عشرات الثقوب السوداء تتحدى الباحثين النظريين

بقلم:    أدريان تشو

ترجمة: مي بورسلي

كما يفعل الأطفال قبل موعد الكريسماس، انتظر علماء الفيزياء الفلكية بفارغ الصبر وصول كتالوج. وهذا الكتالوج لا تندرج فيه الألعاب، ولكنه يحتوي على التصادمات الكارثية لأجرام مثل الثقوب السوداء Black holes،  مجالات الجاذبية الشبحية فائقة الشدة Ghostly ultra intense gravitational fields التي تتخلف بعد انهيار النجوم الضخمة. وفي الأسبوع الأخير من أكتوبر وصل الكتالوغ؛ بفضل الشبكة العالمية لكاشفات موجات الجاذبية (الثقالية) Network of gravitational detectors. “إنه مثير جدًا!”، كما تقول سلمى دي مينك Selma de Mink، الاختصاصية بعلم الفيزياء الفلكية من جامعة هارفارد Harvard University. “ستكون هناك بالتأكيد موجة عارمة من الأوراق البحثية المتسابقة لعرض أولى تحليلات البيانات”.

     ومصدر الملاحظات الرصدية هو ثلاث أدوات بصرية ضخمة على شكل حرف L تسمى مقاييس التداخل Interfero-meters والتي تستشعر موجات الجاذبية، التمدد المتناهي الصغر للفضاء الناتج من الاصطدامات. وينتمي اثنان إلى مرصد قياس موجات الجاذبية بالتداخل الليزري Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (اختصارا: المرصد لايغو LIGO)، وهما جهازان بأذرع بطول أربعة كيلومترات في لويزيانا وواشنطن، وفي عام 2015 استشعرت، لأول مرة، زقزقة موجات الجاذبية من ثقبين أسودين يدوران حول بعضهما البعض. وقد انضم المرصد فيرغو Virgo، مقياس تداخل بالقرب من بيزا في إيطاليا، بأذرع يبلغ طولها ثلاثة كيلومترات، إلى مهمة الرصد في عام 2017.

    المرصدان لايغو وفيرغو رصدا بالفعل 11 حدثًا بما في ذلك اندماج نجمين نيوترونيين؛ مما يلقي الضوء على الكيفية التي يشكل فيها الكون عناصر ثقيلة. حالياً، صنف الفريق 37 عملية اندماج إضافية للثقب الأسود، واندماجا آخر لنجم نيوتروني Neutron star، واندماجا محتملا لثقب أسود ونجم نيوتروني. ويقول كارل رودريغيز Carl Rodriguez، الاختصاصي بعلم الفيزياء الفلكية من جامعة كارنيغي ميلون Carnegie Mellon University، والذي لم يشارك في العمل، إن الكتالوج والتحليلات الإحصائية، التي نُشرت في 28 أكتوبر على موقع الخادم آركايف arXiv للفيزياء: “مهمة جداً”. ” ففي حالة الأحداث الفردية، لا يمكنك إجراء الكثير مقارنة باستخدام ما هو متاح من النمذجات الفيزيائية الفلكية. ولكن باستخدام الكتالوج لا يمكنك فقط البدء بتقييد النظرية، بل يمكنك البدء بفهم الصورة الأشمل”.

   فعلى سبيل المثال، من خلال تحليل 47 عملية اندماج للثقب الأسود معًا، يمكن للباحثين التحقق من كيفية دوران الثقوب السوداء – وهو دليل محتمل لكيفية اتحاد الأزواج معًا. وإذا كان كلا الثقبين الأسودين يدوران بالطريقة نفسها التي يدوران فيها حول بعضهما البعض، فربما قد تشكلا من زوج من النجوم ولدا معًا في سحابة الغاز الدوارة نفسها. وإذا كان أحد الثقبين الأسودين أو كلاهما يدور في اتجاه مختلف، وخاصة إذا كانا يدوران في الاتجاه المعاكس للمدار، فمن المحتمل أن الثقبين الأسودين قد تكوّنا منفصلين ثم ازدوجا لاحقًا.

   ومن الصعب معرفة كيفية محاذاة دوران زوج واحد من الثقوب السوداء مع اندفاع موجات الجاذبية المنبعثة أثناء الاندماج، كما تقول مايا فيشباخ Maya Fishbach، الاختصاصية بعلم الفيزياء الفلكية وعضو في المرصد لايغو من جامعة نورث وسترن Northwestern University. ولكن من خلال تحليل الأحداث مجتمعة ككل، توصل العلماء إلى أدلة على أن بعض عمليات الاندماج على الأقل تتضمن دورانًا معكوسًا؛ مما يشير إلى تشكل أزواج الثقوب السوداء بأكثر من طريقة. وتقول فيشباخ: “يبدو أن هناك عدة أشياء تحدث”.

    و يجادل رودريغيز في أن الثقوب السوداء قد تتشكل منفصلة في عُقد من النجوم القديمة تسمى العناقيد الكروية Globular clusters ثم تصير أزواجاً. وأشار إلى أن المعدل الإجمالي لعمليات اندماج الثقوب السوداء التي يكشفها المرصدان لايغو وفيرغو يبدو أنه يتطابق تقريبًا مع المعدل الذي تتوقعه نمذجته. ويقول: “لا ينبغي أن أعلن عن ذلك، لكنني سأفعل”. وبسبب عدم اليقين، فإن البيانات أيضًا تتوافق مع مثل هذه الآلية التي تنتج ربع عمليات الاندماج فقط، كما يشير.

    وتحليلات جميع الأحداث تُظهر أيضًا أنه عندما يتعلق الأمر بالثقوب السوداء، “التنوع كبير ومدهش”، كما يقول فرانك أوم  Frank Ohme، الفلكي المختص بموجات الجاذبية من معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية Max Planck Institute for Gravitational Physics. ومن خلال تفاصيل الإشارات الشبيهة بالاندماجات، يمكن للعلماء حساب كتل الثقوب السوداء المتصادمة. فقد توقعوا العثور على “فجوة كتلة” Mass gap بين نحو 45 و 135 كتلة شمسية – نتيجة عمليات فيزياء الجسيمات التي يجب أن تؤدي إلى انفجار النجوم ضمن نطاق كتلة معين قبل أن تنهار إلى ثقوب سوداء.

  ومع ذلك، اكتشف المرصدان لايغو وفيرغو عمليات اندماج تتضمن ثقوبًا سوداء داخل الفجوة، بما في ذلك واحد يزن 85 كتلة شمسية. وتقول دي مينك التي تُنمذج تطور أزواج الثقوب السوداء من أنظمة النجوم الثنائية Binary stars systems، إن فجوة الكتلة هي “تنبؤ واضح من النمذجات لكن يصعب تصديقها” أنها ليست موجودة. وبالمثل، توقع العلماء نطاقًا آخر محظورًا أقل من خمس كتل شمسية، ليس بناءً على النمذجة النظرية، ولكن على عمليات رصد الثقوب السوداء الفردية التي تدور بسلام حول النجوم العادية. ولكن هناك على الأقل ثقبًا أسود واحدًا يقع تحت هذا الحد.

   وتقول فيشباخ إنه يمكن للباحثين التحقيق في كيفية تغير عدد عمليات اندماج الثقوب السوداء عبر نطاق من الأزمنة الكوزموسية Cosmic time. وتُظهر البيانات الجديدة أن المعدل قبل ثمانية بلايين سنة لم يكن أكثر من عشرة أضعاف ما هو عليه الآن، كما تقول؛ مما أدى إلى تضييق الحد بمقدار عشرة آلاف ضعف.

   ويقول إيليا ماندل Ilya Mandel، الباحث النظري في علم الفيزياء الفلكية من جامعة موناش Monash University، إن مثل هذه البيانات ستتحدى الباحثين النظريين تحدياً لم يسبق له مثيل. ولم يعد بإمكانهم ببساطة إعداد النمذجات لحساب أحداث غريبة، ولكن عليهم شرح مجموعة رصد الأحداث بأكملها. ويقول ماندل: “عندما يكون لديك تعداد كامل، تصير الأمور أكثر صعوبة…لا يتعين على نمذجتك إعادة إنتاج الأحداث التي تراها فحسب، بل يجب أيضًا ألا تتنبأ بالأحداث التي لا تراها”.

    يدين فريقا المرصدين لايغو وفيرغو بوفرة الرصد إلى قدرة أجهزة الكشف على اكتشاف الأحداث الأبعد والأكثر خفوتًا. وهم يرغبون في الاستمرار بالإضافة إليها. وتقول فيشباخ: “لقد أجبنا عن الكثير من الأسئلة التي لم نكن نعلم أنها لطالما كانت لدينا، لكننا أيضاً أثرنا المزيد منها. هذه مجرد بداية هذا المجال من العلوم”.

©2020, American Association for the Advancement of Science. All rights reserved