چالش ادغام سیاهچاله‌های عجیب

هنگامی که لرزه‌های فضازمان تنها کسری از ثانیه طول می‌کشد (مانند مورد ادغام سیاهچاله پرجرمGW190521  ) ستاره شناسان برای کشف منشأ آنها تلاش می‌کنند.

امواج فضا-زمان نشانه‌هایی از پرجرم‌ترین برخورد سیاهچاله دوتایی دارند که تا کنون مشاهده شده است.

مطالعه امواج گرانشی سخت است. این امواج در تار و پود سفت فضازمان اغلب فقط برای یک ثانیه یا کمتر تنها تأثیرات کمی بر تجهیزات ما دارند. تفسیر آنچه که آنها را ایجاد کرده است مانند استفاده از قاپیدن کلمات برای بازسازی یک مکالمه در سمت دور اتاق است. همانطور که هر کسی که با جعبه آهنربای کلمه بازی کرده است می‌تواند تفسیری از این رویداد به شما بگوید، راه‌حل‌های ممکن زیادی وجود دارد.

نمونه بارز این پیچیدگی GW190521 است (توضیح: GW190521 در ابتدا S190521g یک سیگنال موج گرانشی ناشی از ادغام دو سیاهچاله بود. احتمالاً با یک جرقه نوری تصادفی مرتبط بود. اگر این ارتباط درست باشد، ادغام در نزدیکی سومین سیاهچاله ابرپرجرم اتفاق می‌افتد. این رویداد توسط آشکارسازهای لیگو و ویرگو در 21 می 2019 در ساعت 03:02:29 UTC  مشاهده شد). این رویداد از زمان کشف آن  اخترفیزیکدانان را متحیر کرده است. اعداد دقیق متفاوت است، اما به نظر می‌رسد سیگنال موج گرانشی GW190521 برخورد یک سیاهچاله با جرم 90 برابر خورشیدی با یک سیاهچاله با جرم 65 برابر خورشیدی بوده است. این اجرام عظیم در منطقه ممنوعه‌ای قرار دارند که نشان می‌دهد یک سیاهچاله ساخته شده از ستاره چقدر می‌تواند بزرگ باشد: یعنی در این منطقه ستارگان در حال انفجار نباید سیاهچاله‌هایی با جرم 50 تا 120 برابرخورشید ایجاد کنند.

برای تعیین جرم و سایر ویژگی‌های اجرام درگیر در یک رویداد موج گرانشی معین، محققان به مجموعه وسیعی از گزینه‌ها تکیه می‌کنند. آن‌ها داده‌ها را به خطوط لوله محاسباتی (نوعی نمودار) وارد می‌کنند که مشاهدات را با میلیون‌ها شکل موج (در کامپیوتر) مقایسه می‌کنند – یعنی شکل‌های تکان خوردن امواج، (یا تغییر شکل آنها) که هر کدام نوع خاصی از ادغام را (برای ما) توصیف می‌کنند – و می‌بینند که کدام شکل موج به عنوان بهترین تطابق ظاهر می‌شود. فرضیات می‌توانند نتیجه را تغییر دهند و خطوط لوله (نوعی نمودار)  مختلف ممکن است به نفع نتایجی متفاوت باشند. به همین دلیل است که همکاری‌های LIGO-Virgo-KAGRA از خطوط لوله (نوعی نمودار) متعددی استفاده می‌کنند، و اینکه  چرا تیم‌های مستقل چیزهایی را پیدا می‌کنند که دیگران پیدا نمی‌کنند.

تنها با حدود 0.1 ثانیه داده (درست است! 100 میلی ثانیه تمام چیزی است که باید با آن کار کنیم)، محققان می‌توانند مجموعه‌ای از راه‌حل‌ها را برای سیگنال موج گرانشی GW190521 قرار دهند و آنها این کار را کرده‌اند. همکاری LVK در توصیف سیگنال موج گرانشی GW190521 به عنوان ادغام یک جفت سیاهچاله بزرگ که در زوایای بدی به دور یکدیگر می‌چرخند و باعث می‌شود صفحه مدار تقریباً دایره‌ای آنها به اطراف بچرخد، حل یا توضیح داده شد. برخی دیگر مدارهای بسیار طویل و برخوردهای رودررو را در نظر گرفته‌اند یا پیشنهاد کرده‌اند که تخمین جرم اشتباه است. آنها همچنین فراتر از اصول اولیه تجزیه شده‌اند تا در مورد اینکه آیا سیاهچاله‌ها هسته‌های ستارگان منفجر شده هستند یا اجرام نسل دومی هستند که توسط ادغام‌های قبلی ساخته شده‌اند و اینکه آیا این دو ممکن است در دامن یک گاز پفی در اطراف یک توده گاز گرد هم آمده باشند یا خیر فراتر رفته‌اند. یعنی سیاهچاله بسیار پرجرم در یک کهکشان دور. (این مورد آخر پتانسیل تایید مشاهده‌ای را دارد.)

ماه گذشته، روسلا گامبا (دانشگاه فردریش شیلر ینا، آلمان) و اعضای دیگر همکاری Virgo با مقاله‌ای در Nature Astronomy کلاه خود را به رینگ انداختند (نشانه‌ای از پیروزی) . به جای این که فرض کنند سیاهچاله‌ها با هم جفت شده‌اند، به این موضوع توجه  کردند که اگر سیاهچاله‌ها در حالی که در کنار یکدیگر حرکت می‌کردند، همدیگر را میقاپیدند و میگرفتند) چه اتفاقی می‌افتاد. تیم دریافت که چند پاس نزدیک و یک برخورد نهایی برای مطابقت با داده‌ها کافی است.

نویسندگان محاسبات خود را با یک تجزیه و تحلیل آماری مطابق کردند و تخمین زدند که چقدر احتمال دارد راه حل گرفتن یا چنگ زدن  آنها با جایگزینی مقایسه شود که سیگنال موج گرانشی GW190521 از دو سیاهچاله الهام گرفته و ادغام شده با یکدیگر در مدارهای نزدیک دایره‌ای ایجاد شده است. آنها به این نتیجه رسیدند که برای اینکه ما باور کنیم که این رویداد یک تسخیر(گرفتن)  نیست، ادغامهای نزدیک به دایره‌ای مانند آنچه در تحلیل پایه LVK وجود دارد(LIGO–Virgo–KAGRA (LVK) analysis) باید 4300 برابر بیشتر از موارد ثبت شده باشد.

اما ما هنوز نمی دانیم که سناریوهای مختلف چقدر محتمل هستند. زوهیر داکتر، اخترفیزیکدان LIGO (نورث وسترن) توضیح می‌دهد که شانس واقعی مهم است. او توضیح می‌دهد: «اگر چیزی را از گوشه چشمم ببینم که بسیار شبیه ببر و کمتر شبیه به توپ بسکتبال است، هنوز هم احتمالاً استنباط می‌کنم که چیزی که دیدم یک توپ بسکتبال است، زیرا آنها بسیار شایع‌تر از ببرها هستند. (مخصوصاً در شیکاگو.) «در اینجا هم می‌تواند 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، می‌تواند متعادل شود.

احتمالاً هرگز ماهیت دقیق سیگنال موج گرانشی GW190521 را نخواهیم دانست. اما ممکن است روزی به اندازه کافی سیگنالهای مشابه را شناسایی کنیم تا بتوانیم بگوییم که چیزهایی که شبیه آن هستند چقدر محتمل هستند و از آنجا تخمین می‌زنیم که چقدر احتمال دارد که موج گرانشی GW190521 از یک دسته از رویدادها به جای رویداد دیگری باشد. با افزایش همکاری‌ها برای شروع رصد بعدی در مارس 2023، می‌توانیم منتظر داده‌های بیشتر مورد علاقه هر دانشمند باشیم.

ترجمه: مرتضی نادری‌فرد

منبع:

THE CHALLENGE OF WEIRD BLACK HOLE MERGERS

BY: CAMILLE M. CARLISLE DECEMBER 20, 2022

https://skyandtelescope.org/astronomy-news/weird-black-hole-mergers/