد، نور موجود در موجودیت دور می‌تواند از فضا-زمان منحرف شده عبور کند و عملا به دور جسم میانی خم شود. در نتیجه، نور را می‌توان بزرگ‌نمایی، پراش یا تغییر داد – درست همانطور که با عبور از یک عدسی شیشه‌ای ممکن است.

این اثر می‌تواند مناظر خیره‌کننده‌ای ایجاد کند، از جمله هاله‌های نور معروف به حلقه‌های اینشتین، ساختارهای غیرعادی صلیب‌شکل، و کپی‌های متعدد از یک منبع نور. با مطالعه این کنجکاوی های درخشان، محققان می توانند اشیاء عدسی را وزن کنند، بنابراین اختلافات پنهان ناشی از ماده تاریک نامرئی را آشکار می کنند و یکی از بهترین روش های ما را برای مطالعه این ماده گریزان ارائه می دهند.

در مطالعه جدید، محققان مدل‌سازی کردند که چگونه امواج گرانشی ممکن است توسط یک جسم عدسی تغییر کنند. آنها دریافتند که سیگنال GW231123 می‌توانست بزرگ‌نمایی شود، که می‌توانست تا حد زیادی جرم سیاه‌چاله‌های درگیر را اغراق کند.

عدسی گرانشی نور مرئی گاهی اوقات می تواند هاله های درخشانی ایجاد کند که حلقه های اینشتین نامیده می شوند. در این تصاویر، جسم عدسی نقطه‌ای روشن در مرکز حلقه‌ها است و نور آبی تاب‌خورده از یک جسم دور است که مستقیما در پشت «عدسی» قرار دارد. (نور آبی نیز بزرگ‌نمایی شده است و باعث می‌شود که بسیار درخشان‌تر از آنچه در غیر این صورت بود به نظر برسد.) (اعتبار تصویر: ناسا) "اگر فرض کنیم که GW231123 توسط یک جسم فشرده با جرم حدود 190 تا 850 خورشیدی منحرف و منحرف شده است - یا توسط یک ساختار گسترده مانند یک خوشه کروی - می توانیم جرم بالا مشاهده شده را درک کنیم.

سرشتی گویال، نویسنده اول این مطالعه، محقق فوق دکتری در موسسه ماکس پلانک برای فیزیک گرانشی، در بیانیه گفت: "علاوه بر این، تفسیر عدسی نیازی به چرخش های غیرمعمول بالا ندارد."

با در نظر گرفتن این موضوع، جرم کل سیاهچاله تازه ادغام شده به جای 230 جرم خورشیدی که محققان در ابتدا اندازه گرفتند، حدود 140 جرم خورشیدی خواهد بود، به این معنی که سیاهچاله های برخوردی که آن را تشکیل داده اند، دیگر در شکاف جرمی مشکل ساز ساکن نیستند. همچنین نشان می دهد که سیاهچاله ممکن است حتی دورتر از آنچه ستاره شناسان فکر می کردند از زمین باشد.

با این حال، در حالی که عدسی امواج گرانشی از نظر تئوری امکان پذیر است، قبلا هرگز دیده نشده بود. محققان خاطرنشان کردند که مطالعه جدید کاملا تئوری است - محققان هیچ مدرک مستقیمی از عدسی مانند حلقه انیشتین ندارند - بنابراین برای نشان دادن اینکه ممکن است این اتفاق در اینجا رخ داده باشد، به کار بیشتری نیاز است.

یک راز جدید

نظریه جدید در نهایت می تواند معمای GW231123 را پنهان کند. اما با انجام این کار، سوال جالب دیگری را مطرح می کند: چه چیزی سیگنال گیج کننده را عدسی داده است؟

در بیشتر موارد نور با عدسی گرانشی، جسمی که عدسی می بیند، چیزی عظیم است، مانند یک کهکشان، که می تواند تریلیون ها بار بیشتر از خورشید جرم داشته باشد. اما مدل‌های محققان نشان می‌دهند که هر جسم بالقوه عدسی‌دهی در اینجا باید بسیار کوچک‌تر باشد، و آن‌ها نتوانسته‌اند چیزی را که مناسب بین زمین و نقطه مبدا GW231123 باشد، تشخیص دهند.

داستان های مرتبط

ستاره سیاه چاله؟ "نقطه" به اندازه منظومه شمسی از کیهان اولیه بهترین شواهد ما از یک نوع کاملا جدید از جرم کیهانی است.

"آنچه ما پیدا کردیم قابل توجه بود": فیزیکدانان نوع جدیدی از سیگنال موج گرانشی را از افق رویداد سیاهچاله کشف کردند

تلسکوپ اقلیدس ۲ باستانی ترین سیاهچاله هیولا در جهان را کشف کرد که هر کدام از یک تریلیون خورشید درخشان ترند.

Zumalacárregui گفت: "ماهیت لنز یک راز بزرگ در تحلیل ما باقی مانده است، زیرا لنزهای فشرده منفرد با جرم 100 تا 1000 خورشیدی باید بسیار نادر باشند." کار آینده باید مشخص کند که آیا چنین عدسی‌هایی می‌توانند شکل بگیرند یا مجموعه‌ای از اجسام سبک‌تر، از جمله ستاره‌ها، می‌توانند این رویداد را توضیح دهند.

اگر تیم بتواند بفهمد چه چیزی ممکن است سیگنال را بزرگ‌نمایی کند و ثابت کند که امواج فضا-زمان منحرف شده‌اند، می‌تواند برای نجوم آینده تحول‌آفرین باشد. اگر بتوان امواج گرانشی را عدسی دید، امکان مطالعه ادغام سیاه‌چاله‌های باستانی یا رویدادهای کیهانی مشابهی را فراهم می‌کند که در غیر این صورت برای ما بسیار دور از دسترس هستند. محققان همچنین فکر می‌کنند که تجزیه و تحلیل الگوهای پراش چنین سیگنال‌هایی می‌تواند سرنخ‌های بیشتری برای هویت مبهم ماده تاریک ارائه دهد.