اندماج الثقب الأسود: الاكتشاف الأول لترددات الرنين المتعددة   

اندماج اثنين الثقوب السوداء له ثلاث مراحل: مراحل الدمج والاندماج والرنين. صفة مميزة موجات الجاذبية تنبعث في كل مرحلة. مرحلة النغمة الأخيرة مختصرة للغاية وتقوم بتشفير المعلومات حول خصائص النهائي الثقب الأسود. إعادة تحليل البيانات من ثنائي الثقب الأسود قدم حدث الاندماج GW190521، لأول مرة، دليلاً على التوابع المميزة للاندماج في شكل ترددين منفصلين خافتين للرنين ينتجهما الصوت المنفرد الناتج. الثقب الأسود حيث استقرت في شكل متماثل مستقر. هذا هو الاكتشاف الأول لترددات موجات الجاذبية المتعددة في مرحلة خفض الرنين. تمامًا مثل "رنين" الجرس لبعض الوقت بعد تعليقه، فإن الأغنية المنفردة الناتجة مشوهة الثقب الأسود تشكلت بعد "حلقات" الاندماج لبعض الوقت ينبعث منها باهتة موجات الجاذبية قبل تحقيق شكل مستقر متماثل. والطريقة التي يحدد بها شكل الجرس الترددات المحددة التي يرن بها الجرس، وبالمثل، وفقًا لنظرية اللاشعر، فإن كتلة ودوران الجرس الثقب الأسود تحديد ترددات Ringdown. ومن ثم فإن هذا التطور يمهد الطريق لاستخدام ترددات الرنين لدراسة خصائص النهائي الثقب الأسود.  

الثقوب السوداء هي أجسام ضخمة ذات مجالات جاذبية قوية للغاية. عندما اثنان تدور حول الثقوب السوداء تلتف حول بعضها البعض وتتجمع في النهاية، في نسيج الفضاء-الأوقات من حولهم مضطربة مما يخلق تموجات موجات الجاذبية يشع إلى الخارج. منذ سبتمبر 2015، عندما بدأ علم فلك موجات الجاذبية باكتشاف مرصد LIGO لأول مرة. موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج اثنين الثقوب السوداء 1.3 مليار سنة ضوئية، تندمج الثقوب السوداء يتم الآن اكتشافها بشكل روتيني مرة واحدة تقريبًا كل أسبوع.   

اندماج الثقوب السوداء لديها ثلاث مراحل. عندما الاثنان الثقوب السوداء يتم فصلها على نطاق واسع، فهي ببطء فلك بعضها البعض ينبعث منها ضعيفة موجات الجاذبية. يتحرك الثنائي تدريجياً إلى أصغر وأصغر مدارات حيث يتم فقدان طاقة النظام على شكل موجات الجاذبية. وهذا هو المرحلة الملهمة من الاندماج. التالي هو مرحلة الاندماج عندما يكون الاثنان الثقوب السوداء اقترب بما يكفي لتتحد لتشكل أغنية فردية الثقب الأسود مع شكل مشوه. تنبعث أقوى موجات الجاذبية (GWs) في هذه المرحلة والتي يتم الآن اكتشافها وتسجيلها بشكل روتيني بواسطة مراصد موجات الجاذبية.  

تتبع مرحلة الاندماج مرحلة قصيرة جدًا تسمى مرحلة النغمة حيث تكون النتيجة واحدة مشوهة الثقب الأسود يحقق بسرعة شكلًا كرويًا أو كرويًا أكثر استقرارًا. موجات الجاذبية تكون الـ GWs المنبعثة في مرحلة الدمج مخمدًا وأكثر خفوتًا من الـ GWs المنبعثة في مرحلة الدمج. تمامًا كما يرن الجرس لبعض الوقت بعد أن يظل عالقًا، فإن الأغنية المنفردة الناتجة الثقب الأسود "حلقات" لبعض الوقت تنبعث منها أكثر خفوتًا موجات الجاذبية قبل تحقيق شكل مستقر متماثل.  

ترددات الرنين المتعددة الخافتة لـ موجات الجاذبية تم إصداره خلال مرحلة Ringdown لدمج اثنين الثقوب السوداء لم يتم اكتشافها حتى الآن.  

نجح فريق بحث مؤخرًا في اكتشاف ترددات موجات الجاذبية المتعددة في مرحلة رنين النظام الثنائي. الثقب الأسود حدث الدمج GW190521. لقد بحثوا عن نغمات الخبو الفردية في ترددات خفض الرنين دون النظر إلى أي علاقة بالترددات وأوقات التخميد ونجحوا في تحديد وضعين يشيران إلى التشوه الناتج الثقب الأسود تنبعث ترددين على الأقل بعد الدمج. وهذا ما تنبأت به نظرية النسبية العامة لأينشتاين وبالتالي فإن النتيجة تؤكد النظرية. علاوة على ذلك، قارن الباحثون الترددات وأوقات التخميد لوضعي خفض الرنين الموجودين في حدث الاندماج لاختبار "نظرية عدم وجود شعر" (التي الثقوب السوداء تتميز تمامًا بالكتلة والدوران ولا حاجة إلى "شعر" آخر لوصف معالمها) ولم تجد شيئًا يتجاوز 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 

***