تشخیص ذرات جدید در اطراف سیاهچالهها با امواج گرانشی
سیاهچالهها توسط ابری از ذرات احاطه میشوند که رفتار شگفتآوری شبیه ابر الکترونهای یک اتم دارند. هنگامی که جسم سنگین دیگری وارد سیاهچاله میشود و در نهایت با سیاهچاله ادغام میشود، اتم گرانشی یونیزه میشود و ذراتی از خود ساطع میکند درست مانند الکترونهایی که وقتی نور به فلز تابیده میشود. اعتبار: موسسه فیزیک UvA
ابرهایی از ذرات فوق سبک میتوانند در اطراف سیاهچالههای در حال چرخش تشکیل شوند. اکنون تیمی از فیزیکدانان از دانشگاه آمستردام و دانشگاه هاروارد نشان میدهند که این ابرها اثری مشخص بر امواج گرانشی ساطع شده از سیاهچالههای دوتایی بر جای میگذارند.
به طور کلی تصور میشود که سیاهچالهها تمام اشکال ماده و انرژی اطراف خود را میبلعند. با این حال، مدتهاست که شناخته شده است که آنها همچنین میتوانند مقداری از جرم خود را از طریق فرآیندی به نام superradiance از بین ببرند. در حالی که مشخص است که این پدیده رخ میدهد، اما تنها زمانی مؤثر است که ذرات جدید و تا کنون مشاهده نشده با جرم بسیار کم در طبیعت وجود داشته باشند، همانطور که توسط چندین نظریه فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات پیش بینی شده است.
یونیزان اتمهای گرانشی
هنگامی که جرم یک سیاهچاله از طریق ابرتابش استخراج میشود، ابر بزرگی را در اطراف سیاهچاله تشکیل میدهد و به اصطلاح اتم گرانشی ایجاد میکند. با وجود اندازه بسیار بزرگتر یک اتم گرانشی، مقایسه با اتمهای زیر میکروسکوپی به دلیل شباهت سیاهچاله به اضافه ابر آن با ساختار آشنای اتمهای معمولی، جایی دقیق است که ابرهای الکترون هستهای از پروتونها و نوترونها را احاطه کردهاند.
در نشریهای که این هفته در Physical Review Letters منتشر شد، تیمی متشکل از فیزیکدانان UVA، دانیل باومن، جیانفرانکو برتونه، و جووانی ماریا توماسلی، و جان استوت، فیزیکدان دانشگاه هاروارد، پیشنهاد کردند که تشابه بین اتمهای معمولی و گرانشی عمیقتر از شباهت در ساختار آنها ادعا میکنند که در واقع میتوان از این شباهت برای کشف ذرات جدید با تداخلسنجهای موج گرانشی آینده استفاده کرد.
در کار جدید، محققان معادل گرانشی موسوم به «اثر فوتوالکتریک» را بررسی کردند. در این فرآیند معروف که برای مثال در سلولهای خورشیدی برای تولید جریان الکتریکی مورد بهرهبرداری قرار میگیرد، الکترونهای معمولی انرژی ذرات فرودی نور را جذب میکنند و در نتیجه از یک ماده خارج میشوند – اتمها «یونیزه میشوند». در آنالوگ گرانشی، زمانی که اتم گرانشی بخشی از یک سیستم دوتایی از دو جرم سنگین است، با حضور همدم پرجرم آشفته میشود که میتواند یک سیاهچاله دوم یا یک ستاره نوترونی باشد. همانطور که الکترونهای موجود در اثر فوتوالکتریک انرژی نور فرودی را جذب میکنند، ابر ذرات فوق سبک میتواند انرژی مداری همدم را جذب کند، به طوری که مقداری از ابر از اتم گرانشی خارج میشود.
یافتن ذرات جدید
این تیم نشان داد که این فرآیند ممکن است به طور چشمگیری تکامل چنین سیستمهای دوتایی را تغییر دهد و زمان لازم برای ادغام اجزا با یکدیگر را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. علاوه بر این، یونیزاسیون اتم گرانشی در فواصل بسیار خاص بین سیاهچالههای دوتایی افزایش مییابد که منجر به ویژگیهای تیز امواج گرانشی میشود که ما از چنین ادغامهایی تشخیص میدهیم. تداخلسنجهای امواج گرانشی آینده – ماشینهایی شبیه به آشکارسازهای LIGO و Virgo که در چند سال گذشته اولین امواج گرانشی سیاهچاله ها را به ما نشان دادهاند – میتوانند این اثرات را مشاهده کنند. یافتن ویژگیهای پیشبینیشده از اتمهای گرانشی شواهد متمایزی برای وجود ذرات فوق سبک جدید ارائه میکند.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Detecting new particles around black holes with gravitational waves
by University of Amsterdam JUNE 7, 2022
https://phys.org/news/2022-06-particles-black-holes-gravitational.html