ادغام سیاه‌چاله: اولین تشخیص فرکانس‌های چرخشی متعدد   

ادغام دو سیاه چاله ها دارای سه مرحله است: مراحل الهام بخش، ادغام و ringdown. مشخصه امواج گرانشی در هر فاز منتشر می شوند. آخرین مرحله ringdown بسیار مختصر است و اطلاعات مربوط به ویژگی های نهایی را رمزگذاری می کند سیاه چاله. تجزیه و تحلیل مجدد داده ها از باینری سیاه چاله رویداد ادغام GW190521، برای اولین بار، شواهدی از پس لرزه های ادغام را در قالب دو فرکانس ringdown ضعیف مجزا ارائه کرده است که توسط منفرد حاصل ایجاد شده است. سیاه چاله همانطور که به یک فرم متقارن پایدار نشست. این اولین تشخیص فرکانس های امواج گرانشی متعدد در مرحله ringdown است. درست مانند زنگی که برای مدتی پس از گیر افتادن به صدا در می‌آید، تکی حاصل تحریف می‌شود سیاه چاله پس از ادغام "حلقه ها" برای مدتی شکل می گیرد که کم نور منتشر می کند امواج گرانشی قبل از دستیابی به فرم پایدار متقارن. و فقط شکل زنگ، فرکانس‌های خاصی را که زنگ با آن به صدا در می‌آید، به طور مشابه، طبق قضیه بدون مو، جرم و چرخش زنگ تعیین می‌کند. سیاه چاله تعیین فرکانس های ringdown از این رو، این توسعه راه را برای استفاده از فرکانس های ringdown برای مطالعه خواص نهایی هموار می کند سیاه چاله.  

سیاه چاله ها اجرام عظیمی با میدان گرانشی بسیار قوی هستند. وقتی دو در حال چرخش سیاه چاله ها مارپیچ به دور یکدیگر و در نهایت ادغام، پارچه از فضا-زمان‌های اطراف آنها مختل می‌شود که موج‌هایی از آن ایجاد می‌کند امواج گرانشی تابش به بیرون از سپتامبر 2015، زمانی که نجوم امواج گرانشی با اولین کشف LIGO آغاز شد. امواج گرانشی ایجاد شده از ادغام دو سیاه چاله ها 1.3 میلیارد سال نوری از ما، ادغام سیاه چاله ها اکنون تقریباً هر هفته یک بار شناسایی می شوند.   

ادغام سیاه چاله ها دارای سه فاز وقتی آن دو سیاه چاله ها به طور گسترده ای از هم جدا می شوند، آنها به آرامی مدار یکدیگر ضعیف منتشر می کنند امواج گرانشی. باینری به تدریج به سمت کوچکتر و کوچکتر حرکت می کند مدار همانطور که انرژی سیستم به شکل از بین می رود امواج گرانشی. این هست فاز الهام بخش از ادغام بعدی این است مرحله ادغام وقتی آن دو سیاه چاله ها آنقدر نزدیک شوید که با هم ادغام شوند و یک واحد تشکیل دهند سیاه چاله با شکل مخدوش قوی ترین امواج گرانشی (GWs) در این مرحله ساطع می شوند که اکنون به طور معمول توسط رصدخانه های امواج گرانشی شناسایی و ثبت می شوند.  

مرحله ادغام یک مرحله بسیار کوتاه به نام مرحله ringdown که در آن منفرد منحرف شده است سیاه چاله به سرعت به شکل کروی یا کروی پایدارتر می رسد. امواج گرانشی ساطع شده در فاز ringdown میرا شده و بسیار کم نورتر از GWهای آزاد شده در فاز ادغام هستند. همانطور که یک زنگ برای مدتی پس از گیر افتادن به صدا در می آید، تکی حاصل می شود سیاه چاله "حلقه ها" برای مدتی بسیار ضعیف تر ساطع می کنند امواج گرانشی قبل از دستیابی به فرم پایدار متقارن.  

فرکانس های ringdown چندگانه ضعیف از امواج گرانشی در طول فاز ringdown ادغام دو منتشر شد سیاه چاله ها تا کنون شناسایی نشده بودند.  

یک تیم تحقیقاتی اخیراً در تشخیص فرکانس‌های امواج گرانشی متعدد در مرحله ringdown باینری موفق بوده‌اند. سیاه چاله رویداد ادغام GW190521. آن‌ها بدون در نظر گرفتن هیچ ارتباطی با فرکانس‌ها و زمان‌های میرایی، به دنبال تن‌های محو شدن منفرد در فرکانس‌های ringdown شدند و در شناسایی دو حالت که دلالت بر تغییر شکل حاصل می‌کنند موفق بودند. سیاه چاله حداقل دو فرکانس پس از ادغام منتشر می شود. این امر توسط نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده بود، بنابراین نتیجه این نظریه را تأیید می‌کند. علاوه بر این، محققان فرکانس‌ها و زمان‌های میرایی دو حالت ringdown یافت شده در رویداد ادغام را برای آزمایش «قضیه بدون مو» مقایسه کردند (که سیاه چاله ها به طور کامل با جرم و چرخش مشخص می شوند و هیچ "مویی" دیگری برای توصیف ویژگی های آن مورد نیاز نیست) و چیزی فراتر از نسبیت عام پیدا نکردند.  

این یک نقطه عطف است زیرا به طور گسترده تصور می شد که مشاهده فرکانس های چرخشی متعدد قبل از در دسترس قرار گرفتن آشکارسازهای موج گرانشی نسل بعدی در آینده امکان پذیر نخواهد بود.  

 *** 
 

منابع:   

1. کاپانو، سی دی و همکاران. 2023. طیف شبه طبیعی چند حالته از سیاهچاله آشفته. نامه های بررسی فیزیکی جلد 131، شماره 22. 1 دسامبر 2023. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.221402  
2. Max-Planck-Institut fürGravitationsphysik(Albert-Einstein-Institut)، 2023. اخبار - سیاهچاله برای چه کسی حلقه می زند. موجود در https://www.aei.mpg.de/749477/for-whom-the-black-hole-rings?c=26160 

***