اكتشف مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) تصادمًا قويًا بشكل غير عادي بين ثقبين أسودين، مما سمح للفيزيائيين بالتحقق من نظرية مساحة الثقب الأسود التي اقترحها ستيفن هوكينج في عام 1971. وفي العاشر من سبتمبر، نُشرت نتائج الأبحاث ذات الصلة في دورية Physical Review Letters.
رسم تخطيطي لاندماج ثقبين أسودين لتكوين موجات جاذبية تنتقل عبر الكون. مصدر الصورة: ماجي تشيانج لمؤسسة سيمونز
تنص النظرية على أن أفق حدث الثقب الأسود الذي ينشأ عند اندماج ثقبين أسودين، أي أن الحد الذي لا يستطيع حتى الضوء الهروب من سيطرة الثقب الأسود فيه، لا يمكن أن يكون أصغر من مجموع مساحات الثقبين الأسودين الأصليين. هذه النظرية تعكس القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الإنتروبيا، أو الاضطراب داخل الجسم، لا يتناقص أبدًا.
تشوه اندماجات الثقوب السوداء نسيج الكون، مما يخلق تقلبات صغيرة في الزمكان تسمى موجات الجاذبية التي تنتقل عبر الكون بسرعة الضوء. هناك خمسة مراصد لموجات الجاذبية على الأرض تبحث عن موجات أصغر بعشرة آلاف مرة من نوى الذرات. وهي تشمل كاشفي LIGO في الولايات المتحدة، بالإضافة إلى كاشف Virgo الإيطالي، وKAGRA الياباني، وGEO600 الألماني، والذي يتم تشغيله من خلال تعاون دولي يسمى LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).
ويشبه الاصطدام الأخير، المسمى GW250114، تقريبًا الاصطدام الذي أنتج موجات الجاذبية التي تم رصدها لأول مرة في عام 2015. وكانت كتلة كلا الثقبين الأسودين تتراوح بين 30 إلى 40 مرة كتلة الشمس، ووقعا على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية.
هذه المرة، أصبحت كاشفات LIGO المحدثة أكثر حساسية بثلاث مرات مما كانت عليه في عام 2015، لذا يمكنها التقاط الموجات الناتجة عن الاصطدام بتفاصيل غير مسبوقة. وهذا ما سمح للباحثين بحساب وتأكيد أن منطقة أفق الحدث أصبحت أكبر بعد اندماج الثقبين الأسودين، وبالتالي التحقق من نظرية هوكينج.
وقالت لورا نوتال من جامعة بورتسموث في المملكة المتحدة، وعضو فريق LVK، إنه عندما تصطدم الثقوب السوداء، فإنها تنتج موجات جاذبية تشبه الأجراس. في السابق، كانت هذه الدلالات تتبدد بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها بوضوح كافٍ لحساب مساحة أفق الحدث قبل الاصطدام وبعده، وهو أمر مطلوب لاختبار نظرية هوكينج. وقد دعمت دراسة أجريت عام 2021 عن أول تصادم تم اكتشافه النظرية بنسبة ثقة 95%، لكن الدراسة الجديدة زادت تلك الثقة إلى نسبة مقنعة تبلغ 99.999%.
خلال السنوات العشر التي قضاها العلماء في مراقبة موجات الجاذبية، سجلوا حوالي 300 تصادم بين الثقوب السوداء. لكن لم يتم التقاط أي منها بقوة ووضوح مثل GW250114، الذي يبلغ ارتفاعه ضعف موجات الجاذبية الأخرى المكتشفة حتى الآن.
عندما وصلت موجات GW250114 إلى الأرض، كان LIG فقط هو الذي يعمل، وليس أجهزة الكشف الأخرى التي يراقبها تعاون LVK. لا يؤثر هذا على اختبار نظرية هوكينج، لكنه يعني أن الباحثين لا يستطيعون تحديد مكان ظهور هذه الموجات في السماء بشكل أكثر وضوحًا.
وقال إيان هاري، وهو أيضًا من فريق LVK في جامعة بورتسموث، إن التحسينات على LIGO والمراصد الأخرى المخطط لها والتي من المقرر أن تصبح متاحة للاستخدام في المستقبل ستجلب حساسية أكبر، مما يسمح لنا بدراسة فيزياء الثقوب السوداء بعمق أكبر. "قد لا نتمكن من التقاط جميع الإشارات، ولكن سيكون لدينا أحداث مثل هذه مرة أخرى. قد تكون الجولة التالية من التحديثات في عام 2028 وسنرى شيئًا مشابهًا، وربما بحلول ذلك الوقت ستكون الحساسية إلى النقطة التي يمكننا من خلالها التعمق فيها حقًا."
تفتح هذه النتائج آفاقًا جديدة للبحث في الجاذبية الكمية، والتي يأمل الفيزيائيون أن توحد النسبية العامة وفيزياء الكم. وقال نوتال إن النتائج الأخيرة تظهر أن النسبية العامة وميكانيكا الكم تواصلان العمل بشكل جيد معًا، ولكن من المتوقع ظهور بعض الاختلافات في المستقبل.
وقال نوتال: "في مرحلة ما قد نبدأ في رؤية أن الأشياء لا تعمل بشكل جيد معًا، وذلك عندما نحصل على إشارات قريبة جدًا ستظهر بصوت عالٍ للغاية في بياناتنا مع زيادة حساسية الأداة".
كما سمحت أحدث البيانات من LVK للعلماء بتأكيد المعادلة التي اقترحها عالم الرياضيات روي كير في الستينيات، والتي تتنبأ بأن الثقوب السوداء يمكن وصفها بمقياسين فقط: كتلتها ودورانها. في الأساس، هناك ثقبان أسودان لهما نفس الكتلة والدوران متطابقان رياضيًا. "بفضل ملاحظات GW250114، نعلم الآن أن هذا صحيح."
معلومات الورق ذات الصلة: https://doi.org/10.1103/kw5g-d732