برای نخستین بار، دانشمندان توانستهاند نه تنها سرعت بلکه جهت حرکت بازتابی (recoil) یک سیاهچاله تازهتشکیلشده را از ترکیب امواج گرانشی بازسازی کنند. به گفته مجله علمی نیچر، این اندازهگیری از رویداد امواج گرانشی GW190412 بهدست آمده و نشان میدهد که عدم تقارن در برخورد دو سیاهچاله، جسم نهایی را با سرعتی بیش از 50 کیلومتر بر ثانیه (حدود 31 مایل بر ثانیه) به فضا پرتاب کرده است. چنین مشاهداتی ابزاری تازه برای درک فرایندهای ادغام سیاهچالهها و پیامدهای آن در سطوح کیهانی فراهم میآورند.
پیشزمینه علمی: امواج گرانشی و «صدای» ادغامها
امواج گرانشی اختلالاتی در تار و پود فضا-زماناند که وقتی دو جرم عظیم مانند سیاهچالهها بهسوی هم میچرخند، ایجاد میشوند. میتوان این امواج را همچون حلقههای آب در یک برکه تصور کرد؛ وقتی دو سنگ (سیاهچالهها) در آب میافتند، الگوهای تداخلِ امواج اطلاعاتی دربارهٔ جرم، چرخش و هندسهٔ برخورد به ما میدهند. ادغام پایانی معمولاً بهصورت یک «زنگ» قابل تشخیص در آشکارسازهایی مانند LIGO، Virgo و KAGRA ظاهر میشود و اطلاعات دقیقتری از خواص پیشین و پسین سیستم فراهم میسازد.
با تحلیل دقیق شکل موجها، پژوهشگران قادرند جرم و اندازهٔ چرخش هر یک از سیاهچالههای شرکتکننده و همچنین جرم جسم نهاییِ حاصل از ادغام را تعیین کنند. «ادغامهای سیاهچاله را میتوان بهمثابهٔ جمعِ چندین سیگنال در هم دید؛ مانند ارکستری که هر ساز سهمی در قطعهٔ کلی دارد، و ناظران در نقاط مختلف ترکیب متفاوتی از سازها را ثبت میکنند»، میگوید خوان کالدرون-بوستیلو از دانشگاه سانتیاگو د کامپوستلا.
روش اندازهگیریِ ضربهٔ تولد و رویداد GW190412
در سال 2018، کالدرون-بوستیلو و همکارانش روش نظریای برای اندازهگیری «ناتال کیک» یا ضربهٔ تولدی که در نتیجهٔ ادغام از طریق امواج گرانشی منتقل میشود، پیشنهاد دادند. این روش مبتنی بر ترکیب جرمها و بردارهای چرخش (spin) اجزای اولیه است و نیازمند رخدادی با عدم تقارن واضح بود.
در آوریل 2019، همکاری LIGO–Virgo رویدادی را گزارش کرد که شرایط لازم را داشت: دو سیاهچاله با جرمهای بسیار نامتوازن. یکی از آنها حدود 29.7 برابر جرم خورشید و دیگری تنها 8.4 جرم خورشیدی بود. جرم نهایی نسبتاً کمتر از برخی ادغامهای پرجرمتر باعث شد سیگنال طولانیتری ثبت شود و دادههای بیشتری برای تحلیل فراهم گردد. با بهکارگیری روش تحلیل، تیم توانست زاویه و سرعت خروج جسمِ بازمانده را استخراج کند؛ سرعتی که به اندازهای زیاد است که میتواند سیاهچالهٔ تازهتشکیلشده را از یک خوشهٔ کروی (globular cluster) بیرون بیندازد.
البته تعیین محل دقیقِ ادغام در فاصلهٔ بسیار دور حدود 2.4 میلیارد سال نوری از ما ممکن نیست؛ بههمینخاطر نمیتوان با اطمینان گفت که این ادغام واقعاً در داخل یک خوشهٔ کروی رخ داده است. اما اگر چنین بوده باشد، احتمالاً امروز آن سیاهچاله در حال خروج از خوشه است.
جزییات فنی: عامل عدم تقارن و نقش حالات موجی
کلید اندازهگیریِ جهت و اندازهٔ ضربه، آشکارسازی حالتهای چندگانهٔ موج گرانشی است که از ادغام منتشر میشوند. عدم تقارن در جرم و جهت چرخش باعث میشود برخی حالتها تقویت شوند و در نتیجه نیروی خالصی به جسم نهایی وارد آید که آن را «به عقب میزند». تحلیل این حالتها و مقایسهٔ دریافتها در شبکهٔ آشکارسازها امکان بازسازی حرکت سهبعدی را فراهم میکند.
پیامدها و کاربردهای آینده
قابلیت اندازهگیری جهت و سرعت ضربهٔ تولد مزایای علمی چندگانه دارد. نخست، فهم اینکه سیاهچالههای تازهتشکیلشده از خوشهها یا کهکشانها فرار میکنند یا میمانند به مدلهای تکاملی سیاهچالهها و توزیع آنها در عالم کمک میکند. دوم، در محیطهای چگال مانند هستهٔ فعال کهکشانی (AGN) حرکت یک سیاهچالهٔ بازمانده میتواند موجب برهمکنش با گاز و گردوغبار شود و فورانهای الکترومغناطیسی (flare) تولید کند. همانگونه که سامسون لیونگ از دانشگاه چینی هنگکنگ میگوید، «قابلیت تشخیص جهتِ حرکت به ما امکان میدهد که میان یک جفت سیگنالِ همزمانِ امواج گرانشی و الکترومغناطیسی، تمایز واقعی و تصادفی را مشخص کنیم».
این روش همچنین میتواند به شناسایی محیطهای پرجمعیت و مسیرهای تکاملی مختلف که منجر به ادغام میشوند کمک کند و در نهایت برای برنامهریزی رصدهای پیوستهٔ چندپیامی (multi-messenger astronomy) اهمیت دارد.
نتیجهگیری
اندازهگیریِ جهت و سرعت ضربهٔ حاصل از ادغام سیاهچالهها با استفاده از امواج گرانشی، پنجرهٔ نوینی را به سوی درک فرایندهای پرانرژی کیهانی گشوده است. رویداد GW190412 نمونهای از نحوهٔ کاربرد دقیق تحلیل موجها برای استخراج اطلاعات سهبعدی حرکت اجسام دوردست است. با توسعهٔ آشکارسازها و تحلیلهای چندحالته، انتظار میرود که در آیندهی نزدیک، نقش امواج گرانشی در اخترفیزیک و اخترشناسیِ چندپیامی بیش از پیش برجسته شود.
