سرنخ «گرانش کوانتومی» پنهان در زنگ سیاه‌چاله‌ها

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از نیو اطلس، از میان چهار نیروی بنیادی فیزیک، نیروی گرانش، نیرویی است که ما در زندگی روزمره با آن آشنا هستیم، اما در عین حال، تنها نیرویی است که در حال حاضر توسط فیزیک کوانتومی قابل توضیح نیست. اکنون دانشمندان طرحی را برای جستجوی نشانه‌های گرانش کوانتومی در کیهان با گوش دادن به «زنگ» سیاه‌چاله‌های در حال ادغام یا برخوردی ترسیم کرده‌اند.

سه نیرو از چهار نیروی اساسی یعنی نیروی الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای ضعیف و قوی را می‌توان به عنوان میدان‌هایی توصیف کرد که توسط ذرات خاص حمل می‌شوند. به عنوان مثال، نیروی الکترومغناطیس توسط فوتون‌ها حمل می‌شود و میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد می‌کند.

با این حال، نیروی جاذبه را نمی‌توان این‌گونه توضیح داد. در حال حاضر، بهترین مدلی که ما داریم، نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین است، اما در شرایط خاص مانند نزدیک سیاه‌چاله‌ها این نظریه نقض می‌شود و نشان می‌دهد که ناقص است.

ده‌ها سال است که دانشمندان در جستجوی نظریه‌ای در مورد گرانش کوانتومی هستند که بتواند این نیرو را بر حسب مکانیک کوانتومی که توسط ذره‌ای فرضی به نام گراویتون حمل می‌شود توضیح دهد، اما تاکنون موفق به آن نشده‌اند.

اکنون دو مطالعه جدید نشان داده‌اند که چگونه اخترفیزیکدانان می‌توانند در سال‌های آینده به دنبال سرنخ‌هایی در این مورد باشند. امواج گرانشی موج‌هایی در بافت فضا-زمان هستند که توسط رویدادهای سهمگین مانند برخورد بین سیاه‌چاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی ایجاد می‌شوند، پدیده‌هایی که توسط رصدخانه‌هایی مانند LIGO قابل تشخیص هستند.

پژوهشگران نشان دادند که آواهای حاصل از این برخوردها به فیزیکی اشاره دارد که کاملاً با مدل‌های فعلی همخوانی ندارد.

یانبِی چِن یکی از پژوهشگران که در هر دو پژوهش مشارکت داشته است، می‌گوید: وقتی دو سیاه‌چاله با هم ادغام می‌شوند تا سیاه‌چاله بزرگتری تولید کنند، سیاه‌چاله نهایی مانند یک زنگ به صدا درمی‌آید. اگر برخی از نظریه‌های گرانش کوانتومی درست باشند، کیفیت این زنگ ممکن است با پیش‌بینی‌های نسبیت عام متفاوت باشد. روش‌های ما طوری طراحی شده‌اند که به دنبال تفاوت‌هایی در کیفیت آن مانند خوش آهنگی و موزون بودن در مقابل صداهای فرعی باشند.

نخستین مطالعه، معادله جدیدی را ارائه می‌دهد که چگونگی زنگ زدن سیاه‌چاله‌ها تحت نظریه‌های مختلف گرانش کوانتومی را توصیف می‌کند. این بر اساس معادله‌ای بنا شده است که برای اولین بار توسط یک فیزیکدان نظری به نام سال تیوکولسکی(Saul Teukolsky) در دهه ۱۹۷۰ ارائه شد.

در مطالعه دوم، پژوهشگران توضیح داده‌اند که چگونه می‌توان این معادله جدید را روی داده‌های به دست آمده توسط رصدخانه LIGO اعمال و نویز پس‌زمینه را فیلتر کرد.

با توجه به اینکه رصدخانه LIGO اخیراً پس از یک وقفه سه ساله برای ارتقاء دوباره فعال شده است، ما باید به زودی بتوانیم ایده گرانش کوانتومی را مورد آزمایش قرار دهیم.

این پژوهش‌ها در مجلات Physical Review X و Physical Review Letters منتشر شده است.