«قایم باشک» بازی سیاه‌چاله‌های کوچک با سیاهچاله‌های کلان‌جرم گریزپا

جفت‌های دوتایی سیاه‌چاله‌های کوچک می‌توانند توسط اخترشناسان در یک بازی کیهانی «قایم باشک» برای شکار سیاهچاله‌های دوتایی بسیار بزرگ‌تر و در عین حال گریزان‌تر استفاده شوند. بنابراین، این روش می‌تواند به حل معمای اینکه چگونه سیاهچاله‌های کلان جرم در کیهان اولیه با این سرعت رشد کردند، کمک کند.

کد خبر: ۷۲۸۵۶۵

تاریخ: ۲۲ مرداد ۱۴۰۳ - ۲۲:۱۳

به گزارش ایران اکونومیست، با وجود شهرت سیاه چاله‌ها تشخیص آنها کار ساده‌ای نیست.  همه سیاهچاله‌ها توسط یک مرز یک طرفه‌ که نور را به دام می‌اندازد و به آن «افق رویداد» گفته می‌شود، احاطه شده‌اند که از آن هیچ نوری ساطع نمی‌شود.

به نقل از اسپیس، حتی سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم در قلب کهکشان‌هایی با جرم میلیون‌ها یا میلیاردها برابر خورشید نیز تنها در صورتی قابل «مشاهده» هستند که حجم وسیعی از مواد اطراف خود را ببلعند یا یک ستاره‌ را متلاشی کنند.

با این حال، نور، یا دقیق‌تر از آن تابش الکترومغناطیسی، تنها یکی از انواع تابش است. نوع دیگر، «تابش گرانشی» است که به شکل موج‌های کوچکی منتشر می‌شود که صداهایی موسوم به «امواج گرانشی» را ایجاد می‌کند که بشر تازه شروع به شناسایی آنها کرده است. این بدان معناست که اخترشناسان به جای جستجوی جفت‌های سیاهچاله‌های عظیم در این بازی قایم‌باشک، می‌توانند به آن‌ها گوش دهند.

جاکوب استگمن(Jakob Stegmann) رهبر تیم، محقق فوق دکتری در موسسه اخترفیزیک ماکس پلانک می‌گوید: ایده ما اساسا مانند گوش دادن به یک کانال رادیویی است. ما از سیگنال جفت سیاهچاله‌های کوچک مشابه نحوه انتقال سیگنال توسط امواج رادیویی استفاده کنیم. سیاهچاله‌های پرجرم، موسیقی‌ هستند که در مدولاسیون فرکانس(FM) سیگنال شناسایی شده، کدگذاری می‌شوند.

سیاهچاله‌های کوچک سوپرانو می‌خوانند

امواج گرانشی، مفهومی هستند که برای اولین بار توسط آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام، نظریه گرانش مگنوم اپوس او در سال ۱۹۱۵ مطرح شد.

نسبیت عام نشان می‌دهد که گرانش زمانی به وجود می‌آید که یک جسم دارای جرم، بافت فضا و زمان را که پیش‌تر اینشتین به عنوان یک ماده چهار بعدی واحد متشکل از سه بُعد فضایی و یک بعد زمانی، «فضا-زمان» بیان کرده بود، خم کند.

هرچه جرم بیشتر باشد، انحنای فضایی که یک جسم ایجاد می‌کند، بیشتر خواهد بود. این توضیح می‌دهد که چرا سیارات تأثیر گرانشی بیشتری نسبت به ماه‌ها دارند، چرا ستارگان تأثیر بیشتری نسبت به سیارات دارند، و چرا سیاه‌چاله‌ها بیشترین تأثیر را در بین هر جسم منفردی دارند.

وقتی سیاهچاله‌ها به دور یکدیگر می‌چرخند، جرم کافی برای ایجاد امواج گرانشی قابل توجهی دارند.

همانطور که سیاهچاله‌ها به دور یکدیگر می‌چرخند، امواج گرانشی با فرکانس پایین پیوسته ساطع می‌کنند. این امواج گرانشی حرکت زاویه‌ای (یا اسپین) را با خود همراه می‌برد و سیاهچاله ها را به هم نزدیک نگه می‌دارد. این امر فرکانس امواج گرانشی را افزایش می‌دهد و در نتیجه باعث می‌شود که تکانه زاویه‌ای سریع‌تر منتقل شود.

این تا زمانی است که سیاهچاله‌ها در نهایت با هم برخورد کرده و ادغام می‌شوند، رویدادی که فرکانس بالاتری از امواج گرانشی را ارسال می‌کند.

با این وجود، اینشتین پیش‌بینی کرد که این امواجِ فضازمان بسیار ضعیف‌تر از آن هستند که هرگز شناسایی شوند، به ویژه به این دلیل که با انتشار در کیهان انرژی خود را از دست می‌دهند و ادغام سیاه‌چاله‌ها در میلیون‌ها یا حتی میلیاردها سال نوری دورتر از ما رخ می‌دهد.

خوشبختانه، اکنون می‌دانیم که اینشتین اشتباه می‌کرد.

از زمان شناسایی اولین سیگنال موج گرانشی توسط رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری(LIGO) در سال ۲۰۱۵، که از ادغام سیاهچاله دوتایی در فاصله ۱.۳ میلیارد سال نوری ما سرچشمه می‌گیرد، بسیاری از چنین برخوردهای سیاهچاله‌ای شناسایی شده‌اند.

اما این تشخیص‌ها یک نقطه اشتراک دارند. وقتی پای سیاهچاله‌ها در میان باشد، همیشه جفت‌هایی در محدوده جرم ستاره‌ای سیاهچاله‌ها با جرمی بین سه تا چند صد برابر خورشید وجود دارد. تشخیص ادغام سیاهچاله‌های بزرگ برای آشکارسازهای امواج گرانشی زمینی مانند لیگو(LIGO) و همتایانش مانند ویرگو(VIRGO) در ایتالیا و آشکارساز امواج گرانشی Kamioka (KAGRA در ژاپن سخت بوده است.

همانطور که گوش‌های ما برای شنیدن فرکانس‌های خاصی از صدا تکامل یافته‌اند، این ابزارها فقط می‌توانند محدوده فرکانسی خاصی از امواج گرانشی را تشخیص دهند. امواج گرانشی ساطع شده از جفت چرخان سیاهچاله‌های پرجرم بسیار کم فرکانس هستند که آشکارسازهای امواج گرانشی زمینی قادر به شنیدن آن نیستند.

به عبارت دیگر، سیاهچاله‌های دوتایی‌ با جرم ستاره‌ای سوپرانو می‌خوانند، در حالی که جفت‌های پرجرم باریتون می‌خوانند.

محققان پیشنهاد می‌کنند که تغییر ظریف در امواج گرانشی را از سیاهچاله‌های دوتایی با جرم ستاره‌ای که ناشی از تداخل امواج گرانشی از دوتایی‌های پرجرم تشخیص داده شود.

بنابراین، این مدولاسیون‌های کوچک می‌توانند به آشکارسازی ادغام‌های سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم کمک کنند. استگمن می‌گوید: جنبه جدید این ایده، استفاده از فرکانس‌های بالا است که به راحتی قابل تشخیص است تا فرکانس‌های پایین‌تر که ما هنوز به آنها حساس نیستیم.

این پیشنهاد همچنین می‌تواند به طراحی آشکارسازهای امواج گرانشی آینده، مانند آشکارساز فضایی آینده ناسا و آنتن فضایی تداخل سنج لیزری آژانس فضایی اروپا(LISA) کمک کند.

تحقیقات این تیم روز دوشنبه(۵ اوت) در مجله نیچر منتشر شد.