کشف دنیای گمشده سیاه‌چاله‌ها؛ ۱۶۱ ادغام جدید کیهانی شناسایی شد

زهرا وجدانی: اخترشناسان با بررسی امواج گرانشی موفق به کشف مجموعه‌ای عظیم از برخورد‌ها و ادغام‌های سیاه‌چاله‌ای شده‌اند؛ کشفی که می‌تواند درک دانشمندان از نحوه شکل‌گیری و رشد سیاه‌چاله‌ها را دگرگون کند. پژوهشگران این دستاورد را به کشف یک تمدن باستانی گمشده در جهان تشبیه کرده‌اند؛ مجموعه‌ای از شواهد که تصویری تازه از تاریخچه پنهان سیاه‌چاله‌ها ارائه می‌دهد.

به گزارش Space، این یافته‌ها در قالب نسخه پنجم فهرست گذرای امواج گرانشی (GWTC-۵.۰) منتشر شده است؛ کاتالوگی که شامل ۱۶۱ سیگنال جدید امواج گرانشی ثبت‌شده توسط آشکارساز‌های مشهور لایگو (LIGO)، ویرگو (Virgo) و کاگرا (KAGRA) بین آوریل ۲۰۲۴ تا پایان ژانویه ۲۰۲۵ است.

با اضافه شدن این داده‌های جدید تعداد کل ادغام‌های سیاه‌چاله‌ای شناسایی‌شده از طریق امواج گرانشی به ۳۹۰ مورد رسیده است؛ آماری که بزرگ‌ترین مجموعه مشاهدات از این پدیده کیهانی را تاکنون تشکیل می‌دهد.

امواج گرانشی؛ پژواک رویداد‌های عظیم کیهانی

امواج گرانشی نخستین بار در سال ۱۹۱۵ توسط آلبرت اینشتین در چارچوب نظریه نسبیت عام پیش‌بینی شدند. بر اساس این نظریه اجرام دارای جرم، بافت چهاربعدی فضا-زمان را خم می‌کنند و آنچه ما به عنوان گرانش می‌شناسیم، نتیجه همین خمیدگی است.

نسبیت عام همچنین پیش‌بینی می‌کند که هنگامی که اجرام بسیار سنگین در فضا-زمان شتاب می‌گیرند، موج‌هایی در این ساختار ایجاد می‌شود که با سرعت نور در سراسر کیهان منتشر می‌شوند. این موج‌ها همان امواج گرانشی هستند.

اگرچه اینشتین وجود چنین امواجی را پیش‌بینی کرده بود اما باور داشت بشر هرگز قادر به آشکارسازی آنها نخواهد بود. با این حال در سال ۲۰۱۵ آشکارساز لایگو نخستین امواج گرانشی تاریخ را ثبت کرد؛ سیگنالی که از برخورد و ادغام دو سیاه‌چاله عظیم در فاصله حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری از زمین سرچشمه گرفته بود.

از آن زمان تاکنون لایگو به همراه ویرگو و کاگرا ده‌ها رویداد مشابه را ثبت کرده‌اند؛ از جمله برخورد دو ستاره نوترونی، ادغام سیاه‌چاله‌ها و حتی برخورد‌های ترکیبی میان سیاه‌چاله و ستاره نوترونی.

افزایش چشمگیر توان آشکارسازی

حساسیت آشکارساز‌های امواج گرانشی در سال‌های اخیر به‌طور قابل توجهی افزایش یافته است؛ به‌طوری که در دوره‌های رصدی کنونی دانشمندان به طور متوسط هر هفته بین سه تا چهار سیگنال جدید ثبت می‌کنند.

دنیل ویلیامز پژوهشگر موسسه تحقیقات گرانشی در این باره گفت: تنها ده سال از نخستین کشف امواج گرانشی می‌گذرد و اکنون به مرحله‌ای رسیده‌ایم که صد‌ها رویداد را شناسایی و تحلیل می‌کنیم. این دستاورد نتیجه تلاش صد‌ها دانشمند در سراسر جهان است.

وی افزود: اکنون تعداد سیگنال‌های ثبت‌شده آن‌قدر زیاد شده که دیگر صرفا درباره برخورد‌های منفرد مطالعه نمی‌کنیم؛ بلکه در حال مشاهده ساختار یک جهان پنهان هستیم. این وضعیت از نظر نجومی شبیه کشف بقایای یک تمدن باستانی ناشناخته است.

کشف سیاه‌چاله‌های نسل دوم

یکی از مهم‌ترین یافته‌های کاتالوگ جدید شناسایی آنچه ادغام‌های نسل دوم» نامیده می‌شود است. در این نوع رویداد‌ها سیاه‌چاله‌هایی با یکدیگر برخورد می‌کنند که خود در گذشته حاصل ادغام سیاه‌چاله‌های دیگر بوده‌اند.
دو سیگنال مهم موسوم به GW۲۴۱۰۱۱ و GW۲۴۱۱۱۰ که به ترتیب در ۱۱ اکتبر و ۱۱ نوامبر ۲۰۲۴ ثبت شدند، نمونه‌های شاخص این پدیده هستند.

این دو ادغام در فاصله‌های حدود ۷۰۰ میلیون و ۲.۴ میلیارد سال نوری از زمین رخ داده‌اند. بررسی سرعت چرخش و جهت‌گیری سیاه‌چاله‌های دخیل در این رویداد‌ها نشان داد که دست‌کم دو سیاه‌چاله بزرگ‌تر در هر سامانه حاصل ادغام‌های پیشین بوده‌اند.

استورم کولومز از موسسه تحقیقات گرانشی توضیح داد: این مشاهدات نشانه‌های روشنی ارائه می‌کنند که برخی سیاه‌چاله‌ها مستقیما از فروپاشی ستارگان پرجرم شکل نگرفته‌اند بلکه محصول ادغام سیاه‌چاله‌های قبلی هستند.

وی افزود: این یافته‌ها نشان می‌دهد جهان راه‌های متنوع‌تری برای تولید سیاه‌چاله‌های قابل ادغام در اختیار دارد و همه آنها از سامانه‌های دوتایی ستاره‌ای منشأ نمی‌گیرند.

دانشمندان معتقدند چنین برخورد‌هایی احتمالا در محیط‌های بسیار متراکم ستاره‌ای مانند خوشه‌های کروی رخ می‌دهند؛ مناطقی که تعداد زیادی ستاره و سیاه‌چاله در فاصله‌ای نزدیک از یکدیگر قرار دارند.

دقیق‌ترین مکان‌یابی یک ادغام سیاه‌چاله‌ای

یکی دیگر از دستاورد‌های مهم این کاتالوگ ثبت سیگنال GW۲۴۰۶۱۵ در ۱۵ ژوئن ۲۰۲۴ است. این رویداد حاصل برخورد یک سیاه‌چاله ۲۶ برابر جرم خورشید با سیاه‌چاله‌ای ۳۰ برابر جرم خورشید بود که در فاصله بیش از سه میلیارد سال نوری از زمین رخ داد.

ویژگی منحصر‌به‌فرد این سیگنال آن بود که اخترشناسان توانستند محل وقوع آن را با دقتی بی‌سابقه مشخص کنند. منطقه احتمالی وقوع این رویداد تنها ۶ درجه مربع از آسمان را در بر می‌گرفت؛ رکوردی که تاکنون در حوزه امواج گرانشی ثبت نشده است. دانشمندان معتقدند این توانایی می‌تواند به شناسایی کهکشان میزبان رویداد‌های مشابه کمک کرده و کاربرد‌های مهمی در کیهان‌شناسی داشته باشد.

کمک به حل یکی از بزرگ‌ترین معما‌های کیهان

داده‌های جدید همچنین می‌توانند به اندازه‌گیری دقیق‌تر ثابت هابل کمک کنند؛ پارامتری که نرخ انبساط جهان را توصیف می‌کند.

الکس پاپادوپولوس از مؤسسه تحقیقات گرانشی گفت: امواج گرانشی ابزاری منحصر‌به‌فرد برای اندازه‌گیری فاصله اجرام کیهانی فراهم می‌کنند. هر رویداد مقدار اندکی اطلاعات در اختیار ما قرار می‌دهد اما وقتی صد‌ها رویداد را کنار هم قرار دهیم، می‌توانیم نرخ انبساط جهان را با دقت بیشتری محاسبه کنیم.

وی تاکید کرد که این پیشرفت‌ها دانشمندان را به حل یکی از مهم‌ترین پرسش‌های حل‌نشده فیزیک مدرن نزدیک‌تر می‌کند.

آزمون بی‌سابقه نظریه نسبیت اینشتین

در میان رویداد‌های ثبت‌شده سیگنال GW۲۵۰۱۱۴ که در ۱۴ ژانویه ۲۰۲۵ آشکار شد نیز توجه ویژه دانشمندان را به خود جلب کرده است.

این سیگنال حاصل ادغام دو سیاه‌چاله با جرم‌های تقریبی ۳۴ و ۳۲ برابر جرم خورشید در فاصله حدود یک میلیارد سال نوری از زمین بود.

قدرت و وضوح بالای این سیگنال به پژوهشگران اجازه داد دقیق‌ترین آزمون تاریخ نظریه نسبیت عام را انجام دهند و یکی از پیش‌بینی‌های مشهور استیون هاوکینگ را نیز تایید کنند.

تایید قضیه مساحت سیاه‌چاله‌ها

جان ویچ از دانشگاه University of Glasgow اعلام کرد داده‌های حاصل از GW۲۵۰۱۱۴ نشان می‌دهد مساحت افق رویداد سیاه‌چاله نهایی پس از ادغام افزایش یافته است؛ نتیجه‌ای که کاملا با قضیه مساحت سیاه‌چاله‌های هاوکینگ مطابقت دارد.

بر اساس این نظریه مجموع مساحت افق رویداد سیاه‌چاله‌ها هرگز کاهش نمی‌یابد و همواره در طول فرآیند‌های فیزیکی افزایش پیدا می‌کند.

پژوهشگران همچنین با تحلیل ارتعاشات سیاه‌چاله نهایی پس از ادغام دریافتند که اگرچه بخشی از انرژی سیستم به شکل امواج گرانشی آزاد می‌شود اما آنتروپی کل سیاه‌چاله افزایش می‌یابد؛ موضوعی که با قانون دوم ترمودینامیک سازگار است.

این نتایج بار دیگر نشان می‌دهد قوانین بنیادی فیزیک حتی در شدیدترین شرایط کیهانی نیز برقرار هستند و رفتار سیاه‌چاله‌ها همچنان از اصول بنیادین طبیعت پیروی می‌کند.

انتشار کاتالوگ GWTC-۵.۰ نقطه عطفی در مطالعات امواج گرانشی و سیاه‌چاله‌ها به شمار می‌رود. کشف ۱۶۱ رویداد جدید نه تنها تعداد ادغام‌های شناخته‌شده را به ۳۹۰ مورد رسانده بلکه شواهد محکمی درباره وجود سیاه‌چاله‌های نسل دوم، مسیر‌های جدید شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها، امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر انبساط جهان و صحت پیش‌بینی‌های اینشتین و هاوکینگ ارائه کرده است. دانشمندان معتقدند این داده‌ها پنجره‌ای تازه به سوی جهان پنهان سیاه‌چاله‌ها گشوده و می‌تواند در سال‌های آینده به درک عمیق‌تر منشا و تکامل این اجرام اسرارآمیز منجر شود.