ادغام سیاه‌چاله‌ها می‌تواند منجر به بروز دنباله‌های قابل‌مشاهده‌ی امواج گرانشی شود
نوشته اینگرید فادلی، Phys.org
سیاه‌چاله‌ها، نواحی‌ای از فضا‑زمان که گرانش به‌قدری قوی است که هیچ‌چیزی نمی‌تواند از آن فرار کند، پدیده‌های کیهانی جذاب و به‌صورت گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. نظریه نسبیت عام انیشتین پیش‌بینی می‌کند که هنگام ادغام دو سیاه‌چاله، آن‌ها امواجی در فضا‑زمان ایجاد می‌کنند که به عنوان امواج گرانشی شناخته می‌شود.
پس از کاهش امواج گرانشی ناشی از ادغام سیاه‌چاله‌ها، ردپای ظریف این امواج می‌تواند باقی بماند که به آن «دنباله‌های امواج گرانشی در زمان‌های پسین» می‌گویند. اگرچه وجود این دنباله‌ها پیش از این به‌صورت گسترده‌ای نظریه‌پردازی شده بود، هنوز به‌طور قطعی تأیید نشده است.
پژوهشگران مؤسسه نیلز‌بور، دانشگاه لیسبون و سایر مؤسسات در سرتاسر جهان به‌تازگی شبیه‌سازی‌های ادغام سیاه‌چاله‌ها را بر پایهٔ معادلات نسبیت عام انیشتین انجام دادند تا وجود دنباله‌های امواج گرانشی در زمان‌های پسین را بیشتر بررسی کنند. شبیه‌سازی‌های آنان که در مقاله‌ای در Physical Review Letters بیان شده است، نشان می‌دهد این دنباله‌ها نه‌تنها وجود دارند، بلکه می‌توانند دامنهٔ بزرگ‌تری نسبت به پیش‌بینی‌های اولیه داشته باشند و بنابراین در آزمایش‌های آینده قابل‌مشاهده خواهند شد.
«هنگامی که یک سیاه‌چالهٔ تغییر شکل یافته—نتیجهٔ یک ادغام—به حالت تعادل باز می‌گردد، ابتدا ترکیبی از فرکانس‌های ارتعاشی تعریف‌شده و گسسته را ساطع می‌کند»، مارینا دی آمیکیس، مؤلف اول مقاله، در گفتگویی با Phys.org گفت. «این مرحله را «حلقه‌زدن» می‌نامیم: سیگنالی که به‌طور معمول در داده‌های واقعی امواج گرانشی مشاهده می‌شود و کلید آزمون نسبیت عام در مقیاس‌های کوچک است. مقالهٔ ما نشان می‌دهد که حلقه‌زدن پایان داستان نیست.»
در اصل، دی آمیکیس و همکارانش نشان دادند که پس از فروکش کردن حلقه‌زدن، فضا و زمان به‌طور جزئی دست‌درازدگی می‌مانند و به‌تدریج به حالت اولیه خود بازمی‌گردند. در این روند، یک صدای نهایی به‌نام «زمزمه» تولید می‌شود که به‌طور گسترده به‌عنوان «دنباله» شناخته می‌شود.
«دنباله‌ها اطلاعات تکمیلی نسبت به حلقه‌زدن ارائه می‌دهند و پنجرهٔ جدیدی برای مطالعهٔ ساختار بزرگ‌مقیاس مناطق کیهانی که حاوی سیاه‌چاله هستند، می‌گشایند»، دی آمیکیس گفت.
شبیه‌سازی عددی ادغام سیاه‌چاله‌ها
مطالعات قبلی وجود دنباله‌های امواج گرانشی را در شرایط بسیار ساده پیش‌بینی کرده بودند. به‌عنوان مثال، چارچوبی به نام نظریهٔ اختلالات پیش‌بینی کرد که دنباله‌ها به شکل امواج کوچک اطراف سیاه‌چاله‌های بسیار بزرگ ظاهر می‌شوند.
«در گذشته برخی از ما نشان دادیم که هنگامی که این امواج توسط یک جسم کوچک به‌صورت شعاعی به داخل یک سیاه‌چاله سقوط می‌کند، دنباله به‌طرز چشمگیری تقویت می‌شود»، دی آمیکیس گفت. «اما نسبیت عام انیشتین بسیار غنی‌تر از تنظیمات ساده‌ای است که پیش‌تر بررسی شده بود. هدف مطالعهٔ جدید ما این است که پیش‌بینی‌های نسبیت عام انیشتین را در تمام پیچیدگی‌های خود، برای سیاه‌چاله‌های ادغام‌شدهٔ واقعی در جهانمان درک کنیم.»
هدف اصلی این مطالعهٔ اخیر تعیین این بود که آیا دنباله‌های مشابه در سیاه‌چاله‌های در حال ادغام نیز وجود دارند و اگر دارند، آیا رفتارشان مشابه پیش‌بینی‌های نظریهٔ اختلالات است یا نه. برای این منظور، آن‌ها شبیه‌سازی‌های نسبیت عددی انجام دادند؛ شبیه‌سازی‌های محاسباتی که معادلات نسبیت انیشتین را حل می‌کنند.
«دو چالش اصلی در «مشاهده» دنباله‌ها در شبیه‌سازی‌های نسبیت عددی وجود دارد»، دی آمیکیس توضیح داد. «اولین این است که دنباله‌ها عموماً ضعیف‌اند و فقط زمانی ظاهر می‌شوند که شبیه‌سازی‌ها پیشاپیش تحت تأثیر نویز عددی قرار گرفته‌اند. برای غلبه بر این مسئله، ما به‌پیکربندی‌های اولیه‌ای تمرکز کردیم که به‌طور طبیعی دنباله را تقویت می‌کنند—به‌ویژه برخوردهای سر‑به‌سر.»
چالش دوم که هنگام تلاش برای شبیه‌سازی دنباله‌ها با روش‌های نسبیت عددی پیش می‌آید، به ماهیت ذاتی این سیگنال‌های ملایم ماندگار مربوط می‌شود. به‌طور خاص، دنباله‌ها ارتباط عمیقی با منطقهٔ وسیعی اطراف سیاه‌چاله‌ها دارند، اما شبیه‌سازی‌های عددی تنها بخشی محدود از فضا را پوشش می‌دهند و در نتیجه بخش عظیمی از جهان شبیه‌سازی‌شده را قطع می‌کنند.
«این برش دنباله را تغییر می‌دهد و می‌تواند اشیایی ایجاد کند که سیگنال را مخفی یا حتی به‌طور کامل خنثی می‌کند»، دی آمیکیس گفت. «ما توانستیم پوشش فضایی شبیه‌سازی‌های خود را گسترش دهیم تا بتوانیم دنباله را به‌دقت در بازهٔ زمانی مرتبط با مشاهدات واقعی ثبت کنیم.»
برخی ادغام‌ها می‌توانند دنباله‌های گرانشی را تقویت کنند
با استفاده از این روش، پژوهشگران توانستند ادغام سیاه‌چاله‌ها را با دقت بالا شبیه‌سازی کنند. این امر به آن‌ها امکان کشف پیش‌بینی جدیدی از نظریهٔ نسبیت عام انیشتین را داد که می‌تواند در آزمایش‌های آینده با استفاده از آشکارسازهای امواج گرانشی تست شود.
«جالب‌تر از همه این است که این سیگنال جدید—اگرچه شباهت به آنچه توسط نظریهٔ اختلالات پیش‌بینی می‌شد—دارای اثراتی از توانایی گرانش برای تعامل با خود است، ویژگی‌ای که به‌نام غیرخطی بودن شناخته می‌شود», دی آمیکیس گفت.
«گرانش نیرویی ضعیف است و بررسی طبیعت غیرخطی آن به‌طور معروف دشوار است. نکتهٔ چشمگیر این است که ما نه‌تنها روش جدیدی برای مطالعهٔ این جنبه از گرانش پیدا کردیم، بلکه آن را در زمان‌های پسین—خیلی پس از خود ادغام دو‌جفتی—کشف کردیم، زمانی که تصور می‌شد اثرات غیرخطی از بین رفته‌اند.»
این کار اخیر می‌تواند پیامدهای مهمی برای تحقیقات آینده داشته باشد. در واقع، شبیه‌سازی‌های تیم نشان می‌دهد که اثرات غیرخطی می‌توانند نه‌تنها در مرحلهٔ کوتاه ادغام دو سیاه‌چاله جستجو شوند، بلکه پس از ادغام‌ها برای مدت زمان بسیار طولانی‌تری مورد بررسی قرار گیرند.
«مایلیم محتوای غیرخطی دنبالهٔ زمان‌پسین را درک کنیم تا ببینیم این بخش از سیگنال چه اطلاعاتی دربارهٔ نسبیت عام و ساختار جهانمان می‌تواند افشا کند», دی آمیکیس افزود.
«به همان اندازه مهم است که برنامه داریم زیرساخت‌های مشاهده‌ای را ارزیابی کنیم که در آن سیگنال‌های دنباله با آشکارسازهای گرانشی کنونی و آینده قابل شناسایی باشند، و به‌دقت ویژگی‌های جهان را که این تشخیص‌ها می‌توانند به کشف آن‌ها کمک کنند، شناسایی کنیم.»
اطلاعات بیشتر: مارینا دی آمیکیس و همکاران، Late‑Time Tails in Nonlinear Evolutions of Merging Black Holes, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/2brx‑xnyr.
اطلاعات مجله: Physical Review Letters