نقشه‌ی گسترده‌ی امواج گرانشی از جهان می‌تواند سیاه‌چاله‌های پنهان را آشکار کند

آنچه می‌بینیم، به جهانی بسیار پویا‌تر و فعال‌تر از آنچه انتظار داشتیم اشاره دارد

جزئیات‌ترین نقشه‌ای که تاکنون از جهان با استفاده از امواج گرانشی ایجاد شده است، می‌تواند سیاه‌چاله‌های پنهان، ادغام سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم و حتی ساختار‌های بزرگ‌مقیاس کیهانی را آشکار کند.
این مطالعه که توسط تیمی به سرپرستی ستاره‌شناسان دانشگاه فناوری سوینبرن انجام شد، همچنین بزرگ‌ترین آشکارساز امواج گرانشی در مقیاس کهکشانی را معرفی کرده است؛ امواجی که در واقع نوساناتی در فضا-زمان هستند.

این تحقیق شواهد بیشتری از وجود یک “زمینه‌ی همگانی” امواج گرانشی که در سراسر جهان جریان دارد، فراهم کرده است. این یافته‌ها می‌تواند دیدگاه‌های جدیدی درباره‌ی اولین سیاه‌چاله‌های جهان، نحوه‌ی رشد آن‌ها و تأثیرشان بر تکامل ساختارهای کیهانی ارائه دهد.
یکی از اعضای تیم، مت مایلز از دانشگاه سوینبرن، در بیانیه‌ای گفت:
“مطالعه‌ی زمینه‌ی [امواج گرانشی] به ما امکان می‌دهد پژواک رویدادهای کیهانی را در طول میلیاردها سال بشنویم. این پژواک نشان می‌دهد که چگونه کهکشان‌ها و خود جهان در طول زمان تکامل یافته‌اند.”

زمینه‌ی امواج گرانشی که مایلز به آن اشاره می‌کند، ناشی از ادغام سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در جهان اولیه و دوردست است. این امواج نخستین بار با استفاده از یک آشکارساز امواج گرانشی که به مجموعه‌ای از ستاره‌های نوترونی چرخان سریع (پالسارها) و یک ابزار دقیق به نام آرایه‌ی زمان‌بندی پالسار وابسته بود، شناسایی شدند. این پروژه بخشی از طرح NANOGrav بود.

این مطالعه‌ی جدید نیز از یک آرایه‌ی زمان‌بندی پالسار استفاده کرده، اما با کمک رادیوتلسکوپ MeerKAT در آفریقای جنوبی. با بهبود روش‌های شناسایی، دقت در حد نانوثانیه این آرایه امکان سیگنال‌های قوی‌تر از گذشته را برای تیم فراهم کرد.

مایلز همچنین افزود: “ما می‌دانیم که سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم در حال ادغام وجود دارند، اما اکنون این سوال را مطرح می‌کنیم که کجا هستند و تعدادشان چقدر است؟”

شگفتی‌های نقشه‌ی امواج گرانشی

امواج گرانشی اولین بار توسط آلبرت اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام او پیش‌بینی شدند. این نظریه بیان می‌کند که اجرام دارای جرم باعث انحنای بافت فضا و زمان (که به‌صورت موجودیتی چهاربعدی به نام “فضا-زمان” توصیف می‌شود) می‌شوند. این انحنا عامل گرانش است.

اینشتین همچنین پیش‌بینی کرد که وقتی اجرام عظیم شتاب می‌گیرند، نوساناتی را در فضا-زمان ایجاد می‌کنند که با سرعت نور منتشر می‌شوند. این نوسانات همان امواج گرانشی هستند.

یکی از نمونه‌های سیستم‌های تولیدکننده‌ی امواج گرانشی، سیاه‌چاله‌های دوتایی است. این سیستم‌ها زمانی ایجاد می‌شوند که دو سیاه‌چاله به دور یکدیگر می‌چرخند و با انتشار امواج گرانشی، انرژی زاویه‌ای خود را از دست می‌دهند. این فرآیند باعث می‌شود آن‌ها به یکدیگر نزدیک‌تر شوند تا در نهایت با یک برخورد و ادغام نهایی، یک رویداد قدرتمند ایجاد کنند که امواج گرانشی را به‌صورت “فریادی بلند” منتشر می‌کند.

این ادغام‌ها برای درک تکامل جهان بسیار اهمیت دارند، زیرا اینگونه است که سیاه‌چاله‌های ابرپرجرمی با جرم‌های معادل میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید در مرکز کهکشان‌های بزرگ شکل می‌گیرند.

پالسارها به دلیل دوران سریع خود – تا ۷۰۰ بار در ثانیه – و انتشار پرتوهای تابشی که شبیه نورافکن‌های کیهانی عمل می‌کنند، ابزار مناسبی برای شناسایی امواج گرانشی هستند. نکته کلیدی این است که زمان‌بندی چرخش پالسارها بسیار منظم است، به‌طوری که گروهی از آن‌ها می‌توانند به‌عنوان یک ساعت کیهانی دقیق عمل کنند؛ ساعتی که به تغییرات کوچک در فضا-زمان ناشی از عبور امواج گرانشی حساس است.

این دقت همان چیزی است که به آرایه‌ی زمان‌بندی پالسار MeerKAT امکان داد نقشه‌ای بسیار دقیق از امواج گرانشی ایجاد کند.

یک کشف غیرمنتظره: نقطه‌ی داغ

محققان یک ناهنجاری غیرمنتظره را در نقشه‌ی خود کشف کردند: یک “نقطه‌ی داغ” که به نظر می‌رسد جهت‌گیری خاصی برای امواج گرانشی نشان می‌دهد.
پیش‌تر تصور می‌شد زمینه‌ی امواج گرانشی در جهان هیچ جهت خاصی ندارد و به‌صورت یکنواخت در سراسر آسمان پخش است.

روینا ناتان، عضو تیم و محقق دانشگاه موناش، در این‌باره گفت:
“وجود یک نقطه‌ی داغ می‌تواند نشان‌دهنده‌ی یک منبع مجزای امواج گرانشی باشد، مانند یک جفت سیاه‌چاله با جرمی میلیاردها برابر خورشید. بررسی ساختار و الگوهای امواج گرانشی به ما نشان می‌دهد که جهان امروز چگونه وجود دارد و سیگنال‌هایی از دوران اولیه‌ی جهان، حتی از زمان مهبانگ، را در خود دارد.”

این یافته‌ها افق‌های جدیدی را برای کشف‌های غیرمنتظره درباره‌ی ساختار جهان گشوده است.
اکنون آشکارساز امواج گرانشی در مقیاس کهکشانی که با آرایه‌ی MeerKAT ساخته شده است، به بهبود نقشه‌ی خود ادامه خواهد داد. کاترین گرونتال، یکی دیگر از اعضای تیم از مؤسسه‌ی ماکس پلانک، گفت:
“با بررسی تغییرات در سیگنال‌های امواج گرانشی در سراسر آسمان، ما به دنبال ردپاهای فرآیندهای اخترفیزیکی شکل‌دهنده‌ی جهان هستیم.”