الثقوب السوداء هي واحدة من أروع الأشياء في الكون. على سطحها ، والمعروف باسم “أفق الحدث” ، تكون الجاذبية قوية جدًا لدرجة أنه لا يمكن حتى للضوء الهروب منها. عادةً ما تكون الثقوب السوداء مخلوقات هادئة وصامتة تبتلع أي شيء يقترب منها كثيرًا ؛ ومع ذلك ، عندما يصطدم ثقبان أسودان ويندمجان معًا ، فإنهما ينتجان أحد أكثر الأحداث كارثية في الكون: في جزء من الثانية ، يحدث تشوه شديد. ثقب أسود يولد ويطلق كميات هائلة من الطاقة بينما يستقر في شكله النهائي. تمنح هذه الظاهرة علماء الفلك فرصة فريدة لمراقبة الثقوب السوداء المتغيرة بسرعة واستكشاف الجاذبية في أشد أشكالها تطرفاً.

على الرغم من أن الثقوب السوداء المتصادمة لا تنتج الضوء ، يمكن لعلماء الفلك مراقبة ما تم اكتشافه موجات الجاذبية – تموجات في نسيج المكان والزمان – ترتد عنها. يتوقع العلماء أنه بعد حدوث تصادم ، فإن سلوك الثقب الأسود المتبقي هو مفتاح فهم الجاذبية ويجب ترميزه في موجات الجاذبية المنبعثة.

رسم توضيحي لفنان لأعتاب ثقب أسود. الائتمان: C. Evans ؛ جي سي بوستيلو

في المقالة المنشورة في فيزياء الاتصالات (Nature) ، فريق من العلماء بقيادة خريج OzGrav البروفيسور خوان كالديرون بوستيلو – الآن “La Caixa Junior Leader – زميل ماري كوري” في معهد غاليسيان لفيزياء الطاقة العالية (سانتياغو دي كومبوستيلا ، إسبانيا) – كشف كيف أن موجات الجاذبية ترميز شكل دمج الثقوب السوداء عندما تستقر في شكلها النهائي.

يقول كريستوفر إيفانز ، طالب الدراسات العليا والمؤلف المشارك من معهد جورجيا للتكنولوجيا (الولايات المتحدة الأمريكية): “أجرينا محاكاة لتصادمات الثقوب السوداء باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة ، ثم قارننا الشكل المتغير سريعًا للثقب الأسود المتبقي بموجات الجاذبية التي ينبعث منها. اكتشفنا أن هذه الإشارات أكثر ثراءً وتعقيدًا مما يُعتقد عادةً ، مما يسمح لنا بمعرفة المزيد عن الشكل المتغير بشكل كبير للثقب الأسود النهائي “.

أولاً ، كلا الثقوب السوداء تدور حول بعضها البعض ، وتقترب ببطء ، خلال المرحلة الملهمة. ثانيًا ، يندمج الثقبان الأسودان ، ويشكلان ثقبًا أسود مشوهًا. أخيرًا ، يصل الثقب الأسود إلى شكله النهائي. ب: تردد إشارات موجات الجاذبية التي يتم ملاحظتها من أعلى الاصطدام (أقصى اليسار) ومن مواضع مختلفة على خط الاستواء (السكون) كدالة للوقت. تُظهر الإشارة الأولى إشارة “النقيق” النموذجية ، حيث يرتفع التردد كدالة للوقت. تظهر الثلاثة الأخرى أنه بعد الاصطدام (عند t = 0) ينخفض ​​التردد ويرتفع مرة أخرى ، مما ينتج “زقزقة” ثانية. الائتمان: سي إيفانز ، ج.كالديرون بوستيلو

إن موجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام الثقوب السوداء هي إشارات بسيطة جدًا تُعرف باسم “الزقزقة”. عندما يقترب الثقبان الأسودان من بعضهما البعض ، يصدران إشارة بتردد وسعة متزايدة تشير إلى سرعة ونصف قطر المدار. وفقًا للبروفيسور كالديرون بوستيلو ، “تزداد حدة الإشارة واتساعها مع اقتراب الثقبين الأسودين بشكل أسرع وأسرع. بعد الاصطدام ، يُصدر الثقب الأسود المتبقي الأخير إشارة ذات نغمة ثابتة وسعة متحللة – مثل صوت جرس يضرب “. يتوافق هذا المبدأ مع جميع ملاحظات موجات الجاذبية حتى الآن ، عند دراسة التصادم من الأعلى.

ومع ذلك ، وجدت الدراسة أن شيئًا مختلفًا تمامًا يحدث إذا لوحظ التصادم من “خط الاستواء” للثقب الأسود النهائي. يوضح البروفيسور كالديرون بوستيلو: “عندما لاحظنا الثقوب السوداء من خط الاستواء ، وجدنا أن الثقب الأسود الأخير يصدر إشارة أكثر تعقيدًا ، مع نغمة ترتفع وتنخفض عدة مرات قبل أن تموت”. “بعبارة أخرى ، الثقب الأسود يصدر صوتًا عدة مرات.”

تفاصيل عن شكل الثقب الأسود المتبقي بعد اصطدامه بـ “شكل كستنائي”. مناطق انبعاث موجات الجاذبية القوية (باللون الأصفر) بالقرب من أعتابها. يدور هذا الثقب الأسود مما يجعل نقطة الانعطاف لجميع المراقبين من حوله. الائتمان: سي إيفانز ، ج.كالديرون بوستيلو

اكتشف الفريق أن هذا مرتبط بشكل الثقب الأسود النهائي ، والذي يعمل كنوع من منارة موجة الجاذبية: “عندما يكون الثقبان الأسودان الأصليان” الأصليان “بحجمين مختلفين ، يبدو الثقب الأسود النهائي في البداية مثل كستناء ، مع نتوء من جانب وظهر أوسع وأكثر سلاسة من الجانب الآخر ، “يقول بوستيلو. “اتضح أن الثقب الأسود يصدر موجات جاذبية أكثر كثافة من خلال أكثر مناطقه منحنية ، وهي تلك التي تحيط بأتفه. هذا لأن الثقب الأسود الباقي يدور أيضًا ويشير نتوءه وظهره بشكل متكرر إلى جميع المراقبين ، مما ينتج عنه غردات متعددة. “

أشار المؤلف المشارك البروفيسور بابلو لاجونا ، الرئيس السابق لكلية الفيزياء في جامعة جورجيا للتكنولوجيا والأستاذ الحالي بجامعة تكساس في أوستن ، إلى أنه “في حين أن العلاقة بين موجات الجاذبية وسلوك الثقب الأسود النهائي كانت متوقعة منذ زمن ، تقدم دراستنا أول مثال واضح لهذا النوع من العلاقات “.

المرجع: 8 أكتوبر 2020 ، فيزياء الاتصالات.
DOI: 10.1038 / s42005-020-00446-7