اندماج الثقوب السوداء. أظهر علماء الفيزياء الفلكية الرقصة المدارية لزوج من الثقوب السوداء العملاقة

عندما يعبر أي شيء أفق الحدث للثقب الأسود من الخارج، فهو محكوم عليه بالفناء. وفي غضون ثوانٍ، سيصل الجسم إلى نقطة التفرد في مركز الثقب الأسود: نقطة لثقب أسود غير دوار وحلقة لثقب أسود دوار. فالثقب الأسود نفسه لا يتذكر ما هي الجسيمات التي سقطت فيه أو ما هي حالتها الكمية. وبدلاً من ذلك، كل ما سيتبقى، من حيث المعلومات، هو الكتلة الإجمالية للثقب الأسود، وشحنته، وزخمه الزاوي.

وفي المرحلة النهائية قبل الاندماج، سيتم تعطيل الزمكان المحيط بالثقب الأسود مع استمرار سقوط المادة في كلا الثقبين الأسودين من البيئة المحيطة. يجب ألا تفترض أبدًا أن أي شيء يمكنه الهروب من داخل أفق الحدث.

وبالتالي، يمكن للمرء أن يتخيل سيناريو تسقط فيه المادة في ثقب أسود خلال المراحل النهائية من الاندماج، عندما يكون ثقب أسود على وشك الاندماج مع ثقب أسود آخر. نظرًا لأن الثقوب السوداء يجب أن تحتوي دائمًا على أقراص تراكم، وهناك دائمًا مادة تطفو في الوسط البينجمي، فإن الجسيمات ستعبر أفق الحدث باستمرار. كل شيء بسيط هنا، لذلك دعونا نفكر في جسيم دخل أفق الحدث قبل اللحظات الأخيرة من الاندماج.

هل يمكنها الهروب نظريًا؟ هل يستطيع "القفز" من ثقب أسود إلى آخر؟ دعونا نلقي نظرة على الوضع من وجهة نظر الزمكان.

محاكاة حاسوبية لاندماج ثقبين أسودين والانحناءات الزمكانية التي يسببانها. على الرغم من أن موجات الجاذبية تنبعث باستمرار، إلا أن المادة نفسها لا تستطيع الهروب

عندما يندمج ثقبان أسودان، فإنهما يحدثان ذلك بعد فترة طويلة من التصاعد، تنبعث خلالها الطاقة على شكل موجات جاذبية. وحتى اللحظات الأخيرة قبل الاندماج، تنبعث الطاقة وتطير بعيدًا. لكن هذا لا يمكن أن يتسبب في انكماش أفق الحدث أو حتى الثقب الأسود؛ بدلًا من ذلك، تأتي الطاقة من الزمكان الموجود في مركز الكتلة، والذي يصبح مشوهًا أكثر فأكثر. وبهذا النجاح سيكون من الممكن سرقة الطاقة من الكوكب؛ سيبدأ بالدوران بالقرب من الشمس، لكن خصائصه (أو خصائص الشمس) لن تتغير بأي شكل من الأشكال.

ومع ذلك، مع وصول اللحظات الأخيرة من الاندماج، فإن آفاق الحدث للثقبين الأسودين مشوهة بسبب وجود جاذبية بعضهما البعض. ولحسن الحظ، قام النسبيون بالفعل بحساب عددي لكيفية تأثير الاندماجات على آفاق الحدث، وهي مفيدة بشكل مثير للإعجاب.

على الرغم من أن ما يصل إلى 5% من الكتلة الإجمالية للثقوب السوداء قبل الاندماج قد تنبعث على شكل موجات جاذبية، إلا أن أفق الحدث لا ينكمش أبدًا. الشيء المهم هو أنك إذا أخذت ثقبين أسودين متساويين في الكتلة، فإن آفاق الحدث الخاصة بهما ستشغل قدرًا معينًا من المساحة. وإذا تم دمجهما لتكوين ثقب أسود كتلته ضعف الكتلة، فإن حجم الفضاء الذي يشغله الأفق سيكون أربعة أضعاف الحجم الأصلي للثقوب السوداء المدمجة. تتناسب كتلة الثقوب السوداء بشكل مباشر مع نصف قطرها، لكن حجمها يتناسب مع مكعب نصف القطر.

وعلى الرغم من أننا اكتشفنا العديد من الثقوب السوداء، إلا أن نصف قطر كل أفق الحدث يتناسب طرديًا مع كتلة الثقب، وهذا هو الحال دائمًا. ضاعف الكتلة، وضاعف نصف القطر، لكن المساحة ستتضاعف أربع مرات والحجم ثمانية أضعاف

اتضح أنه حتى لو أبقيت جسيمًا بلا حراك قدر الإمكان داخل الثقب الأسود وسقط ببطء قدر الإمكان نحو المتفرد، فلا توجد طريقة له للهروب. يزداد الحجم الإجمالي لآفاق الحدث المدمجة أثناء اندماج الثقب الأسود، وبغض النظر عن مسار الجسيم الذي يعبر أفق الحدث، فإنه محكوم عليه بالابتلاع من خلال التفرد المشترك لكلا الثقبين الأسودين.

في العديد من سيناريوهات الفيزياء الفلكية، تحدث الانبعاثات عندما تتسرب مادة من جسم ما أثناء حدوث كارثة. لكن في حالة اندماج الثقب الأسود، فإن ما بداخله يبقى بالداخل؛ يتم امتصاص معظم ما كان في الخارج، ولا يمكن الهروب إلا القليل مما كان في الخارج. إذا وقعت في ثقب أسود، فأنت محكوم عليك بالهلاك. وثقب أسود آخر لن يغير ميزان القوى.

أكبر خدعة في الإعلان المتوقع عن أول اكتشاف لموجات الجاذبية كانت مسألة ما إذا كان قد تم اكتشاف آثار لها في النطاق الكهرومغناطيسي. وفقًا لنظرية شائعة، فإن انفجارات أشعة جاما هي نتيجة اندماج النجوم النيوترونية والثقوب السوداء. ووفقا للتقارير الأولى، لم يتم العثور على أي آثار لمصدر موجات الجاذبية في الطيف الكهرومغناطيسي. ومع ذلك، ظهرت الآن معلومات تفيد بأن الأمر ليس كذلك. سيرجي بوبوفلقد عثرت بالصدفة على نسخة أولية لمنشور حول تسجيل حدث في أشعة جاما بواسطة مرصد فضائي فيرمي.

وهذا الاكتشاف مهم للغاية من الناحية العلمية. يمكن أن يثبت لأول مرة أن انفجارات أشعة جاما القصيرة هي نتيجة اندماج الثقوب السوداء. يجب أن تكون عمليات الاندماج هذه واحدة من عدة أنواع رئيسية من عمليات دمج الأجسام الفلكية التي تحدث أثناء حدوثها كون. نحن ندرج أنواعها الرئيسية:

1) اندماجات النجوم العادية

حوالي نصف النجوم في مجرتنا هي جزء من أنظمة ثنائية أو أكثر عددًا. بعضها في مدارات قريبة جدًا. عاجلاً أم آجلاً، يجب أن تندمج بعض النجوم في نجم واحد، بسبب الكبح في قذائف بعضها البعض الممتدة. وقد لوحظت بالفعل مثل هذه الأحداث.

2 سبتمبر 2008 في الكوكبة العقربتومض مشرق جديد. حصلت على التعيين برج العقرب الجديد 2008. وصل هذا النجم إلى قوته السابعة وبدا عاديًا في البداية جديد. ولكن بعد ذلك، غيرت دراسة قياس الضوء الأرشيفي رأي العلماء حول هذا النجم بشكل كبير. وبما أن التوهج حدث في الحقول النجمية الكثيفة للمجرة، فقد دخل في مجال رؤية المشروع غمزفي البحث عن أحداث Microlens. ونتيجة لدراسة عدة آلاف من الصور من هذا المشروع، اتضح أن النجم زاد سطوعه ليس بشكل حاد، ولكن بسلاسة، على مدى عدة عشرات من الأيام:

وبشكل عام، تمكنا من رصد التغيرات في سطوع النجم منذ عام 2001:

كشفت دراسة هذه البيانات عن تفاصيل أكثر إثارة للدهشة. وتبين أن النجم يظهر تغيرات دورية في السطوع - بفترة يوم واحد تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك، اتضح أن فترة هذه التذبذبات تناقصت بسرعة مع مرور الوقت:

بعد تفشي المرض، جرت محاولة للعثور على مثل هذه الدورية. وانتهت بالفشل. ولذلك تم التوصل إلى أن السيناريو الواقعي الوحيد لتفسير ما حدث هو الفرضية اندماج نجمتين في نجمة واحدة.

2) اندماج القزم الأبيض

أي نجم يموت عاجلا أم آجلا. إذا كانت كتلته أقل من 1.4 كتلة شمسثم يتحول إلى قزم أبيض خلال مرحلة العملاق الأحمر. يجب أن تشكل هذه النجوم أيضًا أنظمة ثنائية. أولاً، في عام 1967، تم إنشاء أنظمة قريبة مثل صباحا كلاب الصيدحيث لم يكن هناك سوى قزم أبيض واحد. وبعد 20 عامًا، تم اكتشاف قزم أبيض مزدوج بفترة مدارية تبلغ 1.5 يومًا فقط. تدريجيًا، اكتشف علماء الفلك أنظمة مماثلة أقرب بشكل متزايد. وفي عام 1998، تم اكتشاف نظام قزم أبيض ذو فترة مدارية مدتها 39 دقيقة فقط. ومن المتوقع أن تندمج النجوم الموجودة فيه في نجم واحد بعد 37 مليون سنة.

ويدرس العلماء خيارين لعواقب اندماج مثل هذه النجوم. بحسب الأول يظهر نجم عادي، وبحسب الثاني يحدث انفجار المستعر الأعظم من النوع الأول. ولسوء الحظ، ليس من الممكن بعد التحقق من أي من هذه الإصدارات. حتى ألمع المستعرات الأعظمية المرصودة اليوم موجودة في مجرات بعيدة. لذلك، حتى في أفضل الحالات، لا يمكن رؤية سوى نجم مرئي بشكل خافت في موقع المستعرات الأعظم التي انفجرت.

3) اندماج النجوم النيوترونية والثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية

إذا تجاوزت كتلة النجم بشكل كبير عتبة 1.4 كتلة شمس، ثم تنهي حياتها ليس في مرحلة العملاق الأحمر غير المؤذية، ولكن في انفجار سوبر نوفا فائق القوة. إذا لم يتجاوز النجم هذه العتبة بشكل كبير، فسيتم تشكيل نجم نيوتروني - وهو جسم يبلغ حجمه بضعة كيلومترات فقط. إذا تم تجاوز العتبة عدة مرات، يتم تشكيل ثقب أسود - وهو جسم تتجاوز سرعته الكونية الثانية سرعة الضوء.

لقد تنبأ المنظرون بوجود النجوم النيوترونية والثقوب السوداء قبل عقود من اكتشافها. هل يشكلون أنظمة ثنائية؟ من الناحية النظرية، قد يبدو هذا غير مرجح، لأن انفجار المستعر الأعظم يتميز بخسارة كبيرة في الكتلة، وبالتالي، يجب زعزعة استقرار النظام الثنائي. ومع ذلك، بعد 7 سنوات فقط من اكتشاف النجم النابض الأول (النجم النيوتروني)، تم اكتشاف أول نظام نجم نيوتروني ثنائي. تبين أن اكتشافها كان مهمًا جدًا لدرجة أنهم قدموا ذلك جائزة نوبل(تم العثور على انخفاض في فترة النظام، بما يتوافق مع الخسائر الناجمة عن إشعاع الجاذبية). وفي عام 2003، تم اكتشاف أول نجم نابض مزدوج بفترة مدارية قدرها 2.4 ساعة. ومن المتوقع أنه خلال 85 مليون سنة سيندمج النجمان النيوترونيان في نجم واحد.

بالتزامن مع اكتشاف النجوم النابضة الغامضة انفجارات أشعة جاما. في البداية لم يكن من الممكن اكتشافها في نطاقات أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي. هذا لم يسمح لنا حتى بتقدير ترتيب المسافة إليهم. فقط في عام 1997 تم اكتشاف التوهج البصري لانفجار أشعة جاما لأول مرة وقياس انزياحه نحو الأحمر. وتبين أنها ضخمة، أكبر بعدة مرات من المسافة إلى أبعد المستعرات الأعظم. أدى هذا إلى استنتاج حول القوة الهائلة لهذه الانفجارات:

في بداية شهر مايو 1998، وبالتحديد في مساء يوم 6 مايو، تم توزيع بيان صحفي لوكالة ناسا في الولايات المتحدة وعبر القنوات الإلكترونية (الإنترنت)، والذي أفاد عن قياس أجراه فريق من علماء الفلك الأمريكيين والإيطاليين في الساعة 10:00 مساءً. -م التلسكوب. كيك (الولايات المتحدة الأمريكية) انزياح أحمر لمجرة باهتة، يمكن رؤيتها في موقع انفجار أشعة جاما GRB 971214، الذي سجله القمر الصناعي الإيطالي الهولندي BeppoSAX في 12 ديسمبر 1997. ظهرت المعلومات العلمية الرسمية في شكل سلسلة من مقالات في عدد 7 مايو 1998 من مجلة Nature (Kulkarni S.R. et al., Nature, 393, 35; Halpern et al., Nature, 393, 41; Ramaprakash A.N. et al., Nature, 393, 43). تبين أن التحول الأحمر في طيف هذه المجرة كبير للغاية، z=3.418، أي. انبعث الضوء منه في وقت كان عمر الكون فيه 1/7 فقط من قيمته الحديثة (12 مليار سنة). يتم تحديد المسافة الضوئية لهذه المجرة من خلال انزياحها نحو الأحمر وتساوي 10 ^ 28 سم. بعد ذلك، استنادًا إلى إشعاع أشعة جاما المقاس على الأرض من هذا الانفجار (10-5 إرج سم-2 في نطاق الطاقة > 20 كيلو إلكترون فولت)، يمكن استعادة إجمالي إطلاق الطاقة: في نطاق أشعة جاما وحده اتضح أنه لتكون كبيرة بشكل لا يصدق، 10^53 erg. تمثل هذه الطاقة 20% من طاقة الكتلة الباقية للشمس وهي أكبر بـ 50 مرة من كل الطاقة المنبعثة من الشمس خلال فترة وجودها بالكامل. وكل هذا - خلال الثلاثينيات التي استمر فيها انفجار أشعة جاما! ذروة اللمعان (إطلاق الطاقة) لبضعة أجزاء من المئات من الثانية كانت 10^55 إرج/ثانية، وهو ما يتوافق مع اللمعان الكهرومغناطيسي لنصف جميع النجوم في الكون.ظاهرة مذهلة، أليس كذلك؟ ولإثارة اهتمام القارئ بشكل أكبر، قام المؤلفون بتقدير الحد الأقصى لكثافة الطاقة بالقرب من موقع إطلاق الطاقة هذا وإظهار أنها قابلة للمقارنة مع تلك التي حدثت في الكون الساخن 1 ثانية بعد بداية التوسع ("الانفجار الكبير")، خلال عصر التخليق النووي الأولي.

كان الرأي بين المنظرين حول مصادر مثل هذا المصدر القوي للطاقة بالإجماع تقريبًا:

لذا، ومن خلال اتخاذ موقف الطبيعة الكونية لانفجارات أشعة جاما، يلزم وجود تفسير لمثل هذا الإطلاق العالي للطاقة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي، والشكل والسلوك الزمني لأطياف انفجارات أشعة جاما نفسها وX الخاصة بها. -الأشعة، ونظيراتها الضوئية والراديو، وتردد المنشأ، وما إلى ذلك. كما ذكرنا أعلاه، فإن اندماج نجمين مدمجين (النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء) يمثل منافسًا قويًا لمصدر الطاقة من انفجارات أشعة جاما. تفاصيل هذا النموذج غير مفهومة بشكل جيد للغاية بسبب تعقيد العمليات الفيزيائية أثناء مثل هذا الحدث. نكرر، الحجة الرئيسية تتلخص في كفاية الطاقة المنطلقة المحتملة (10^53 إرج)، والتكرار الكافي للأحداث (في المتوسط ​​حوالي 10^-4 - 10^-5 سنويًا لكل مجرة) والمراقبة الفعلية من 4 نجوم نيوترونية مزدوجة على الأقل على شكل نجوم نابضة راديوية مزدوجة، وهو نجم غير مرئي تبلغ كتلته حوالي 1.4 كتلة شمسية (الكتلة النموذجية للنجم النيوتروني) وهو مضغوط للغاية.

لكن حتى اليوم كانت هذه مجرد افتراضات، يكملها اكتشاف بعض العلامات غير المباشرة. كل شيء يتغير مع المنشور الأخير. ويترتب على ذلك أن الجهاز GBM (مراقبة انفجار أشعة جاما)الأقمار الصناعية فيرميوبعد 0.4 ثانية فقط من تسجيل موجة الجاذبية، لوحظ انفجار أشعة جاما ضعيف استمر لثانية واحدة. سقطت الإشارة على نفس منطقة مصدر موجة الجاذبية. علاوة على ذلك، فإن اكتشاف انفجار أشعة جاما يسمح لنا بتضييق مساحة الحدث من 601 إلى 199 درجة مربعة. يبدو الحدث موثوقًا بشكل ثابت ( نسبة الإشارة إلى الضوضاء = 5.1) نظرا لكون منطقة المراقبة بالجهاز جي بي إمتشكل 70% من السماء.

بالطبع، لا يمكنك التأكد بنسبة 100٪ من التفسير الصحيح للحدث. حتى الآن، لا يوجد نظام ثنائي موثوق للثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية معروف. عادة، يتم الكشف عن الأنظمة الثنائية التي تحتوي على ثقوب سوداء بواسطة الأشعة السينية. لوجود مثل هذا الإشعاع، من الضروري أن يكون أحد المشاركين على الأقل في النظام الثنائي نجمًا عاديًا - متبرعًا بالمادة لقرص التراكم.

إن اكتشاف انفجار أشعة جاما ضعيف وقصير من اندماج ثقب أسود يثير العديد من التساؤلات حول أصل هذا الإشعاع الكهرومغناطيسي. وكما هو معروف فإن سرعة الهروب من الثقوب السوداء تتجاوز سرعة الضوء. عدة خيارات ممكنة:

أ) تنتج أشعة جاما عن امتصاص القرص التراكمي للثقوب السوداء أو المادة الموجودة بين النجوم. تشير حقيقة أن انفجارات أشعة جاما ضعيفة إلى أن انفجارات أشعة جاما الساطعة والقصيرة تتولد عن اصطدام النجوم النيوترونية، حيث يوجد المزيد من المادة التي يمكن تحويلها إلى إشعاع جاما.

ب) ينجم الإشعاع عن ظاهرة غير معروفة، والتي مع ذلك تسمح للمادة الموجودة في الثقوب السوداء بالتسارع أثناء عمليات الاندماج إلى سرعات أعلى من سرعة الضوء (أي مغادرة الثقب الأسود). يمكن أن يكون التناظرية لمثل هذا الإشعاع إشعاعًا افتراضيًا هوكينج .

ومن الواضح أن حل هذه المشكلة يمكن أن يؤدي إلى تقدم هائل في الفيزياء. في السنوات المقبلة، يجب أن تزيد أجهزة الكشف عن الجاذبية، مع تحسن حساسيتها، من الدقة الزاوية، وبالتالي تبسيط تحديد مصادر موجات الجاذبية مع الإشعاع الكهرومغناطيسي.

4) اندماج الثقوب السوداء الهائلة

وبما أن معظم المنظرين يعتقدون أنه لا يوجد شيء يمكنه الإفلات من الثقب الأسود (سرعة الهروب تتجاوز سرعة الضوء)، فمن الواضح أن الثقوب السوداء يجب أن تنمو بمرور الوقت. في العناقيد النجمية الكثيفة (مثل العناقيد النجمية الكروية)، من المتوقع أن تنمو إلى عدة آلاف من الكتل شمسوفي المناطق الوسطى من المجرات تصل كتلتها إلى عدة مليارات أو حتى تريليونات من الكتلة شمس.

تم العثور على بعض هذه الثقوب السوداء الهائلة في الأنظمة الثنائية. وقد تم بالفعل اكتشاف مثل هذه الأنظمة. حتى الآن، ليس من المعروف فقط أنظمة مزدوجة، ولكن حتى ثلاثية ورباعية من الثقوب السوداء الهائلة. بعض هذه الأنظمة ضيقة جدًا. لذا، في أحدها، تبلغ الفترة المدارية للثقب الأسود خمس سنوات. ومن المتوقع أن يتم اندماج هذه الثقوب السوداء في أقل من مليون سنة. ومن المفترض أن يؤدي ذلك إلى إطلاق طاقة أعلى بمئة مليون مرة من طاقة المستعر الأعظم العادي.

ستكون مثل هذه الاندماجات أقوى الأحداث في التاريخ كون. ينبغي أن تصبح مصدرا قويا لموجات الجاذبية. من الممكن أن يؤدي أحد هذه الاندماجات في المستقبل البعيد إلى حدوث اندماج جديد .الانفجار العظيموالولادة الكون الجديد. من يدري، على الأقل في الوقت الراهن كونلا يُعرف سوى ظاهرتين تتميزان بالكثافة القصوى للمادة - الثقب الأسودوالأمر من قبل .الانفجار العظيم.

بطبيعة الحال، بالإضافة إلى الحالات العامة، يجب أن تكون هناك أيضًا حالات خاصة للاندماجات الفلكية الكبيرة، على سبيل المثال، سقوط الكواكب على النجوم أو امتصاص النجوم بواسطة ثقوب سوداء فائقة الكتلة.

كما أن مثل هذه الظواهر نادرة جدًا وتحدث على مسافات كبيرة، لذلك لا تزال الكثير من تفاصيلها غير معروفة. معرفة كونتؤدي الإجابة على سؤال واحد دائمًا إلى ظهور عدة أسئلة جديدة.

موسكو، 26 سبتمبر – ريا نوفوستي.اكتشف مرصدا الجاذبية LIGO وVIRGO لأول مرة في وقت واحد موجة من موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج ثقبين أسودين وحددا مصدرها - إحدى المجرات في كوكبة الساعات، حسبما قال المشاركون في تعاونات VIRGO وLIGO، الذين تحدثوا خلال مؤتمر صحفي في الاجتماع الوزاري لمجموعة السبع في تورينو بإيطاليا.

"إن الجمع بين LIGO وVIRGO لم يؤدي فقط إلى زيادة دقة تحديد مصادر موجات الجاذبية بمقدار 20 مرة، ولكنه سمح لنا أيضًا بالبدء في البحث عن آثار الأجسام التي تولد موجات الجاذبية في أنواع أخرى من الإشعاع. اليوم دخلنا حقًا عصر وقال ديفيد شوميكر، قائد تعاون LIGO: "إننا نمتلك علم فلك الجاذبية الكامل".

بحثا عن طيات الزمان والمكان

تم بناء كاشف موجات الجاذبية LIGO في عام 2002 وفقًا للتصميمات والخطط التي طورها كيب ثورن وراينر فايس ورونالد دريفر في أواخر الثمانينيات. في المرحلة الأولى من عمله، التي استمرت 8 سنوات، فشل مرصد LIGO في اكتشاف التذبذبات “الآينشتاينية” للزمكان، وبعد ذلك تم إيقاف تشغيل الكاشف وقضى العلماء السنوات الأربع التالية في تحديثه وزيادة حساسيته.

أتت هذه الجهود بثمارها. في سبتمبر 2015، مباشرة بعد تشغيل مرصد LIGO المحدث، اكتشف العلماء موجة من موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء التي يبلغ إجمالي كتلتها 53 شمسًا. بعد ذلك، اكتشف مرصد LIGO ثلاث دفقات أخرى من موجات الجاذبية، تم الاعتراف رسميًا بواحدة منها فقط من قبل المجتمع العلمي.

لا يعرف العلماء بالضبط أين تقع مصادر موجات الجاذبية هذه - نظرًا لحقيقة أن LIGO لديه كاشفان فقط، فقد تمكنوا فقط من تحديد شريط ضيق إلى حد ما في سماء الليل حيث يمكن تحديد موقع هذه الثقوب السوداء. وفي داخلها، وعلى الرغم من حجمها المتواضع، هناك ملايين المجرات، مما يجعل البحث عن "المنتج النهائي" لهذه الاندماجات ممارسة غير مجدية تقريبًا.

في يونيو من هذا العام، استأنف مرصد الجاذبية VIRGO، "ابن عم LIGO" الأوروبي، عمله بالقرب من مدينة بيزا الإيطالية في عام 2003. تم تعليق VIRGO في عام 2011، وبعد ذلك أجرى الفريق الهندسي للمرصد ترقية كبيرة، مما جعل حساسيته أقرب إلى المستوى الحالي لـ LIGO.

تم الانتهاء من جميع فحوصات كاشفات VIRGO بحلول الأول من أغسطس من هذا العام، وبدأ المرصد الآن عمليات المراقبة المشتركة مع اثنين من كاشفات LIGO. حساسيته أقل قليلاً من حساسية تلسكوب الجاذبية الأمريكي، لكن البيانات التي يتلقاها تسمح لنا بحل مشكلتين علميتين مهمتين - تحسين جودة وموثوقية الإشارة التي يتلقاها مرصد LIGO، وتحديد الموقع "ثلاثي الأبعاد" من مصدر موجات الجاذبية.

التثليث اينشتاين

حقق العلماء نتائجهم الأولى بسرعة غير متوقعة - فقد تمكنوا بالفعل في 14 أغسطس من اكتشاف انفجار GW170814، الذي نشأ في مجرة ​​بعيدة على مسافة 1.8 مليار سنة ضوئية من الأرض. وكما في الحالات الثلاث السابقة، تولد هذه الموجات عن طريق ثقوب سوداء كبيرة بشكل غير عادي، تجاوزت كتلتها الشمس بـ 30.5 و25 مرة. أثناء اندماجهما، "تبخرت" ما يقرب من ثلاث كتل من الشمس، وأنفقت على انبعاث موجات الجاذبية.

إن استخدام ثلاثة أجهزة كشف في وقت واحد سمح للعلماء بزيادة دقة تحديد مصدر موجات الجاذبية بشكل كبير - فالمجرة التي تقع فيها الثقوب السوداء التي ولدتها تقع في منطقة صغيرة من السماء في الكوكبة ساعات في سماء الليل في نصف الكرة الجنوبي للأرض. بالإضافة إلى ذلك، يخطط العلماء لاستخدام هذه البيانات للبحث عن الآثار المحتملة لهذا التفشي في نطاقات الراديو والأشعة السينية.

لم يكن هناك أي ضجة كبيرة في هذه الحالة - يُظهر التحليل الأولي للبيانات التي جمعها مرصد LIGO وVIRGO خلال هذا التوهج أن موجات الجاذبية تتحرك عبر الفضاء وتتصرف تمامًا كما تنبأت نظرية أينشتاين. في المستقبل، عندما تزداد حساسية مرصدي LIGO وVIRGO، يأمل العلماء في العثور على إجابة محددة لهذا السؤال.

وكما أشار شوميكر، تم إيقاف تشغيل أجهزة الكشف في مرصد ليجو في 25 أغسطس من أجل مضاعفة دقتها تقريبًا. وقال إن هذه "الترقية" ستوسع "أفق الرؤية" للمرصد بنحو تسع مرات، وستجعل من الممكن العثور على آثار لاندماج الثقوب السوداء كل أسبوع تقريبًا.

وقد تمت بالفعل ملاحظة اندماج الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية في أربع حلقات. في الأول (والأقوى)، الذي حدث على مسافة 1.3 مليار سنة ضوئية منا، اندمج ثقبان أسودان كتلتهما 36 و29 كتلة شمسية في ثقب أسود واحد كتلته 62 كتلة شمسية. وتحولت في هذا الاندماج 3 كتل من الشمس إلى طاقة موجات الجاذبية. والتي تم تسجيلها باستخدام تلسكوبات الجاذبية الأرضية LIGO.

السؤال الموجود في العنوان مضطر لطرحه لأن هناك رسالة حول اكتشاف مسافة 2.6 مليار سنة ضوئية منا. سنة من وجود نظام يتكون من ثقبين أسودين هائلين تبلغ كتلتهما الإجمالية حوالي 200 مليون كتلة شمسية، ويدوران حول مركز مشترك للكتلة في مدار يبلغ قطره أقل من 0.01 ضوء. من السنة . ومن الواضح أنه في المستقبل المنظور، ينبغي لهذه الثقوب السوداء أن تندمج في ثقب أسود واحد موجة جاذبية فائقة القوةسوف يغسل على الأرض. هل ستسجل تلسكوبات الجاذبية الأرضية (LIGO، وVirgo، وغيرهما) هذه القوة الفائقة للجيغاواط؟

ويبدو أن موجات الجاذبية من الاندماج هائليجب اكتشاف BHs (ملايين الكتل الشمسية) بسهولة بواسطة هذه التلسكوبات. ومع ذلك، فهو ليس كذلك.ولفهم هذا التأثير، تحتاج إلى معرفة معلمة واحدة فقط - اعتماد نصف قطر أفق الحدث للثقب الأسود على كتلة الجسم. يتناسب نصف قطر أفق الحدث (نصف قطر الجاذبية) مع كتلة الجسم. وبالنسبة للشمس تساوي 2.95 كم.

في المثال الوارد في الفقرة الأولى، كان نصف قطر الجاذبية للثقبين الأسودين المندمجين حوالي 105 و85 كيلومترًا، وعندما تلامس نصف قطر الجاذبية أثناء عملية الاندماج، كانت المسافة بين مراكز الكتلة ~ 190 كيلومترًا، وكان وكان محيط المدار المتبادل ~ 1200 كم.

كانت التقلبات في مجال الجاذبية من اندماج BH المذكورة في بداية المنشور عبارة عن قطار من الموجات بتردد من 50 (في بداية القطار) إلى 230 (في نهايته) هرتز. وبذلك انخفض طول هذه الموجات داخل القطار من ~ 6000 كم إلى ~ 1300 كم (تنتشر الجيجاواط بسرعة الضوء). ونرى أن طول الموجة الأخيرة في قطار موجات الجاذبية يساوي تقريبًا محيط مدار الحركة المتبادلة لثقبين أسودين عند لحظة الاتصال بأفق الحدث الخاص بهما.

وهكذا بدأت التلسكوبات الثقالية الأرضية في كشف موجات الجاذبية منذ لحظة اقتراب الثقب الأسود من مسافة 4-5 أضعاف مجموع جرافرادياها وتوقفت عن رصدها لحظة ملامسة جرافراديها، أي في لحظة الثقوب السوداء. اندمجت.

دعونا ننتقل الآن إلى الثقب الأسود المزدوج المذكور أعلاه والذي تبلغ كتلته الإجمالية حوالي 200 مليون كتلة شمسية.

سيكون مجموع جرافاديهم ~ 600 مليون كيلومتر ~ 2000 سيفرت. ثواني ويبلغ طول مدارهما المتبادل المقابل في لحظة التلامس مع Gravradii حوالي 12000 سيفرت. ثواني ولذلك فمن الطبيعي أن نتوقع أن الحد الأقصى لتردد تذبذبات مجال الجاذبية في مثل هذه الموجة سيكون ~ 1/12000 هرتز. ويبلغ طول موجة الجاذبية نفسها ~ 3.8 مليار كيلومتر.

إن تلسكوبات الجاذبية الأرضية المذكورة أعلاه قادرة على قياس الإزاحات النسبية لكتل ​​الاختبار المتباعدة بداخلها بمقدار 4 كيلومترات مع خطأ يقل عن جزء من الألف من حجم البروتون. وقد تم قياس هذه الإزاحات لآلاف الكيلومترات الطويلة. لأنهم "رأوا" تغيرات سريعة إلى حد ما في حجم مجال الجاذبية. ولكن هل ستكون مثل هذه التلسكوبات قادرة على اكتشاف التغيرات الموجية في مجال الجاذبية في موجة يبلغ طولها مليارات الكيلومترات وتستمر لعدة ساعات؟

أنا أشك في ذلك بجدية. ليس بسبب الحساسية غير الكافية لتلسكوبات الجاذبية، بل لأسباب العديد من الأحداث والضوضاء على الأرضلعدة ساعات من مرور موجة واحدة من قطار غير قصير جدًا من موجات الجاذبية. مثل، على سبيل المثال، الزلازل الصغيرة.

خاتمة: لن تتمكن تلسكوبات الجاذبية الأرضية من اكتشاف موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

من الممكن أن التقديرات المذكورة أعلاه والاستنتاجات المبنية عليها لن تقنع الجميع. سأعطيهم تشبيهًا بسيطًا من حياتنا الأرضية.تخيل أنك تجلس على تلة بالقرب من المحيط وتشاهد الأمواج تتطاير فوقه، حتى بارتفاع نصف متر. يمكنك رؤية هذه الموجات بشكل مثالي. هدأت الريح وأصبح سطح المحيط سلسًا. هل لم تعد الأمواج تمر عبره؟ مُطْلَقاً.

تجري بشكل مستمر عبر المحيط موجة مد يبلغ طولها نصف محيط الأرض وارتفاعها عدة أمتار. لكنك لا ترى هذه الموجة كموجة.مع الصبر الواجب، ترى أنه ينحسر ويتدفق مرتين في اليوم. ومن غير المرجح أن تكون قد تخيلت مد وجزر المد والجزر كنوع من ظاهرة الأمواج. سوف ترفض حواسك ببساطة تصديق ذلك. أنا لا أتحدث حتى عن الوضع عندما لا تجلس على الشاطئ، ولكن على سطح السفينة الموجودة في المحيط المفتوح.

وبالمثل، فإن التلسكوبات الجاذبية الأرضية الحالية لن ترصد موجات الجاذبية التي يبلغ طولها مليارات الكيلومترات، والتي تنشأ من اندماج الثقوب السوداء الهائلة في شكل موجات. "أجهزتهم الحسية" ببساطة لن تراهم.

نموذج جديد يجعل العلماء أقرب إلى فهم نوع الإشارات الضوئية التي تنشأ عندما يتجه ثقبان أسودان هائلان (أكبر بملايين إلى مليارات المرات من الشمس) نحو الاصطدام. ولأول مرة، أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية التي تتضمن التأثيرات الفيزيائية لنظرية النسبية العامة لأينشتاين أن الغاز في مثل هذه الأنظمة سوف يتوهج بشكل أساسي في ضوء الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية.

تحتوي كل مجرة ​​تقريبًا بمعالم درب التبانة على ثقب أسود في المركز. وتظهر الملاحظات أن اندماجات المجرات تحدث بشكل متكرر، لكن حتى الآن لم يتمكن أحد من رؤية عملية تصادم الثقوب السوداء العملاقة. ومع ذلك، تمكن العلماء من ملاحظة اندماج ثقوب سوداء ذات كتلة نجمية (من ثلاثة إلى عدة عشرات من الكتل الشمسية) باستخدام LIGO. في هذه الحالة بالذات، تم إنشاء موجات الجاذبية - تموجات في المكان والزمان، تتحرك بسرعة الضوء.

يتألق الغاز بشكل ساطع في عمليات المحاكاة الحاسوبية للثقوب السوداء فائقة الكتلة على بعد 40 مدارًا من الاندماج. ستساعد نماذج كهذه في تحديد الأمثلة الحقيقية لمثل هذه الأنظمة الثنائية.

سيكون تحديد عمليات اندماج الثقوب السوداء فائقة الكتلة أكثر صعوبة. الحقيقة هي أن الأرض نفسها مكان صاخب للغاية. ويهتز بالاهتزازات الزلزالية وتغيرات الجاذبية الناجمة عن الاضطرابات الجوية. ولذلك، يجب أن تكون أجهزة الكشف في الفضاء، كما هو مخطط له مع LISA في ثلاثينيات القرن الحالي.

من المهم أن نلاحظ أن الثنائيات فائقة الكتلة ستختلف عن رفاقها الأصغر في بيئاتها الغنية بالغاز. ويشتبه العلماء في أن انفجار المستعر الأعظم الذي يشكل الثقب الأسود يؤدي أيضًا إلى قذف الكثير من الغاز المحيط به. يتم استهلاك الثقب الأسود بسرعة كبيرة من قبل البقايا بحيث لا يترك الاندماج شيئًا لـ "الغداء" ولا يتم إنتاج أي إشارة ضوئية.

لكن دعونا لا ننسى أن اندماج الثقوب السوداء الهائلة يحدث على خلفية اندماج المجرات، مما يعني أن هناك مرافقة من سحب الغاز والغبار والنجوم والكواكب. على الأرجح، يدفع الاصطدام المجري معظم هذه المواد إلى مكان أقرب إلى الثقوب السوداء، التي تستمر في التغذية. ومع اقترابه، تعمل القوى المغناطيسية والجاذبية على تسخين الغاز المتبقي، مما يسمح لعلماء الفلك بالتقاط الإشارات.

تُظهر المحاكاة الجديدة ثلاثة مدارات لزوج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة على بعد 40 مدارًا من الاندماج. ويمكن ملاحظة أنه في هذه المرحلة من العملية، ينبعث الضوء فقط في ضوء الأشعة فوق البنفسجية باستخدام بعض الأشعة السينية عالية الطاقة.

يضعنا هذا المنظر بزاوية 360 درجة في مركز ثقبين أسودين هائلين يفصل بينهما مسافة 30 مليون كيلومتر مع فترة مدارية مدتها 46 دقيقة. ويمكن رؤية الثقوب السوداء وهي تشوه الخلفية النجمية وتلتقط الضوء. السمة المميزة هي حلقة الفوتون. سيكون للنظام بأكمله مليون كتلة شمسية

تسخن ثلاث مناطق من الغازات الباعثة للضوء مع اندماج الثقوب السوداء. وهذا يشكل حلقة كبيرة حول النظام، بالإضافة إلى حلقتين أصغر حول كل منهما. كل هذه الأجسام تنبعث منها الأشعة فوق البنفسجية في الغالب. وبينما يتدفق الغاز إلى القرص الصغير بسرعة عالية، فإن الضوء فوق البنفسجي المنبعث من القرص يتصل بكل إكليل ثقب أسود (منطقة من الجسيمات دون الذرية عالية الطاقة أعلى وأسفل القرص). عندما يكون معدل التراكم أقل، يخفت ضوء الأشعة فوق البنفسجية بالنسبة للأشعة السينية.

واستنادا إلى عمليات المحاكاة، يتوقع العلماء أن تكون الأشعة السينية الناتجة عن "الاندماج القريب" أكثر سطوعا من تلك الصادرة عن الثقوب السوداء الهائلة. تم استخدام الكمبيوتر العملاق Blue Waters للمحاكاة لمدة 46 يومًا على 9600 نواة حاسوبية. المحاكاة الأولية تقدر درجة حرارة الغاز. يخطط الفريق لتحسين الكود لنمذجة كيفية تغير معلمات النظام مثل درجة الحرارة والمسافة والكتلة الإجمالية ومعدل التراكم. يهتم العلماء بفهم ما يحدث للغاز الذي ينتقل بين ثقبين أسودين.