ادغام سیاهچاله‌ها می‌تواند سرعت انبساط کیهان را محاسبه کند!!

ادغام بین اجرام کیهانی عظیم و فشرده می تواند به درک چگونگی تکامل جهان کمک کند.

تصویری از ادغام سیاهچاله‌ها که امواج گرانشی را پرتاب می‌کند. (اعتبار تصویر: ESA)

دانشمندان ممکن است راهی برای استفاده از برخورد سیاهچاله‌ها برای اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان و حل برخی از اسرار پیرامون انرژی تاریک، نیروی اسرارآمیزی یافته باشند که انبساط پرشتاب کیهانی را هدایت می‌کند.

ادغام خشونت‌آمیز سیاهچاله‌ها امواجی را در فضا-زمان به نام امواج گرانشی به راه می‌اندازد و تکنیک جدید تغییرات در این سیگنالها را اندازه‌گیری می‌کند که با تجربه انبساط جهان به طور مستقیم رخ می‌دهد.

ستاره‌شناسان از اواخر دهه 1990 دریافته‌اند که کیهان با سرعتی شتابان در حال انبساط است و سرعت این انبساط را ثابت هابل می‌نامند. اما زمانی که دانشمندان ثابت هابل را بر اساس مشاهدات جهان و نظریه‌های فعلی محاسبه می‌کنند، در نهایت مقادیر بسیار متفاوتی را به دست می‌آورند. بنابراین دانشمندان امیدوارند از برخوردهای کیهانی بین جفت‌های دوتایی سیاهچاله‌ها به عنوان چیزی که تیم «آژیرهای طیفی» نامیده‌اند برای ارائه یک روش اندازه‌گیری جایگزین برای ثابت هابل استفاده کنند. در نهایت حل این نگرانی مبرم کیهان‌شناختی می‌تواند با جزئیات بیشتری نشان دهد که جهان چگونه تکامل یافته است و چگونه در سال‌های اولیه‌اش به نظر می‌رسید.

به ویژه، درک بهتر تکامل جهان می‌تواند به کیهان‌شناسان کمک کند تا برخی از معماهای کلیدی در مورد انرژی تاریک را حل کنند. انرژی تاریک حدود 68 درصد از ماده و محتوای انرژی جهان را تشکیل می‌دهد و دانشمندان می‌خواهند تعیین کنند که این نیروی مرموز از چه زمانی بر ماده حاکم شد و چرا این تغییر رخ داده است.

در قلب روش آژیر طیفی امواج گرانشی وجود دارد – موج‌هایی در بافت فضا و زمان – که توسط رویدادهای کیهانی قدرتمند مانند برخورد و ادغام اجرام فشرده پرجرم مانند ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها پرتاب می‌شوند.

بر روی زمین، تداخل‌سنج‌های لیزری فوق‌العاده حساس مانند رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO)، رصدخانه ایتالیایی Virgo و آشکارساز امواج گرانشی Kamioka ژاپن (KAGRA)، می‌توانند این سیگنالهای امواج گرانشی ضعیف را اندازه گیری کنند.

از زمان اولین کشف امواج گرانشی در سپتامبر 2015، LIGO و ابزارهای شریک آن داده‌های حدود 100 ادغام دوردست را جمع‌آوری کرده‌اند. هر کشف به دانشمندان اشاره‌ای به اندازه سیاهچاله‌های درگیر در ادغام می‌دهد. برای مثال، اولین تشخیص موج گرانشی از برخورد دو سیاهچاله سرچشمه گرفت که هر کدام تقریباً 30 برابر خورشید جرم داشتند.

روش جدید آژیر طیفی نشان می‌دهد که سیگنالهای امواج گرانشی ممکن است اطلاعات دیگری را نیز رمزگذاری کنند. به طور خاص، همانطور که این امواج در فضا-زمان در فواصل بسیار زیاد و در مقیاسهای زمانی طولانی برای رسیدن به زمین حرکت میکنند، خواص سیگنالهای آنها با انبساط جهان تغییر می‌کند.

دانیل هولز، اخترفیزیکدان دانشگاه شیکاگو، در این باره می‌گوید: «به عنوان مثال، اگر یک سیاهچاله را گرفته و آن را زودتر در کیهان قرار دهید، سیگنال تغییر می‌کند و شبیه سیاهچاله‌ای بزرگتر از آنچه هست به نظر می رسد.

به منظور کشف اطلاعات مربوط به نرخ انبساط کیهان که در داده‌های امواج گرانشی رمزگذاری شده است، دانشمندان باید بدانند سیگنال از زمان پرتاب از فضا چگونه تغییر کرده است. هولز و همکارش فکر می‌کنند که جمعیت تازه کشف شده سیاهچاله‌های محلی می‌تواند به عنوان ابزاری برای ارزیابی این تغییرات استفاده شود.

خوزه ماریا ازکویاگا، یکی از نویسندگان و اخترفیزیکدان همچنین در دانشگاه شیکاگو در این بیانیه گفت: “بنابراین ما جرم سیاهچاله‌های نزدیک را اندازه می‌گیریم و ویژگی‌های آنها را درک می‌کنیم و سپس به دورتر نگاه می‌کنیم و می‌بینیم که به نظر می‌رسد آنها چقدر جابجا شده‌اند و این به شما اندازه‌ای از انبساط جهان می‌دهد.”

از آنجایی که امواج گرانشی، مانند نور، برای سفر از منبع خود به زمین زمان می‌برند، شناسایی این امواج از ادغام سیاه‌چاله‌های دورتر به دانشمندان اجازه می‌دهد به گذشته نگاه کنند و نویسندگان این مطالعه می‌گویند که با قدرتمندتر شدن LIGO و دیگر آشکارسازها و جمع‌آوری سیگنال‌های امواج گرانشی از رویدادهای دورتر، محققان شاید روزی بتوانند برخوردهایی را مشاهده کنند که 10 بیلیون سال پیش رخ داده است (حدود 3.8 بیلیون سال پس از انفجار بزرگ) که زمانی است که محققان معتقدند انرژی تاریک بر دیگر اشکال ماده و انرژی تسلط یافت.

ازکویاگا گفت: «در همان زمان است که ما از ماده تاریک به عنوان نیروی غالب در جهان به انرژی تاریک تغییر مکان دادیم و ما بسیار علاقه مند به مطالعه این گذار حیاتی هستیم.

ازکویاگا و هولز می‌گویند که روش آژیر طیفی برای اندازه‌گیری ثابت هابل می‌تواند نسبت به تکنیک‌های دیگر، مانند اندازه‌گیری تغییر فرکانس نور از ابرنواخترهای دوردست، یا ستارگان در حال انفجار، مزایایی داشته باشد. (این رویکردها به درک فیزیک ستارگان و کهکشان ها و در نتیجه فیزیک و اخترفیزیک پیچیده بستگی دارد.)

با این حال، این تکنیک جدید به چیزی بیش از مدل تثبیت شده گرانش اینشتین – نظریه نسبیت عام – بستگی دارد و از سیاهچاله‌های محلی به عنوان ابزار کالیبراسیون داخلی استفاده می‌کند. با جمع‌آوری داده‌های امواج گرانشی بیشتر از برخورد سیاه‌چاله‌ها، این کالیبراسیون بهبود می‌یابد.

هولز در پایان گفت: «ما ترجیحاً به هزاران سیگنال نیاز داریم که باید در چند سال آینده و حتی بیشتر در یک یا دو دهه آینده داشته باشیم. “در آن مرحله، این یک روش فوق‌العاده قدرتمند برای یادگیری در مورد جهان خواهد بود.”

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Colliding black holes could clock universe’s expansion rate

By Robert Lea 

https://www.space.com/colliding-black-holes-measure-universe-expansion