روشنیترین امواج گرانشی دادهشده از برخورد دو سیاهچاله، نظریه ۵۰ ساله هاوکینگ را تأیید نمودند
با استفاده از پیشرفتهای چشمگیر در زمینهی شناسایی امواج گرانشی، اخترشناسان موفق به کشف امواج ناشی از یک برخورد سیاهچالهای بینهایت قدرتمند شدند که با سرعت نور از زمین عبور کردند. این پیشرفت به آنها این امکان را داد تا نظریه ۵۰ سالهی استیون هاوکینگ در مورد ادغام سیاهچالهها را به طور مؤثری مورد بررسی و آزمایش قرار دهند.
در سال ۱۹۷۱، هاوکینگ قضیهای را در مورد مساحت سیاهچالهها مطرح کرد که بیان میدارد وقتی دو سیاهچاله به هم میپیوندند، افق رویداد سیاهچالهی جدید حاصل (مرزی که حتی نور هم نمیتواند از آن فرار کند) نمیتواند مساحتی کمتر از مجموع دو سیاهچالهی ابتدایی داشته باشد. این نظریه نشانگر مفهوم قانون دوم ترمودینامیک است که به ما میگوید آنتروپی یا بینظمی درون یک سیستم هرگز کاهش نمییابد.
ادغام سیاهچالهها باعث انحراف بافت فضا-زمان میشود و نوساناتی را به وجود میآورد که به نام «امواج گرانشی» شناخته میشوند و میتوانند با سرعت نور در سراسر کیهان حرکت کنند. پنج رصدخانه امواج گرانشی در سطح زمین به دنبال دریافت امواجی هستند که اندازهای ۱۰هزار برابر کوچکتر از هستهی اتم دارند. این مراکز شامل دو دستگاه لایگو در ایالات متحده، دستگاه ویرگو در ایتالیا، کارگا در ژاپن و GEO600 در آلمان میباشند. این رصدخانهها تحت نظارت یک گروه بینالمللی به نام LVK فعالیت میکنند.
برخورد اخیر سیاهچالهای که به نام GW250114 شناخته میشود، مشابه برخوردی است که منجر به مشاهدهی نخستین امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵ شده بود. هر دو حادثه شامل سیاهچالههایی با جرمی بین ۳۰ تا ۴۰ برابر جرم خورشید ما بودند و در فاصلهای معادل با ۱٫۳ میلیارد سال نوری رخ دادند.
در این مرتبه، آشکارسازهای بهروزرسانی شدهی رصدخانه موج گرانشی با فناوری تداخلسنج لیزری (لایگو) به سه برابر حساسیت بیشتری نسبت به سال ۲۰۱۵ دست یافتند؛ بنابراین موفق به ثبت امواج ناشی از برخورد با جزییات بینظیری شدند. این موفقیت به محققان اجازه داد تا با محاسبهی مساحت افق رویداد پس از ادغام، نظریه های هاوکینگ را تأیید کنند.
لورا ناتال، پژوهشگر دانشگاه پورتسموث و یکی از اعضای تیم LVK، گفت: «زمانی که سیاهچالهها با یکدیگر برخورد میکنند، امواج گرانشی ایجاد میشود که همانند صدای زنگ، شامل صداهای فرعی یا هارمونیکهای متعددی هستند.» پیش از این، این هارمونیکها به سرعت محو میشدند و به دلیل وضوح ناکافی، قادر به شناسایی آنها برای محاسبهی مساحت افق رویدادها قبل و بعد از برخورد نبودیم، که این امر برای آزمایش نظریه هاوکینگ ضروری بود. یک مطالعه در سال ۲۰۲۱ به بررسی نخستین برخورد شناساییشده پرداخت و این نظریه را با اطمینان ۹۵ درصد تأیید نمود؛ اما پژوهش جدید این سطح اطمینان را به ۹۹٫۹۹۹ درصد افزایش داده است.
بیشتر بخوانید
در یک دههای که دانشمندان موفق به شناسایی امواج گرانشی شدهاند، حدود ۳۰۰ برخورد سیاهچالهای به ثبت رسیده است؛ ولی هیچیک به اندازهی GW250114، که دو برابر توانمندتر از هر موج گرانشی دیگری است، با وضوح و قدرت بالایی ثبت نگردیده بود.
در زمان رسیدن امواج گرانشی GW250114 به زمین، از میان آشکارسازهای پروژهی LVK، فقط رصدخانهی لایگو فعال بود. این وضعیت بر آزمایش نظریهی هاوکینگ تأثیری نداشت؛ ولی باعث شد تا پژوهشگران نتوانند منبع دقیق امواج را بهطور روشنی در آسمان شناسایی کنند.
ایان هری، پژوهشگر دانشگاه پورتسموث و یکی از اعضای تیم LVK، اظهار میدارد: «بهروزرسانیهای لایگو و دیگر رصدخانههای که در آینده مدنظر داریم، حساسیت بیشتری خواهند داشت و به ما این امکان را میدهند که عمیقتر به دنیای فیزیک سیاهچالهها بپردازیم. ممکن است همه برخوردها را نتوانیم ثبت کنیم؛ اما شاهد رویدادی مشابه این خواهیم بود.» هری افزود: «با مجموعه بهروزرسانیهای بعدی، شاید در سال ۲۰۲۸، چیزی مشابه این مشاهده کنیم و احتمالاً آن زمان حساسیت به حدی خواهد رسید که بتوانیم واقعیات را دقیقتر بررسی کنیم.»
یافتههای اخیر همچنین مسیر را برای تحقیقات نوین در زمینهی گرانش کوانتومی هموار میکند؛ نظریهای که فیزیکدانان بهدنبال آن هستند تا با اتکا به آن، نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را به یکدیگر متصل کنند. ناتال خاطرنشان میکند که نتایج پیشین نشان میدهد که نسبیت عام و مکانیک کوانتوم همچنان به خوبی در کنار یکدیگر عمل میکنند؛ اما در آینده برخی تضادها ممکن است نمایان شوند.
دادههای اخیر LVK به پژوهشگران این امکان را داد تا معادلاتی که توسط روی کر، ریاضیدان نیوزیلندی در دههی ۱۹۶۰ ارائه شده بود، مورد تأیید قرار دهند. این معادلات نشان میدهند که سیاهچالهها را تنها با دو ویژگی میتوان توصیف کرد: جرم و چرخش آنها. به بیان دیگر، دو سیاهچاله که از نظر جرم و چرخش مشابه باشند، به لحاظ ریاضی یکسان محسوب میشوند. اکنون به مدد مشاهدات GW250114، از صحت این ادعا مطمئن هستیم.
