لغز الثقب الأسود: الفصل معًا في أصول العمالقة غير المرئيين

يقول الباحثون إن القياسات الحالية للثقوب السوداء غير كافية لتحديد عملية تشكيل هذه العمالقة غير المرئية في الكون.

الطريقة أ

”data-gt-translate-attributes =” [{“attribute”: ”data-cmtooltip”، “format”: ”html”}] ”> يمكن أن توفر دورات الثقب الأسود نظرة ثاقبة لأصولها ، خاصة بالنسبة للثقوب السوداء الثنائية ، والتي نوعان من الثقوب السوداء يدوران حول بعضهما البعض عن قرب قبل الاندماج. يمكن أن يشير دوران وإمالة كل ثقب أسود قبل اندماجه مباشرة إلى ما إذا كانت الثقوب السوداء قد تشكلت من قرص مجري هادئ أو عنقود أكثر نشاطًا من النجوم.


يأمل علماء الفلك في اكتشاف أي من هذه القصص الأصلية هو الأكثر احتمالا من خلال تحليل 69 ثنائيا مؤكدة تم اكتشافها حتى الآن. لكن وجدت دراسة جديدة أنه في الوقت الحالي ، لا يكفي الكتالوج الحالي للثنائيات للكشف عن أي شيء أساسي حول كيفية تشكل الثقوب السوداء.

في دراسة تظهر في المجلة رسائل علم الفلك والفيزياء الفلكية, معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يُظهر الفيزيائيون أنه عندما يتم عمل جميع الثنائيات المعروفة ودوراتها في نماذج لتشكيل الثقب الأسود ، يمكن أن تبدو الاستنتاجات مختلفة تمامًا ، اعتمادًا على النموذج المعين المستخدم لتفسير البيانات.

لذلك يمكن "نسج" أصول الثقب الأسود بطرق مختلفة ، اعتمادًا على افتراضات النموذج لكيفية عمل الكون.


"عندما تغير النموذج وتجعله أكثر مرونة أو تضع افتراضات مختلفة ، تحصل على إجابة مختلفة حول كيفية تشكل الثقوب السوداء في الكون ،" كما تقول المؤلفة المشاركة في الدراسة سيلفيا بيسكوفينو ،

”data-gt-translate-attributes =” [{“attribute”: ”data-cmtooltip”، “format”: ”html”}] ”> طالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يعمل في

”data-gt-translate-attributes =” [{“attribute”: ”data-cmtooltip”، “format”: ”html”}] ”> LIGO Laboratory. "نظهر أن الناس بحاجة إلى توخي الحذر لأننا لم نصل بعد إلى مرحلة بياناتنا حيث يمكننا تصديق ما يخبرنا به النموذج."

المؤلفون المشاركون في الدراسة هم كولم تالبوت ، باحث ما بعد الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. وسلفاتور فيتالي ، أستاذ الفيزياء المشارك وعضو معهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

حكاية أصلين

يُعتقد أن الثقوب السوداء في الأنظمة الثنائية تنشأ عبر أحد مسارين. الأول هو من خلال "التطور الثنائي الميداني" ، حيث يتطور نجمان معًا وينفجران في نهاية المطاف في المستعرات الأعظمية ، تاركين وراءهما ثقبين أسودين يستمران في الدوران في نظام ثنائي. في هذا السيناريو ، يجب أن تحتوي الثقوب السوداء على لفات محاذاة نسبيًا ، حيث كان لديها وقت - أولاً كنجوم ، ثم الثقوب السوداء - لسحب وجذب بعضها البعض في اتجاهات متشابهة. إذا كان للثقوب السوداء في ثنائي ما نفس الدوران تقريبًا ، يعتقد العلماء أنه لا بد أنها تطورت في بيئة هادئة نسبيًا ، مثل قرص مجري.

يمكن أن تتشكل ثنائيات الثقب الأسود أيضًا من خلال "التجميع الديناميكي" ، حيث يتطور ثقبان أسودان بشكل منفصل ، ولكل منهما إمالة ودوران مميزان. من خلال بعض العمليات الفيزيائية الفلكية المتطرفة ، يتم تجميع الثقوب السوداء معًا في النهاية ، قريبة بما يكفي لتشكيل نظام ثنائي. من المحتمل أن يحدث مثل هذا الاقتران الديناميكي ليس في قرص مجري هادئ ، ولكن في بيئة أكثر كثافة ، مثل الحشد الكروي ، حيث يمكن لتفاعل آلاف النجوم أن يضرب ثقبين أسودين معًا. إذا كانت الثقوب السوداء للثنائي تدور بشكل عشوائي ، فمن المحتمل أنها تشكلت في كتلة كروية.


ولكن ما هو جزء من الثنائيات يتشكل عبر قناة مقابل الأخرى؟ يعتقد علماء الفلك أن الإجابة يجب أن تكمن في البيانات ، وخاصة قياسات الثقب الأسود.

حتى الآن ، اشتق علماء الفلك دوران الثقوب السوداء في 69 ثنائيًا ، والتي تم اكتشافها بواسطة شبكة من كواشف موجات الجاذبية بما في ذلك LIGO في الولايات المتحدة ، ونظيرتها الإيطالية العذراء. كل كاشف يستمع لعلامات

”data-gt-translate-attributes =” [{“attribute”: ”data-cmtooltip”، “format”: ”html“}] ”> موجات الجاذبية - ارتدادات دقيقة جدًا عبر الزمكان والتي تُركت من أقصى الحدود ، الأحداث الفيزيائية الفلكية مثل اندماج الثقوب السوداء الضخمة.

مع كل اكتشاف ثنائي ، قدر علماء الفلك خصائص الثقب الأسود ، بما في ذلك كتلته ودورانه. لقد عملوا على قياسات السبين في نموذج مقبول بشكل عام لتشكيل الثقب الأسود ووجدوا دلائل على أن الثنائيات يمكن أن يكون لها دوران مفضل ومحاذاة ، بالإضافة إلى لفات عشوائية. وهذا يعني أن الكون يمكن أن ينتج ثنائيات في كل من الأقراص المجرية والعناقيد الكروية.

"لكننا أردنا أن نعرف ، هل لدينا بيانات كافية لعمل هذا التمييز؟" يقول بيسكوفينو. "واتضح أن الأمور فوضوية وغير مؤكدة ، وهي أصعب مما تبدو."

غزل البيانات

في دراستهم الجديدة ، اختبر فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ما إذا كانت نفس البيانات ستسفر عن نفس الاستنتاجات عند العمل في نماذج نظرية مختلفة قليلاً لكيفية تشكل الثقوب السوداء.

استنسخ الفريق لأول مرة قياسات ليجو الدورانية في نموذج مستخدم على نطاق واسع لتشكيل الثقب الأسود. يفترض هذا النموذج أن جزءًا صغيرًا من الثنائيات في الكون يفضل إنتاج ثقوب سوداء ذات لفات محاذاة ، حيث تحتوي بقية الثنائيات على لفات عشوائية. وجدوا أن البيانات تبدو متوافقة مع افتراضات هذا النموذج وأظهرت ذروة حيث توقع النموذج أنه يجب أن يكون هناك المزيد من الثقوب السوداء ذات الدورات المماثلة.

ثم قاموا بتعديل النموذج بشكل طفيف ، غيروا افتراضاته بحيث توقعوا اتجاهًا مختلفًا قليلاً لدوران الثقب الأسود المفضل. عندما عملوا على نفس البيانات في هذا النموذج المعدل ، وجدوا أن البيانات قد تحولت لتتماشى مع التوقعات الجديدة. قدمت البيانات أيضًا تحولات مماثلة في 10 نماذج أخرى ، كل منها بافتراض مختلف لكيفية تفضيل الثقوب السوداء للدوران.

يقول بيسكوفينو: "تُظهر ورقتنا أن نتيجتك تعتمد كليًا على كيفية نمذجة الفيزياء الفلكية الخاصة بك ، بدلاً من البيانات نفسها".



ويضيف فيتالي: "نحتاج إلى بيانات أكثر مما كنا نظن إذا أردنا تقديم ادعاء مستقل عن الافتراضات الفيزيائية الفلكية التي نتخذها".

ما مقدار البيانات الإضافية التي سيحتاجها علماء الفلك؟ يقدر Vitale أنه بمجرد أن تبدأ شبكة LIGO من جديد في أوائل عام 2023 ، ستكتشف الأدوات ثنائيًا جديدًا للثقب الأسود كل بضعة أيام. خلال العام المقبل ، يمكن أن يضيف ذلك ما يصل إلى مئات القياسات الأخرى لإضافتها إلى البيانات.

يقول فيتالي: "قياسات السبينات التي لدينا الآن غير مؤكدة للغاية". "ولكن بينما نبني الكثير منها ، يمكننا الحصول على معلومات أفضل. ثم يمكننا القول ، بغض النظر عن تفاصيل نموذجي ، فإن البيانات تخبرني دائمًا بنفس القصة - قصة يمكننا تصديقها بعد ذلك ".

المرجع: "قم بتدويرها كما تريد: (عدم وجود) قياس توزيع الميل الدوراني باستخدام الثقوب السوداء الثنائية LIGO-Virgo-KAGRA" بقلم سالفاتور فيتالي وسيلفيا بيسكوفينو وكولم تالبوت ، 9 ديسمبر 2022 ، رسائل علم الفلك والفيزياء الفلكية.
دوى: 10.1051 / 0004-6361 / 202245084


تم دعم هذا البحث جزئيًا من قِبل المؤسسة الوطنية للعلوم.