پژواک‌های امواج‌گرانشی که می‌توانند اولین سیگنال گرانش کوانتومی باشند

0 0 0 0

توسط جاهد عابدی , 17 ژوئن 2020

سیاهچاله‌ها از عجیب‌ترین اجسام جهان هستند. سیاهچاله‌ها که از پیش‌بینی‌های نسبیت‌عام اینشتین هستند با سطحی به نام افق رویداد احاطه شده‌اند که برای همه‌ی ناظرها نقطه‌ی بدون بازگشت محسوب می‌شوند. مطابق نسبیت‌عام، ناظر در حال سقوط آزاد، ممکن است هیچ تجربه‌ی خاصی از هنگام عبور از افق‌رویداد سیاه‌چاله احساس نکند. به همین ترتیب سیاهچاله‌ها مانند چاهی بدون انتها امواج‌گرانشی را که به سمت آنها ساطع می‌شود می‌توانند در خود جذب کنند.

پژواک‌هایی از مغاک^۱:

البته این تمام داستان هیجان‌انگیز سیاهچاله نیست. یکی از سؤالات بحث‌برانگیز امروز در حوزه‌ی گرانش کوانتومی این است که آیا اثرات گرانش کوانتومی می‌توانند بیرون افق رویداد سیاهچاله مورد توجه قرار بگیرند؟ یا فقط در داخل سیاهچاله است که مهم می‌شوند؟ با اینکه سؤال دوم فرض محتاطانه‌ای است، سؤال اول ممکن است از فرآیندی ناشی شود که منجر به حل مشکل پارادوکس اطلاعات سیاهچاله شود. پارادوکس اطلاعات سیاهچاله در تلاش برای ادغام دو نظریه‌ی مکانیک کوانتومی و نسبیت‌عام بروز می‌یابد. در این پارادوکس، طی فرآیند تابش هاوکینگ و متعاقبا تبخیر سیاهچاله با تناقض ازبین‌رفتن اطلاعات سیاهچاله روبه‌رو می‌شویم. برای حل این مشکل فیزیکدان‌ها شاید در نهایت ناچار شوند یکی از سه اصل اساسی فیزیکی هم‌ارزی، یکانی و نظریه‌ی میدان کوانتومی را فدا کنند. به عنوان مثال نظری، پولچینسکی و همکارانش در سال ۲۰۱۲ در این مقاله نشان دادند که با فداکردن اصل هم‌ارزی، رفتار سیاهچاله‌های کوانتومی در افق متفاوت خواهد بود. یعنی ساختاری به فاصله‌ی طول پلانک از افق وجود خواهد داشت که شبیه دیواره‌ای آتشین عمل می‌کند. بنابراین تصویر ردشدن بدون دردسر (بدون هیچ تجربه‌ی خاصی) از افق سیاهچاله را دیگر منتفی می‌کند. حال سیاهچاله مانند چاه بدون انتها نخواهد بود و همانند صوت که از انتهای چاه منعکس می‌شود و پژواک تولید می‌کند، امواج‌گرانشی‌ای که به سمت سیاهچاله می‌روند با برخورد با این ساختارهای کوانتومی به سمت بیرون منعکس می‌شوند. به عبارتی باعث به‌وجودآمدن پژواک‌های امواج‌گرانشی می‌شوند. بنابراین یافتن این پژواک‌ها باعث کشف فیزیک با انرژی پلانک می‌شود و ما را در شناخت گرانش کوانتومی که از متحدکردن نظریه‌ی نسبیت‌عام با مکانیک کوانتومی ناشی می‌شود کمک می‌کند.

شکل ۱: دیاگرام رمبش ستاره‌ی نوترونی به سیاهچاله و پژواک‌های امواج‌گرانشی به دلیل وجود غشای نزدیک افق سیاهچاله.

جالب اینجاست که می‌شود این پژواک‌ها را در سیگنال دریافتی از امواج‌گرانشی سیاهچاله‌های برخوردی یا ستاره‌ی نوترونی که به سیاهچاله رمبش می‌کند، در داده‌های رصدخانه‌ی امواج گرانشی لایگو جستجو کرد. اگر ساختارهای کوانتومی در سیاهچاله‌ها وجود داشته باشند، برای قسمتی از امواج‌گرانشی که به سمت افق رویداد سیاهچاله می‌روند همانند آینه عمل می‌کنند و این امواج را منعکس می‌کنند. از طرف دیگر سیاهچاله‌ها سطح دیگری به نام سد تکانه‌ی زاویه‌ای^۲ دارند که در فاصله‌ی دورتری از افق قرار دارد (که کاملا کلاسیک است) و نشان می‌دهد که مدار حرکت ذرات و یا امواج در اطراف سیاهچاله در چه فاصله‌ای ناپایدار است. این سد جدید که در فاصله‌ی دورتری از دیوار آتشین قرار دارد، مجددا مانند آینه عمل کرده و قسمتی از امواج‌گرانشی منعکس‌شده را به سمت سیاهچاله برمی‌گرداند و این داستان ادامه پیدا می‌کند. در نتیجه از مغاک سیاهچاله‌های کوانتومی انعکاس‌های پی‌درپی اول، دوم، سوم و غیره را خواهیم شنید. به عبارت دیگر وجود این دو سد تکانه‌ی زاویه‌ای و دیوار آتشین همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، باعث به‌وجودآمدن اتاقک‌مانندی می‌شود که امواج‌گرانشی را حبس می‌کند و با سرعت کم به بیرون درز می‌دهد. می‌شود فرکانس‌های طبیعی این اتاقک را در حوزه‌ی فرکانس بصورت قله‌های تشدید دید.

پژواک‌های امواج‌گرانشی در ادغام ستاره‌ی نوترونی GW170817:

در طبیعت ادغام ستاره‌ی نوترونی به چهار حالت مختلف می‌تواند منجر شود:
۱. تشکیل فوری سیاهچاله بعد از ادغام؛
۲. تشکیل ستاره‌ی نوترونی پرجرم و سپس رمبش آن به سیاهچاله در زمان کمتر از یک ثانیه؛
۳.تشکیل ستاره‌ی نوترونی پرجرم که در مقیاس زمانی ۱۰-۱۰,۰۰۰ ثانیه به سیاهچاله تبدیل می‌شود؛
۴. تشکیل ستاره نوترونی پایدار.

پس، ادغام دو ستاره‌ی نوترونی می‌تواند به سیاهچاله رمبش کند. ستاره‌ی نوترونی که جرمش از بیشینه‌ی جرم ستاره‌ی یکنواخت چرخان بیشتر باشد پرجرم نامیده می‌شود. ابتدا چرخش دیفرانسیلی و گرادیان گرمایی که به دلیل سردشدن سریع توسط تابش نوترینو ایجاد می‌شود، مانع رمبش ستاره‌ی نوترونی می‌شود. سرانجام بعد از ادغام، ترمز مغناطیسی چرخش دیفرانسیلی، باعث رمبش ستاره‌ی نوترونی به سیاهچاله در فاصله‌ی زمانی کمتر یا مساوی یک ثانیه می‌شود (سناریو دو).

شکل ۲: نمودار دامنه-زمان سیگنال پژواک‌ها در فرکانس ۷۲هرتز و یک ثانیه بعد از ادغام. گیل و همکاران در مقاله arXiv:1901.04138 با استفاده از ملاحظات مستقل الکترومغناطیسی به دست آورده‌اند که GW170817 باید در زمانی کم‌تر از یک ثانیه به سیاهچاله رمبش کند، که تایید مستقلی بر سیگنال پژواک‌های دریافتی است. نوار خطای آبی، زمان رمبش با ملاحظات الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد که کاملا منطبق بر پیک سیگنال دریافتی است.

در ۱۷ آگوست ۲۰۱۷، رصدخانه‌ی لایگو، امواج‌گرانشی از اولین رخداد ادغام دو ستاره‌ی نوترونی را ثبت کرد که قبلا درباره‌ی آن نوشتیم (مقاله‌ی یک و دو را ببینید). این رخداد GW170817 نامیده می‌شود. برای GW170817 دامنه‌ی وسیعی از معادلات حالت، جرم بعد از ادغامی را به دست می‌دهند که در محدوده‌ی ستاره‌ی نوترونی پرجرم قرار می‌گیرد. به همین دلیل، ما جستجوی پژواک‌ها را مطابق با سناریوهای اول و دوم که در بالا ذکر شد، در محدوده‌ی زمانی کمتر یا مساوی یک ثانیه بعد از ادغام انتخاب کردیم. ما پژواک‌هایی با درجه‌ی اهمیت ۴.۲سیگما را یافتیم. این پژواک‌ها اسپین سیاهچاله‌ی نهایی را داخل بازه ۰٫۸۴-۰٫۸۷ (۰٫۸۷-۰٫۷۰) برای فرض ترجیحی^۳ اسپین پایین (بالا) محدود می‌کند (شکل ۲).

علاوه بر آن، رصد امواج‌گرانشی حاصل از رخداد GW170817، فرصت بدیعی ایجاد می‌کند تا بتوانیم علاو‌ه بر آزمودن نسبیت‌عام اینشتین در شرایط فیزیکی حاد، طبیعت پسماند ادغام و خلق افق رویداد سیاهچاله را نیز بررسی کنیم. بعد از ادغام ستاره‌ی نوترونی، حالت پسماند متراکمی تشکیل می‌شود که غالبا به جرم اجسام اولیه‌ی تشکیل‌دهنده‌ی آن وابسته است. در GW170817، جرم نهایی بین ۲ تا ۳ برابر جرم خورشید بود. این جرم هم می‌تواند سیاهچاله تشکیل دهد، هم ستاره‌ی نوترونی. اگر ستاره‌ی نوترونی تشکیل دهد، برای پایدارماندن بسیار پرجرم خواهد بود. این بدین معنی است که با تاخیر زمانی به سیاهچاله رمبش می‌کند. اگر سیاهچاله تشکیل دهد، فرکانس میرآوای^۴ آن خارج محدوده‌ی حساسیت آشکارسازهای لایگو/ویرگو خواهد بود. بنابراین آنها عموما به این سیگنال حساس نخواهند بود. با این وجود، با تشکیل جسم متراکم غیرعادی^۵ انتظار بر این است که به پژواک‌های قابل ردیابی در فرکانس‌های پایین منجر شود.

در این پژوهش، با استفاده از نکته‌ی بالا و با جستجو در داده‌های امواج گرانشی مربوط به رخداد GW170817، توانستیم وجود پژواک‌های امواج‌گرانشی را با درجه‌ی اهمیت ۴.۲سیگما (یا خطای آماری ۰.۰۰۱۶٪ ) در فرکانس ۷۲هرتز بعد از یک ثانیه از ادغام ردیابی کنیم. به عبارت دیگر پیک مشابه به علت نویز داخل بازه‌ی زمانی و فرکانسی مورد نظر نمی‌تواند بیش از چهار بار در سه روز رخ دهد. اگر این یافته تایید شود، نتیجه‌ی آن می‌تواند تحول چشم‌گیری روی فیزیک سیاهچاله‌های کوانتومی و اخترفیزیک ادغام ستاره‌های نوترونی ایجاد کند. این نتیجه به طور مستقل توسط این مقاله تأیید شده است (شکل ۲)، که از مشاهدات الکترومغناطیسی برای استنباط زمان رمبش برای تشکیل سیاهچاله استفاده می‌کنند.