“محدودیت سرعت” سیاهچاله تازه کشف شده به قوانین جدید فیزیک اشاره دارد

تحقیقات جدید حاکی از آن است که وقتی ابرسیاهچاله‌های پرجرم برخورد می‌کنند، می‌توانند به سرعتی تا 1/10 سرعت نور برسند.

شبیه‌سازی‌ها نقطه عطفی را بین ادغام و پراکندگی سیاه‌چاله‌ها نشان می‌دهند که در آن سرعت پس زدن به حداکثر می‌رسد. (اعتبار تصویر: ناسا)

محققان محدودیت سرعت جدیدی را برای شدیدترین برخوردهای کیهان شناسایی کرده‌اند.

بر اساس تحقیقات جدید، “حداکثر سرعت احتمالی پس‌زدگی” برای برخورد سیاهچاله‌ها از 63 میلیون مایل در ساعت (102 میلیون کیلومتر در ساعت) فراتر می‌رود که حدود یک دهم سرعت نور است. براساس مطالعه منتشر شده در مجله Physical Review Letters، این اوج زمانی اتفاق می‌افتد که شرایط برخورد در نقطه اوج بین دو سیاهچاله است که یا با هم ادغام می‌شوند یا با نزدیک شدن به یکدیگر از هم پس زده می‌شوند.

در مرحله بعد، محققان امیدوارند که از نظر ریاضی ثابت کنند که با استفاده از معادلات اینشتین برای نسبیت عام نمی‌توان از این سرعت تجاوز کرد و پیامدهای بالقوه‌ای را برای قوانین اساسی فیزیک ایجاد کرد.

کارلوس لوستو، یکی از نویسندگان این مطالعه، استاد ریاضیات و آمار در موسسه فناوری روچستر (RIT) در نیویورک، به لایو ساینس گفت: این محدودیت سرعت تازه کشف شده می‌تواند بخشی از مجموعه بزرگتری از قوانین فیزیکی باشد که بر همه چیز «از کوچک‌ترین تا بزرگترین اجرام در جهان» تأثیر می‌گذارد.

لرزه‌ها در تار و پود فضا-زمان

هنگامی که دو سیاهچاله از نزدیکی یکدیگر عبور می‌کنند، قبل از اینکه از هم جدا شوند، یا ادغام می‌شوند یا در اطراف مرکز جرم مشترک خود منحرف می‌شوند. اینکه سیاهچاله‌ها از هم جدا می‌شوند یا پس زده می‌شوند بستگی به جدایی آنها در نزدیکترین نقطه دارد.

برای شناسایی حداکثر سرعت احتمالی پس زدگی سیاهچاله‌هایی که از هم جدا می‌شوند، لوستو و یکی از نویسندگان مطالعه، جیمز هیلی، یک همکار پژوهشی در دانشکده ریاضیات و آمار RIT، از ابر رایانه‌ها برای اجرای شبیه‌سازی‌های عددی استفاده کردند. این محاسبات از طریق معادلات نسبیت عام انجام می‌شود که چگونگی تکامل دو سیاهچاله برهم کنش را توصیف می‌کنند. لوستو توضیح داد که اگرچه مردم بیش از 50 سال پیش شروع به تلاش برای حل عددی این معادلات کردند، تکنیک‌های عددی برای پیش‌بینی اندازه امواج گرانشی ناشی از چنین برخوردهایی تا سال 2005 توسعه نیافته بود – درست 10 سال قبل از اینکه خود امواج گرانشی برای اولین بار توسط امواج گرانشی شناسایی شوند. رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO).

تلسکوپ فضایی جیمز وب دو کهکشان را با سیاهچاله‌های بسیار پرجرم در مرکز آنها در حال ادغام مشاهده می‌کند. (اعتبار تصویر: ESA)

از آن زمان تاکنون، LIGO نزدیک به 100 برخورد سیاهچاله را مشاهده کرده است. مقایسه داده‌های یکی از این برخوردها با داده‌های نسبیت عددی یک مسیر سیاه‌چاله «غیر مرکزی» یا بیضوی را نشان داد. لوستو گفت، پیش از این، دانشمندان فکر می‌کردند سیاه‌چاله‌هایی که به یکدیگر نزدیک می‌شوند، در مدارهای دایره‌ای نزدیک به یکدیگر مارپیچ می‌شوند. کشف مدارهای بیضوی دامنه رویدادهای احتمالی برخورد را گسترش داد و آنها را بر آن داشت تا به دنبال سناریوهای برخورد شدید باشند. لوستو می‌گوید: «کاری که ما می‌خواستیم انجام دهیم این است که به نوعی از محدودیت‌های این برخوردها عبور کنیم.

لوستو و هیلی به چگونگی تأثیر تنظیم چهار پارامتر بر نتیجه درگیری گرانشی بین دو سیاهچاله پرداختند: لحظه لحظه‌ای اولیه سیاه‌چاله‌ها، جدایی بین آن‌ها در نزدیک‌ترین نقطه، جهت‌گیری هر چرخشی که سیاهچاله ممکن است به اطراف داشته باشد، محور خودش و قدر آن چرخش.

محققان با اجرای 1381 شبیه سازی – که هر کدام دو تا سه هفته طول کشید – به اوج سرعت احتمالی پس زدن سیاهچاله‌هایی با چرخشهای مخالف پی بردند که از کنار هم می‌گذشتند. در حالی که سیاهچاله‌ها تابش گرانشی را در همه جهات منتشر می‌کنند، چرخشهای مخالف این تابش را منحرف می‌کنند و نیروی رانشی ایجاد می‌کنند که به سرعت پس زدن می‌افزاید.

ایمره بارتوس، دانشیار گروه فیزیک دانشگاه فلوریدا، از طریق ایمیل به لایو ساینس گفت: «پس زدن سیاه‌چاله‌ها پس از ادغام، بخش مهمی از تعامل آنهاست. (بارتوس در مطالعه جدید شرکت نداشت). این برهمکنش به ویژه برای مکان‌هایی در کیهان با تراکم بالای سیاه‌چاله‌ها بسیار مهم است، زیرا اثرات پس زدن بزرگ ممکن است سیاهچاله‌ای باقی‌مانده را به‌کلی از منطقه بیرون کند.

بارتوس افزود: “مانند هر کمیت نظری محدود کننده، جالب است که ببینیم آیا طبیعت در شرایطی که می‌تواند نشان دهنده انحراف از درک ما از نحوه کار سیاهچاله‌ها باشد، از این فراتر می‌رود.”

به گفته لوستو، “نقطه اوج” که تعیین می‌کند آیا دو سیاهچاله در حال برخورد با یکدیگر ادغام می‌شوند یا پس زده می‌شوند، در معرض کمی تغییر در مدار سیاهچاله‌ها است. به همین دلیل، لوستو این برهمکنش را به یک انتقال فاز، مانند انتقال فاز مرتبه دوم مغناطیس و ابررسانایی، برخلاف انتقال فاز انفجاری مرتبه اول آب گرم شده جذب می‌شود، برای مثال، که در آن مقدار محدودی از گرمای نهان قبل از اینکه همه بجوشد. محققان همچنین به چیزی که ممکن است شبیه عوامل مقیاس‌بندی مشخصه این انتقال‌های فازی باشد، نگاه کردند، اگرچه شبیه‌سازی‌های با وضوح بالا بیشتر برای شناسایی قطعی این موارد مورد نیاز است.

لوستو گفت، با این وجود، این جنبه‌های نتایج به احتمال «یک اصل فراگیر» اشاره می‌کند که در مقیاس‌ها از اتم‌ها تا سیاه‌چاله‌های برخوردی اعمال می‌شود.

علاوه بر این، در حالی که پیوند دو ستون اصلی فیزیک بنیادی – نسبیت عام برای گرانش و نظریه کوانتومی برای سایر نیروهای بنیادی – مبهم باقی می‌ماند، توصیف سیاهچاله‌ها ارتباط نزدیکی با چندین نظریه دارد که شکاف‌هایی را در موانع بین این دو باز کرده است.

لوستو گفت: «این به دور از اثبات دقیق است. “اما خطی وجود دارد که سزاوار تحقیقات بیشتر است که شاید شخص دیگری یا خودمان بتوانیم از آن چیزی بسازیم.”

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Newly discovered black hole ‘speed limit’ hints at new laws of physics

By Anna Demming  published about 19 hours ago

https://www.space.com/black-hole-speed-limit-new-laws-physics