رصد كواشف LIGO و Virgo اندماج ثقب أسود غير متماثل بشكل ملحوظ ،كتل مكوناتهما 8 و 30 كتلة شمسية على التوالي.
يتيح اندماج ثقبين أسودين بكتل مختلفة للباحثين توصيف أفضل لمعلومات عن الثقب الأسود وإجراء اختبارات جديدة لنظرية النسبية العامة.
منذ أن لاحظ LIGO و Virgo لأول مرة اندماج ثقبين أسودين في سبتمبر 2015 ، أصبح اكتشاف الموجات الثقالية أمرًا عاديًا. ومع ذلك ، يستمر الكون المشوه في تقديم فضل من الاكتشافات المتنوعة. الآن ، أفاد تعاون LIGO و Virgo أنه بعد أسبوعين فقط من تشغيل المراقبة الثالثة ، اكتشف كاشفات LIGO و Virgo اندماج ثقب أسود ، أطلق عليه GW190412 ، كان مختلفًا بشكل ملحوظ عن تلك التي تم قياسها سابقًا: مع 8 و 30 كتلة شمسية ، على التوالي ، هذا الثنائي "Laurel & Hardy" هو أول نظام ثنائي للثقب الأسود غير المتماثل تم رصده على الإطلاق (الشكل 1). لقد أتاح اكتشاف مثل هذا الثنائي غير المتماثل مجموعة كبيرة من الاحتمالات العلمية الجديدة ، من وضع قيود قوية على دوران الثقوب السوداء ، إلى اقتراح سيناريوهات فيزيائية فلكية جديدة لتشكيل مثل هذه الأنظمة غير المتوازنة ، إلى اختبار نظرية أينشتاين للنسبية العامة غير المستكشف سابقًا.
تنشأ موجات الجاذبية بشكل طبيعي في نظرية النسبية العامة ، التي تربط الجاذبية بانحراف الزمكان في وجود المادة. يقوم زوج من الأجسام المدمجة مثل النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء بإحداث الزمكان أثناء دورانها حول بعضها البعض ، وإلهامها ، ثم دمجها في النهاية ، مما يؤدي إلى تموجات الزمكان التي تشع للخارج بسرعة الضوء. بعد مليارات السنين ، وصلت الموجات إلى كاشفات موجات الجاذبية ، حيث تشوه بشكل طفيف أذرع الكاشف المتعامدة التي يبلغ طولها كيلومترات. يشفر هذا النمط من التشوهات ديناميكيات نظام الدمج ، بما في ذلك الهندسة المدارية وخصائص كل نجم نيوتروني أو ثقب أسود.
حتى الآن ، أظهرت معظم الاكتشافات وجود أزواج من الثقوب السوداء ذات الكتل المتشابهة تقريبًا: حتى الاندماجات غير المتماثلة التي تم اكتشافها تضمنت نسب كتلة أقل من 2. كما تنبأت النسبية العامة ، فإن إشارة موجة الجاذبية في هذه الحالات المتماثلة يسيطر عليها تردد واحد - التوافقي الثاني للتردد المداري الثنائي. علاوة على ذلك ، كانت الإشارات من جميع الاكتشافات باستثناء اثنين (GW151226 و GW170729) متسقة مع الثنائي الذي له دوران فعال يساوي صفر. هذه المُعامل عبارة عن مجموع مرجح للكتلة لمكون دوران كل ثقب أسود متعامد مع المستوى المداري. يعني الدوران الفعال المتلاشي للثقوب السوداء ذات الكتل نفسها أن الجسمين إما لا يدوران أو أنهما يدوران في اتجاهين متعاكسين. إن الدوران الفعال غير الصفري سيؤثر بشكل كبير على ديناميكيات الاندماج.
للوهلة الأولى ، يتماشى GW190412 مع الاكتشافات السابقة - إنه زوج من الثقوب السوداء ذات كتل فردية متسقة مع الاكتشافات السابقة ومع مسارات تكوين الثقب الأسود التي يتم النظر فيها من الناحية النظرية. في الوقت نفسه ، فإن عدم تناسق كتلتَي النظام الثنائي يجعله نظامًا متباينًا بشكل جميل مقارنة بأي شيء تم رؤيته من قبل (فيديو 1). استخدم LIGO و Virgo مجموعة متنوعة من نماذج الموجات المختلفة لتحديد أن كان أحد الثقوب السوداء أكبر بنحو 3.5 مرة من الآخر. بالتوافق مع النسبية العامة ، يعني عدم التناسق هذا ، بالإضافة إلى تردد الانبعاث التوافقي الثاني الرئيسي ، أن النغمات الأعلى لانبعاث موجة الجاذبية ، وتحديداً الوضع عند 3 أضعاف التردد المداري الثنائي ، كانت قابلة للاكتشاف. غالبًا ما يُشار إلى موجات الجاذبية على أنها موسيقى الكون ، وفي هذه الحالة يكون التشبيه مناسبًا تمامًا: أدى تصادم هذه الثقوب السوداء في اتساع الكون إلى إنتاج إشارة تحتوي على "الخمس المثالي" - فترة موسيقية ، مثل ذلك بين النغمات G و C ، المقابلة لترددين بنسبة 3: 2.
تتوافق المحاكاة العددية للفتحة ودمج اثنين من الثقوب السوداء بنسبة كتلة 3.5 مع ملاحظة GW190412.
سمح الثنائي غير المتوازن للثقب الأسود للباحثين بفحص النسبية العامة في الأنظمة غير المستكشفة سابقًا. وبالتحديد ، عن طريق اختبار تنبؤات النظرية للحظات متعددة الأقطاب المرتبطة بالانبعاثات التوافقية الأعلى للاندماج غير المتماثل. كانت جميع العوامل المرتبطة بالانحرافات عن النسبية العامة متسقة مع الصفر - حتى مع اختبار الفروق الدقيقة في نظريته بطرق جديدة ، يستمر أينشتاين في تأكيد صحة نظريته.
من خلال ملاءمة الإشارة الأكثر تعقيدًا التي تحتوي على الدرجات العالية ، قام الباحثون بتحسين كبير ، مقارنة بالاكتشافات السابقة ، والقيود المفروضة على مُعملات النظام مثل المسافة الثنائية من الأرض ، ونسبة كتلتها ، ودوران الثقوب السوداء. في الواقع ، أبلغ علماء LIGO و Virgo عن التحديد الأكثر دقة لدوران الثقب الأسود الذي تم استخراجه من بيانات موجات الجاذبية ، ووجدوا أن أفق الحدث للثقب الأسود الأكبر يدور بنحو 43٪ من سرعة الضوء. GW190412 هي الآن الإشارة الثالثة لإظهار دليل على دوران غير صفري ، مما يدل على أن هناك إمكانية كبيرة لتحديد هذه الميزة بشكل نظيف ومباشر باستخدام تحليل الموجات الثقالية. تقنيات خصائص الدوران الشائعة الأخرى غير مباشرة ، لأنها تستنتج دوران الثقب الأسود من انبعاث الأشعة السينية للمواد التي تسقط في الثقب الأسود ، وبالتالي يجب أن تعتمد على نماذج يصعب اختبارها لديناميكيات التراكم. بالنسبة إلى GW190412 ، ألمح تحليل الإشارة أيضًا إلى تأثير يصعب ملاحظته: تحرك خفيف للدوران المداري مما يشير إلى أن دوران كل ثقب أسود لم يتماشى مع محور الحركة المدارية.
إن خصوصية GW190412 بين أقرانها - الدوران القابل للقياس والكتل غير المتماثلة - تجعلها إضافة قيمة تُعلم التركيبة السكانية للثقب الأسود. من عمليات الاندماج التي تم اكتشافها سابقًا ، أظهر الباحثون أن احتمالية العثور على ثنائيات ثقب أسود بأحجام معينة يمكن وصفها بقانون القوة. ينتج عن إدراج هذا الثنائي غير المتماثل قيودًا أكثر إحكامًا على توزيع نسب الكتلة المتوقعة. بينما يشير التحليل السابق إلى أن نظامًا غير متماثل على الأقل مثل GW190412 يجب أن يظهر فقط في 1.7٪ من الحالات ، فإن قانون توزيع السكان الذي يفسر الاكتشاف الجديد يراجع هذا الاحتمال إلى 25٪.
يُظهر اكتشاف GW190412 كم علينا تعلم المزيد من دمج الثقوب السوداء. ستكون النتيجة المهمة هي استخراج نغمات أعلى. من خلال كسر عوامل الانحطاط المهمة ، فإن مثل هذه الدرجات اللونية ستحسن قياسات مسافات ثنائيات الثقب الأسود ، مما يسمح باستخدامها كـ "صفارات الإنذار المظلمة" لاستنتاج معدل التوسع المحلي للكون. يمكن أن يساعد هذا النهج الباحثين في تسوية الجدل حول ثابت هابل - حيث تقدم قياسات الموجات الدقيقة الكونية والمستعرات الأعظمية قيمًا متضاربة (انظر الميزة: لا يمكن لعلماء الكونيات الاتفاق على ثابت هابل). كما أن اكتشافات الأنظمة غير المتماثلة الأخرى ودوراتها قد تلقي الضوء على قنوات التكوين المحتملة. قد تشير الدورات المنحرفة للثقوب السوداء GW190412 ، على سبيل المثال ، إلى أن الثنائي لا يأتي مباشرة من ثنائي نجمي. بدلاً من ذلك ، يمكن أن يكون أحدها نتاجًا لدمج ثقب أسود سابق. يمكن أن يقدم توصيف أفضل لدورات الثقب الأسود والبيئة التي حدث فيها الاندماج دليلًا قاطعًا على هذه الفرضية. بالتأكيد ، يمكننا أن نتوقع أن عمليات الاكتشاف القادمة ستوفر المزيد من الأفكار حول مجموعة السيناريوهات المتنوعة التي تتشكل من اندماج أزواج الثقوب السوداء. في الواقع ، أثناء كتابة وجهة النظر هذه ، أبلغ الباحثون عن نظام غير متماثل أكثر ، يسمى GW190814 ، والذي يستضيف إما أثقل نجم نيوتروني أو أخف ثقب أسود تم اكتشافه على الإطلاق.
المصدر