اندماج الثقب الأسود: الاكتشاف الأول لترددات الرنين المتعددة   

تتألف عملية اندماج ثقبين أسودين من ثلاث مراحل: الاقتراب الحلزوني، والاندماج، والتلاشي. وتُصدر موجات جاذبية مميزة في كل مرحلة. وتكون مرحلة التلاشي الأخيرة قصيرة جدًا، وتحمل معلومات حول خصائص الثقب الأسود الناتج . وقد وفرت إعادة تحليل بيانات حدث اندماج الثقبين الأسودين الثنائيين GW190521، ولأول مرة، دليلًا على وجود ارتدادات مميزة للاندماج في شكل ترددين خافتين منفصلين للتلاشي، صادرين عن الثقب الأسود الناتج أثناء استقراره إلى شكل متناظر مستقر. وهذا هو أول رصد لترددات متعددة لموجات الجاذبية في مرحلة التلاشي. وكما يرن الجرس لفترة بعد أن يعلق، فإن الثقب الأسود المشوه الناتج بعد الاندماج "يرن" لفترة، مُصدرًا موجات جاذبية خافتة قبل أن يصل إلى شكله المتناظر المستقر. وكما يُحدد شكل الجرس الترددات المحددة التي يرن بها، كذلك، وفقًا لنظرية انعدام الشعر، تُحدد كتلة الثقب الأسود ودورانه ترددات الرنين. ومن ثم، يُمهد هذا التطور الطريق لاستخدام ترددات الرنين لدراسة خصائص الثقب الأسود النهائي.

الثقوب السوداء أجسام ضخمة ذات مجالات جاذبية فائقة القوة. عندما يدور ثقبان أسودان حول بعضهما البعض حلزونيًا ثم يندمجان، يضطرب نسيج الزمكان المحيط بهما، مما يُحدث تموجات من موجات الجاذبية تنتشر إلى الخارج. منذ سبتمبر 2015، حين بدأ علم فلك موجات الجاذبية برصد مرصد ليغو لأول مرة لموجات جاذبية ناتجة عن اندماج ثقبين أسودين على بُعد 1.3 مليار سنة ضوئية، أصبح اندماج الثقوب السوداء يُرصد بشكل روتيني مرة واحدة تقريبًا كل أسبوع.

تتألف عملية اندماج الثقوب السوداء من ثلاث مراحل. عندما يكون الثقبان الأسودان متباعدين، يدوران ببطء حول بعضهما البعض، مُصدرين موجات جاذبية ضعيفة. ثم ينتقل النظام الثنائي تدريجيًا إلى مدارات أصغر فأصغر مع فقدان طاقة النظام على شكل موجات جاذبية . هذه هي المرحلة الحلزونية للاندماج. تليها مرحلة الاندماج ، حيث يقترب الثقبان الأسودان بما يكفي للاندماج وتكوين ثقب أسود واحد ذي شكل مشوه. في هذه المرحلة، تُصدر أقوى موجات الجاذبية، والتي يتم رصدها وتسجيلها بشكل روتيني بواسطة مراصد موجات الجاذبية.

تلي مرحلة الاندماج مرحلة قصيرة جدًا تُسمى مرحلة التباطؤ ، حيث يكتسب الثقب الأسود المشوه الناتج شكلًا كرويًا أو بيضاويًا أكثر استقرارًا بسرعة. وتكون موجات الجاذبية المنبعثة في مرحلة التباطؤ خافتة وضعيفة جدًا مقارنةً بموجات الجاذبية المنبعثة في مرحلة الاندماج. وكما يرن الجرس لفترة بعد أن يعلق، فإن الثقب الأسود الناتج يرن لفترة، مُصدرًا موجات جاذبية أضعف بكثير قبل أن يكتسب شكلًا متناظرًا مستقرًا.

لم يتم رصد ترددات الرنين المتعددة الخافتة للموجات الثقالية المنبعثة خلال مرحلة الرنين لاندماج ثقبين أسودين حتى الآن.

نجح فريق بحثي مؤخرًا في رصد ترددات متعددة لموجات الجاذبية خلال مرحلة اضمحلال رنين حدث اندماج ثقبين أسودين ثنائيين GW190521. وقد بحثوا عن نغمات متلاشية منفردة ضمن ترددات الاضمحلال دون الأخذ في الاعتبار أي علاقة بين الترددات وأزمنة التخميد، ونجحوا في تحديد نمطين، مما يشير إلى أن الثقب الأسود المشوه الناتج قد أصدر ترددين على الأقل بعد الاندماج. وقد تنبأت نظرية النسبية العامة لأينشتاين بهذا، وبالتالي تؤكد النتيجة صحة النظرية. علاوة على ذلك، قارن الباحثون ترددات وأزمنة التخميد لنمطي الاضمحلال اللذين تم رصدهما في حدث الاندماج لاختبار "نظرية انعدام الشعر" (التي تنص على أن الثقوب السوداء تتميز تمامًا بكتلتها ودورانها، ولا حاجة لأي "شعر" آخر لوصف خصائصها)، ولم يجدوا أي شيء يتجاوز نظرية النسبية العامة.

يعد هذا علامة فارقة لأنه كان يُعتقد على نطاق واسع أن مراقبة ترددات الرنين المتعددة لن تكون ممكنة قبل أن يصبح الجيل التالي من كاشفات موجات الجاذبية متاحًا في المستقبل.  

 *** 
 

مصادر:   

1. كابانو، سي دي وآخرون. 2023. طيف شبه طبيعي متعدد الأوضاع من ثقب أسود مضطرب. رسائل المراجعة البدنية. المجلد. 131، العدد 22. 1 ديسمبر 2023. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.221402  
2. معهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية (معهد ألبرت أينشتاين)، 2023. الأخبار – لمن يرن الثقب الأسود. متواجد في https://www.aei.mpg.de/749477/for-whom-the-black-hole-rings?c=26160 

***