چالش ادغام سیاهچاله های عجیب

چالش ادغام سیاهچاله های عجیب، یکی از جدیدترین چالش های فضایی برای فعالان و متخصصان این حوزه در حال حاضر است. بهترین مقالات ترجمه شده را با ما در نت ایکس دنبال کنید.

وقتی تکان‌های فضا-زمان فقط کسری از ثانیه طول می‌کشد – مانند مورد ادغام سیاه‌چاله‌های عظیم GW190521 – ستاره‌شناسان برای کشف منشأ آن تلاش می‌کنند.

امواج گرانشی GW190521 امواج فضا-زمان از عظیم‌ترین برخورد دوتایی سیاهچاله که تاکنون مشاهده شده‌است.
N. Fischer / H. Pfeiffer / A. Buonano (مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک گرانشی) / همکاری در شبیه‌سازی فضای زمان افراطی (SXS)
مطالعه امواج گرانشی دشوار است. این امواج در بافت جامد فضا-زمان تنها تأثیرات کوچکی بر تجهیزات ما دارند و اغلب فقط برای یک ثانیه یا کمتر. تفسیر آنچه که آنها را ایجاد کرده‌است مانند استفاده از تکه‌هایی از کلمات برای بازسازی مکالمه در انتهای اتاق است. همان‌طور که هر کسی که با یک جعبه آهنربای کلمه بازی کرده‌است می‌تواند به شما بگوید، راه حل‌های ممکن زیادی وجود دارد.

نمونه بارز این پیچیدگی GW190521 است. این رویداد از زمان کشفش اختر فیزیکدانان را متحیر و متحیر کرده‌است. اعداد دقیق متفاوت است، اما به نظر می‌رسد GW190521 برخورد یک سیاهچاله با جرم ۹۰ خورشیدی و یک سیاهچاله با جرم ۶۵ خورشیدی باشد. این اجرام عظیم در منطقه ممنوعه قرار دارند که نشان می‌دهد سیاهچاله ایجاد شده توسط ستارگان چقدر می‌تواند بزرگ باشد: ستارگان در حال انفجار نباید سیاهچاله‌هایی با تقریباً ۵۰ تا ۱۲۰ خورشید ایجاد کنند.

برای تعیین جرم و سایر ویژگی‌های اجرام درگیر در یک رویداد موج گرانشی، محققان به مجموعه وسیعی از گزینه‌ها تکیه می‌کنند. آن‌ها داده‌ها را به خطوط لوله محاسباتی وارد می‌کنند که مشاهدات را با میلیون‌ها شکل موج مقایسه می‌کنند – یعنی شکل موج‌های امواج، که هر کدام نوع خاصی از همجوشی را توصیف می‌کنند – و مشاهده می‌کنند که کدام شکل موج به عنوان بهترین تطابق به بیرون پرش می‌کنند. مفروضات می‌توانند نتیجه را تغییر دهند و کانال‌های مختلف می‌توانند به نفع نتایج متفاوت باشند. به همین دلیل است که همکاری LIGO-Virgo-KAGRA از خطوط لوله متعدد استفاده می‌کند و تیم‌های مستقل چیزهایی را پیدا می‌کنند که نمی‌توانند.

تنها با حدود ۰٫۱ ثانیه داده (درست است! ۱۰۰ میلی ثانیه تمام چیزی است که ما باید با آن کار کنیم)، محققان می‌توانند مجموعه کاملی از راه حل‌ها را برای سیگنال GW190521 قرار دهند. و آنها انجام دادند. همکاری LVK در توصیف GW190521 به عنوان یک جفت سیاهچاله بزرگ که در زوایای ناپایدار به دور یکدیگر می‌چرخند و باعث می‌شود صفحه مدار نزدیک به دایره آنها متزلزل شود، تصمیم گرفت. برخی دیگر مدارهای بسیار طویل و برخوردهای رودررو را در نظر می‌گیرند یا پیشنهاد می‌کنند که تخمین جرم اشتباه است. آنها همچنین فراتر از اصول اولیه شکستن بحث کردند که آیا سیاهچاله‌ها هسته‌های ستارگان در حال انفجار هستند یا اجرام نسل دوم که از ادغام‌های قبلی ساخته شده‌اند، و اینکه آیا این دو ممکن است در دامن کرکی گاز در اطراف یک سیاهچاله بسیار پرجرم در یک سیاهچاله گرد هم آمده باشند. کهکشان دور. (این آخرین پتانسیل را دارد که با مشاهدات تأیید شود)

ماه گذشته، Rossella Gamba (دانشگاه فردریش شیلر ینا، آلمان) و سایر اعضای همکاری Virgo با گزارشی در Nature Astronomy کلاه خود را به رینگ انداختند. آنها به جای اینکه فرض کنند سیاهچاله‌ها شروع به جفت شدن کردند، به این موضوع نگاه کردند که اگر سیاهچاله‌ها در کنار هم پرواز کنند چه اتفاقی می‌افتد. تیم دریافت که چند پاس نزدیک و یک برخورد نهایی برای مطابقت با داده‌ها کافی است.

نویسندگان محاسبات خود را با تجزیه و تحلیل آماری ترکیب کردند و ارزیابی کردند که چقدر احتمال دارد راه حل ضبط آنها با جایگزینی مقایسه شود که GW190521 از دو سیاهچاله که در مدارهای تقریباً دایره ای با یکدیگر الهام گرفته و ادغام می‌شوند، آمده‌است. آنها به این نتیجه رسیدند که برای اینکه باور کنیم این رویداد یک تسخیر نیست، ادغام‌های نزدیک به دایره مانند آنچه در تجزیه و تحلیل LVK پایه وجود دارد باید ۴۳۰۰ برابر متداول تر از ضبط باشد.

اما ما واقعاً نمی‌دانیم که سناریوهای مختلف چقدر محتمل هستند. Zoheyr Doctor (نورث وسترن)، اخترفیزیکدان LIGO، که در مطالعه فعلی شرکت نداشت، توضیح می‌دهد که شانس واقعی مهم است. او توضیح می‌دهد: «اگر چیزی را از گوشه چشمم می‌دیدم که بسیار شبیه ببر بود و کمتر شبیه توپ بسکتبال بود، باز هم احتمالاً به این نتیجه می‌رسیدم که توپ بسکتبال است زیرا آنها بسیار رایج تر از ببرها هستند.» (مخصوصاً در شیکاگو) «این ممکن است در اینجا هم صادق باشد: داده‌ها ممکن است بیشتر شبیه یک برخورد هذلولی به نظر برسند، اما اگر برخوردهای هذلولی مانند این در مقایسه با سایر توضیحات نادر باشد، می‌توان آن را متعادل کرد.»

احتمالاً هرگز ماهیت دقیق GW190521 را نخواهیم دانست. اما ممکن است روزی سیگنال‌های مشابه کافی پیدا کنیم تا بتوانیم بگوییم که چیزهایی که به نظر می‌رسند چقدر محتمل هستند و از آنجا تخمین می‌زنیم که احتمال اینکه GW190521 از یک دسته رویداد به جای دیگری باشد، چقدر است. همان‌طور که همکاری برای شروع چرخه رصد بعدی در مارس ۲۰۲۳ رشد می‌کند، می‌توانیم منتظر چیز مورد علاقه هر دانشمند باشیم: داده‌های بیشتر.