آشکار‌ترین امواج گرانشی ناشی از برخورد دو سیاه‌چاله، قضیه ۵۰ ساله هاوکینگ را قبول کردند_باماها

اخترشناسان به لطف پیشرفت‌های عظیم در کشف امواج گرانشی موفق شدند امواج ناشی از یک برخورد سیاه‌چاله‌ای به‌شدت قوی را زمان عبور از زمین با شدت نور، شناسایی کنند و به‌لطف این دستاورد، قضیه‌ی ۵۰ ساله استیون هاوکینگ درمورد ادغام سیاه‌چاله‌ها را با پیروزی مورد آزمایش قرار دهند.

هاوکینگ در سال ۱۹۷۱ قضیه مساحت سیاه‌چاله خود را نظر کرد که گفتن می‌کند هنگامی دو سیاه‌چاله با هم ادغام خواهد شد، افق اتفاقات سیاه‌چاله‌ی حاصل (مرزی که حتی نور نیز توان گریز از آن را ندارد)‌ نمی‌تواند مساحتی کمتر از مجموع دو سیاه‌چاله اولیه داشته باشد. این قضیه بازتابی از قانون دوم ترمودینامیک است که می‌گوید آنتروپی یا بی‌نظمی درون یک جسم هیچ زمان افت نمی‌یابد.

ادغام سیاه‌چاله‌ها بافت فضا-زمان را خم می‌کند و نوسانات کوچکی در آن به‌وجود می‌آورد که با گفتن «امواج گرانشی» شناخته خواهد شد و می‌توانند با شدت نور در سرتاسر جهان حرکت کنند. پنج رصدخانه امواج گرانشی روی زمین به جستوجو امواجی می‌گردند که ۱۰هزار برابر کوچک‌تر از هسته اتم می باشند. این رصدخانه‌ها شامل دو آشکارساز لایگو در آمریکا، آشکارساز ویرگو در ایتالیا، کارگا در ژاپن و GEO600 در آلمان می باشند. این رصدخانه‌ها از سوی گروهی بین‌المللی به‌نام LVK اداره خواهد شد.

برخورد سیاه‌چاله‌ای تازه که GW250114 نام گرفته، تقریباً همانند برخوردی است که اولین امواج گرانشی مشاهده‌شده در سال ۲۰۱۵ را تشکیل کرد. هر دو اتفاقات شامل سیاه‌چاله‌هایی با جرم بین ۳۰ تا ۴۰ برابر جرم خورشید ما بودند و در فاصله‌ی نزدیک به ۱٫۳ میلیارد سال نوری رخ دادند.

این بار، آشکارسازهای به‌روزشده‌ی رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری (لایگو) سه برابر حساسیت بیشتری نسبت به سال ۲۰۱۵ داشتند؛ درنتیجه توانستند امواج ناشی از برخورد را با جزئیات بی‌سابقه ثبت کنند. این دستاورد به پژوهشگران امکان داد تا با محاسبه مساحت افق اتفاقات بعد از ادغام، قضیه هاوکینگ را قبول کنند.

لورا ناتال، پژوهشگر از دانشگاه پورتسموث و عضو تیم LVK می‌گوید: «هنگامی سیاه‌چاله‌ها با هم برخورد می‌کنند، امواج گرانشی تشکیل می‌بشود که همانند صدای زنگ، شامل صداهای فرعی یا هارمونیک می باشند.» پیش‌تر، این هارمونیک‌ها به شدت ناپدید می‌شدند و نمی‌شد آن‌ها را با وضوح کافی شناسایی کرد تا مساحت افق رویدادها قبل و سپس از برخورد محاسبه بشود؛ امری که برای آزمایش نظریه هاوکینگ الزامی می بود. مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۱ روی اولین برخورد شناسایی‌شده، این نظریه را با سطح مطمعن ۹۵ درصد قبول کرد؛ اما پژوهش تازه این مطمعن را به ۹۹٫۹۹۹ درصد رسانده است.

در ۱۰ سالی که دانشمندان امواج گرانشی را شناسایی می‌کنند، نزدیک به ۳۰۰ برخورد سیاه‌چاله‌ای به ثبت رسیده است؛ اما هیچ‌کدام به اندازه‌ی GW250114 که دو برابر پرقدرت از هر موج گرانشی شناسایی‌شده‌ی دیگر است، قوی و آشکار ثبت نشده بودند.

زمان رسیدن امواج گرانشی GW250114 به زمین، از بین آشکارسازهای تحت نظارت همکاری LVK، فقط رصدخانه‌ی لایگو فعال می بود. این کار بر آزمایش نظریه هاوکینگ تأثیری نداشت؛ اما جهت شد که پژوهشگران نتوانند منشا دقیق امواج در آسمان را به وضوح شناسایی کنند.

ایان هری، پژوهشگر از دانشگاه پورتسموث و عضو تیم LVK می‌گوید: «به‌روزرسانی‌های لایگو و دیگر رصدخانه‌های برنامه‌ریزی‌شده در آینده، حساسیت بیشتری خواهند داشت و به ما امکان خواهند داد عمیق‌تر داخل فیزیک سیاه‌چاله‌ها شویم. امکان پذیر همه برخوردها را ثبت نکنیم؛ اما مجدد رویدادی همانند این را خواهیم دید.» هری افزود: «با مجموعه بعدی به‌روزرسانی‌ها، احتمالا در ۲۰۲۸، چیزی همانند این ببینیم و به گمان زیادً در آن زمان حساسیت به اندازه‌ای باشد که بتوانیم واقعاً جزئیات را بازدید کنیم.»

یافته‌های تازه راه را برای پژوهش‌های تازه در عرصه‌ی گرانش کوانتومی هموار می‌کند؛ نظریه‌ای که فیزیکدانان امیدوارند با اتکا بر آن، نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را متحد کنند. ناتال می‌گوید نتایج تازه نشان خواهند داد که نسبیت عام و مکانیک کوانتوم هم چنان به خوبی با هم کار می‌کنند؛ اما انتظار می‌رود در آینده برخی اختلاف‌ها ظاهر شوند.

داده‌های تازه LVK این چنین به دانشمندان امکان داد تا معادلات روی کر، ریاضیدان نیوزیلندی در دهه ۱۹۶۰ را قبول کنند. این معادلات پیش‌بینی می‌کرد که سیاه‌چاله‌ها را می‌توان تنها با دو معیار توصیف کرد: جرم و چرخش آن‌ها. به عبارت دیگر، دو سیاه‌چاله با جرم و چرخش برابر، از نظر ریاضی یکسان می باشند. به لطف مشاهدات GW250114، اکنون می‌دانیم که این نوشته صحت دارد.