در فوریه سال ۲۰۱۶، دانشمندان رصدخانه لیزر تداخلسنج امواج گرانشی (LIGO) برای نخستین بار اعلام کردند که موفق به ثبت مستقیم امواج گرانشی شدهاند. این امواج همان موجهای بسیار ضعیف در بافت فضا–زمان هستند که نخستین بار توسط آلبرت اینشتین در نظریهی نسبیت عام پیشبینی شده بود. منشأ آنها پدیدههایی کیهانی با انرژی بسیار زیاد است؛ مانند ادغام ستارگان نوترونی یا برخورد سیاهچالهها.
از آن زمان تاکنون، رصدخانههای امواج گرانشی نظیر LIGO، VIRGO در اروپا و KAGRA در ژاپن موفق به آشکارسازی حدود ۳۰۰ رویداد گرانشی شدهاند. پیشرفت فناوری، همکاریهای بینالمللی و حساسیت بالاتر آشکارسازها باعث شده است که هم دقت اندازهگیریها افزایش یابد و هم تعداد رویدادهای ثبتشده بیشتر شود.
کشفی تازه از ادغام سیاهچالهها
بهتازگی گروهی از پژوهشگران LIGO و مرکز اخترفیزیک محاسباتی مؤسسه فلتآیرون اعلام کردند که توانستهاند یک ادغام سیاهچالهای را ثبت کنند که تاکنون بیشترین بینش را درباره ماهیت بنیادی سیاهچالهها و ساختار فضا–زمان فراهم کرده است. این کشف همچنین سرنخهایی ارزشمند درباره پیوند احتمالی فیزیک کوانتوم با نسبیت عام ارائه میدهد و در واقع، در یک رویداد واحد پیشبینیهای اینشتین، استیون هاوکینگ و روی کرر را تأیید میکند.
نتایج این پژوهش در ۱۰ سپتامبر در مجلهی معتبر Physical Review Letters منتشر شد. مقالهای با عنوان «GW250114: آزمون قانون مساحت هاوکینگ و ماهیت کِرِری سیاهچالهها» توسط همکاری مشترک LIGO-Virgo-KAGRA به چاپ رسید. تحلیل دادهها نشان میدهد این ادغام، سیاهچالهای با جرمی برابر ۶۳ برابر خورشید ایجاد کرده است که با سرعتی حدود ۱۰۰ دور در ثانیه به دور خود میچرخد.
روند شکلگیری امواج گرانشی در ادغام سیاهچالهها
فرآیند ادغام بدین صورت آغاز میشود که دو سیاهچاله هممدار بهتدریج مومنتوم زاویهای خود را از دست میدهند و به هم نزدیک میشوند. در این مرحله، امواج گرانشی شدیدی منتشر میشود. پس از برخورد و شکلگیری سیاهچالهی جدید، این جرم تازه تا مدتی دچار نوسانات گذراست و مانند زنگی بزرگ، ارتعاشاتی ضعیف تولید میکند که به صورت “زنگ زدن” یا ringing قابل مشاهده است.
در رویدادهای پیشین، دانشمندان قادر نبودند این ارتعاشات نهایی را با وضوح کافی ثبت کنند، زیرا سیگنال بسیار ضعیف بود. به همین دلیل، تمایز میان زنگ ناشی از لحظهی برخورد و ارتعاشات سیاهچالهی نهایی امکانپذیر نبود. اما در این رویداد اخیر، تیم پژوهشی توانست تصویری کامل از کل فرایند، از لحظهی برخورد تا ارتعاشات پایانی، به دست آورد.
پیشگامان تحلیل رویداد
دو پژوهشگر مؤسسه فلتآیرون، ماکسیمیلیانو ایزی و ویل فار، رهبری این تحلیل را بر عهده داشتند. ایزی در بیانیهای مطبوعاتی اعلام کرد:
«این روشنترین تصویری است که تاکنون از ماهیت سیاهچالهها دیدهایم. ما اکنون شواهدی قویتر از همیشه داریم که نشان میدهد سیاهچالههای اخترفیزیکی همان اجرامی هستند که نظریهی نسبیت عام اینشتین پیشبینی کرده بود. جفت جدید سیاهچالهها تقریباً همزاد همان رویداد تاریخی نخستین آشکارسازی در سال ۲۰۱۵ هستند، اما این بار ابزارها بسیار پیشرفتهتر شدهاند و میتوانیم سیگنالها را به شکلی بررسی کنیم که ده سال پیش اصلاً امکانپذیر نبود.»
از سال ۲۰۱۵ تا امروز
این پژوهش بر پایهی تحقیقات پیشین ایزی بنا شده است. در سال ۲۰۲۱، او و همکارانش روشی نوین برای جداسازی فرکانسهای خاص از دادههای نخستین ادغام سیاهچالهها ارائه دادند. در سال ۲۰۱۵، دقت دادهها آنقدر نبود که بتوان پیشبینیهای کلیدی دربارهی سیاهچالهها را آزمایش کرد. اما با پیشرفت آشکارسازها و افزایش حساسیت، اکنون امکان جداسازی سیگنالهای بسیار کوتاه (در حد چند میلیثانیه) فراهم شده است. این امر امکان آزمون دقیقتر نظریههای مهم اخترفیزیکی را فراهم کرده است.
تأیید متریک کر و قانون مساحت هاوکینگ
یکی از نظریههای کلیدی که اکنون تأیید شده، متریک کر است که در سال ۱۹۶۳ توسط فیزیکدان نیوزیلندی روی کر ارائه شد. این متریک با استفاده از نسبیت عام نشان میدهد که سیاهچالهها اجرامی بسیار ساده هستند که تنها با دو ویژگی توصیف میشوند: جرم و چرخش (اسپین). دادههای جدید نشان داد که سیاهچالهی حاصل از این ادغام دقیقاً با این توصیف سازگار است.
از سوی دیگر، نتایج بهدستآمده قانون مساحت هاوکینگ را نیز تأیید کرد. این قانون میگوید سطح افق رویداد سیاهچالهها (مرزی که هیچ چیز نمیتواند از آن فرار کند) تنها میتواند افزایش یابد و هرگز کاهش پیدا نمیکند. این نتیجه نه تنها اهمیت نظریهی هاوکینگ را دوباره ثابت میکند، بلکه ارتباطی جالب میان سیاهچالهها و قانون دوم ترمودینامیک برقرار میسازد.
پیوند سیاهچالهها با ترمودینامیک و آنتروپی
قانون دوم ترمودینامیک بیان میکند که در هر سیستم بسته، میزان آنتروپی (بینظمی) باید با گذر زمان افزایش یابد یا دستکم ثابت بماند. شباهت میان رشد سطح افق رویداد و افزایش آنتروپی به این معناست که سیاهچالهها میتوانند پنجرهای بینظیر برای درک بهتر ترمودینامیک و حتی گامهایی به سوی گرانش کوانتومی فراهم کنند.
ایزی در این باره گفت:
«واقعاً عمیق است که اندازهی افق رویداد سیاهچاله مانند آنتروپی رفتار میکند. این موضوع پیامدهای نظری مهمی دارد و نشان میدهد برخی جنبههای سیاهچالهها میتوانند برای بررسی ریاضی ماهیت واقعی فضا و زمان به کار روند. سالها این حوزه فقط بر پایهی ریاضیات و حدس و گمان نظری بود، اما اکنون ما شاهد این فرآیندهای شگفتانگیز در عمل هستیم. این نشان میدهد چه میزان پیشرفت داشتهایم و همچنان خواهیم داشت.»
آیندهی آشکارسازی امواج گرانشی
پیشبینی میشود در دههی آینده آشکارسازهای جدیدی به کار گرفته شوند که حساسیتی ۱۰ برابر بیشتر از رصدخانههای کنونی خواهند داشت. یکی از مهمترین آنها، آنتن فضایی تداخلسنج لیزری ناسا (LISA) است که انتظار میرود تا سال ۲۰۳۵ در فضا مستقر شود. همانگونه که تلسکوپهای فضایی با دوری از جو زمین دیدی شفافتر از کیهان فراهم میکنند، LISA نیز امکان آشکارسازی دقیقتر و حساستر امواج گرانشی را خواهد داد.
به همراه رصدخانههای زمینی آینده، این ابزارها به اخترشناسان امکان میدهند که «صدای» ادغام سیاهچالهها را با وضوح بیشتری بشنوند و ویژگیهای آنها را با دقت بیسابقهای بیازمایند.
انقلابی تازه در اخترفیزیک
هیجانانگیزتر از همه آن است که این پیشرفتها شاید مقدمهی انقلابی تازه در اخترشناسی و فیزیک باشند؛ انقلابی که میتواند به شکلگیری نظریهی همهچیز و درک نوینی از فضا–زمان منجر شود. برای اینشتین، هاوکینگ و کر، چنین اکتشافاتی بهترین میراث علمی محسوب میشود.
