سيمفونية دقيقة من التموجات في الزمكان – يستخدم علماء الفلك النجوم الميتة لقياس موجات الجاذبية التي تنتجها الثقوب السوداء القديمة

اكتشف فريق دولي من علماء الفلك إشارة خافتة لموجات الجاذبية التي يتردد صداها عبر الكون. باستخدام النجوم الميتة كشبكة عملاقة من كاشفات الموجات الثقالية ، كان التعاون – المسمى NANOGrav – قادرًا على قياس همهمة منخفضة التردد من جوقة من تموجات الزمكان.

أنا عالمة فلك تدرس وقد كتبت عن علم الكونيات والثقوب السوداء والكواكب الخارجية. لقد بحثت في تطور الثقوب السوداء الهائلة باستخدام تلسكوب هابل الفضائي.

على الرغم من أن أعضاء الفريق الذي يقف وراء هذا الاكتشاف الجديد ليسوا متأكدين بعد ، إلا أنهم يشكون بقوة في أن همهمة الخلفية لموجات الجاذبية التي قاسوها كانت ناتجة عن اندماج عدد لا يحصى من الأحداث القديمة للثقوب السوداء فائقة الكتلة.

استخدام النجوم الميتة في علم الكونيات

موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان ناتجة عن أجسام ضخمة متسارعة. تنبأ ألبرت أينشتاين بوجودها في نظريته العامة للنسبية ، حيث افترض أنه عندما تمر موجة الجاذبية عبر الفضاء ، فإنها تجعل الفضاء يتقلص ثم يتمدد بشكل دوري.

اكتشف الباحثون لأول مرة دليلًا مباشرًا على موجات الجاذبية في عام 2015 ، عندما التقط مرصد موجات الجاذبية بالليزر ، المعروف باسم LIGO ، إشارة من زوج من الثقوب السوداء المدمجة التي قطعت 1.3 مليار سنة ضوئية للوصول إلى الأرض.

يحاول تعاون NANOGrav أيضًا اكتشاف تموجات الزمكان ، ولكن على نطاق بين النجوم. استخدم الفريق النجوم النابضة ، التي تدور بسرعة حول النجوم الميتة التي تنبعث منها حزمة من الانبعاثات الراديوية. تتشابه النجوم النابضة من الناحية الوظيفية مع المنارة – فعندما تدور ، يمكن لأشعةها أن تجتاح الأرض على فترات منتظمة.

استخدم فريق NANOGrav النجوم النابضة التي تدور بسرعة مذهلة – تصل إلى 1000 مرة في الثانية – ويمكن ضبط توقيت هذه النبضات مثل دقات ساعة كونية شديدة الدقة. عندما تجتاح موجات الجاذبية النجم النابض بسرعة الضوء ، فإن الموجات سوف تتوسع قليلاً جدًا وتقلص المسافة بين النجم النابض والأرض ، مما يؤدي إلى تغيير طفيف في الوقت بين القراد.

النجوم النابضة هي ساعات دقيقة لدرجة أنه من الممكن قياس دقاتها بدقة في حدود 100 نانوثانية. يتيح ذلك لعلماء الفلك حساب المسافة بين النجم النابض والأرض في حدود 100 قدم (30 مترًا). تغير موجات الجاذبية المسافة بين هذه النجوم النابضة والأرض بعشرات الأميال ، مما يجعل النجوم النابضة حساسة بسهولة بما يكفي لاكتشاف هذا التأثير.

العثور على همهمة داخل نشاز

أول شيء كان على فريق NANOGrav فعله هو التحكم في الضوضاء في كاشف موجات الجاذبية الكونية. وشمل ذلك الضوضاء في المستقبلات الراديوية التي تستخدمها والفيزياء الفلكية الدقيقة التي تؤثر على سلوك النجوم النابضة. حتى عند حساب هذه التأثيرات ، لم يكن نهج الفريق حساسًا بما يكفي لاكتشاف موجات الجاذبية من الثنائيات الفردية للثقب الأسود فائقة الكتلة. ومع ذلك ، كان لديها حساسية كافية لاكتشاف مجموع كل عمليات اندماج الثقوب السوداء الضخمة التي حدثت في أي مكان في الكون منذ الانفجار العظيم – ما يصل إلى مليون إشارة متداخلة.

في تشبيه موسيقي ، يشبه الوقوف في وسط مدينة مزدحم وسماع صوت خافت لسيمفونية في مكان ما بعيدًا. لا يمكنك اختيار آلة موسيقية واحدة بسبب ضجيج السيارات والأشخاص من حولك ، ولكن يمكنك سماع أزيز مئات الآلات. كان على الفريق أن يستخرج توقيع هذه الموجة الجاذبية “الخلفية” من الإشارات المتنافسة الأخرى.

تمكن الفريق من اكتشاف هذه السيمفونية عن طريق قياس شبكة مكونة من 67 نجمًا نابضًا مختلفًا لمدة 15 عامًا. إذا كان بعض الاضطراب في دقات أحد النجوم النابضة ناتجًا عن موجات الجاذبية من الكون البعيد ، فإن جميع النجوم النابضة التي كان الفريق يشاهدها ستتأثر بطريقة مماثلة. في 28 يونيو 2023 ، نشر الفريق أربع أوراق بحثية تصف مشروعه والأدلة التي وجدها لخلفية موجة الجاذبية.

إن الطنين الذي وجده تعاون NANOGrav ناتج عن اندماج الثقوب السوداء التي تفوق كتلة الشمس بمليارات المرات. تدور هذه الثقوب السوداء حول بعضها ببطء شديد وتنتج موجات ثقالية بترددات تبلغ جزء من المليار من هرتز. هذا يعني أن تموجات الزمكان لها تذبذب كل بضعة عقود. هذا التذبذب البطيء للموجة هو السبب الذي جعل الفريق يحتاج إلى الاعتماد على ضبط الوقت الدقيق بشكل لا يصدق للنجوم النابضة.

تختلف موجات الجاذبية هذه عن الموجات التي يمكن أن يكتشفها ليجو. يتم إنتاج إشارات LIGO عندما يندمج ثقبان أسودان كتلتهما 10 إلى 100 ضعف كتلة الشمس في جسم واحد يدور بسرعة ، مما ينتج موجات ثقالية تتأرجح مئات المرات في الثانية.

إذا كنت تفكر في الثقوب السوداء على أنها شوكة رنانة ، فكلما كان الحدث أصغر ، زادت سرعة اهتزاز الشوكة الرنانة وزادت حدة الصوت. يكتشف LIGO موجات الجاذبية التي “ترن” في النطاق المسموع. وجد فريق NANOGrav اندماج الثقب الأسود “حلقة” بتردد منخفض للغاية بمليارات المرات.

الثقوب السوداء العملاقة في بدايات الكون

لطالما اهتم علماء الفلك بدراسة كيفية ظهور النجوم والمجرات لأول مرة في أعقاب الانفجار العظيم. هذا الاكتشاف الجديد من فريق NANOGrav يشبه إضافة لون آخر – موجات الجاذبية – إلى صورة الكون المبكر الذي بدأ للتو في الظهور ، ويرجع الفضل في ذلك إلى حد كبير إلى تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

الهدف العلمي الرئيسي لتلسكوب جيمس ويب الفضائي هو مساعدة الباحثين في دراسة كيفية تشكل النجوم والمجرات الأولى بعد الانفجار العظيم. للقيام بذلك ، تم تصميم جيمس ويب لاكتشاف الضوء الخافت من النجوم والمجرات البعيدة بشكل لا يصدق. كلما كان الجسم بعيدًا ، كلما استغرق الضوء وقتًا أطول للوصول إلى الأرض ، لذا فإن جيمس ويب هو آلة زمنية فعالة يمكنها النظر إلى الوراء لأكثر من 13.5 مليار سنة لرؤية الضوء من النجوم والمجرات الأولى في الكون.

لقد كان ناجحًا للغاية في البحث ، حيث عثر على مئات المجرات التي غمرت الكون بالضوء في أول 700 مليون سنة بعد الانفجار العظيم. اكتشف التلسكوب أيضًا أقدم ثقب أسود في الكون ، يقع في مركز مجرة ​​تشكلت بعد 500 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم.

هذه النتائج تتحدى النظريات الموجودة لتطور الكون.

يستغرق نمو مجرة ​​ضخمة وقتًا طويلاً. يعرف علماء الفلك أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة تقع في مركز كل مجرة ​​ولها كتلة تتناسب مع المجرات المضيفة. لذلك من شبه المؤكد أن هذه المجرات القديمة لديها ثقب أسود ضخم مماثل في مراكزها.

تكمن المشكلة في أن الأشياء التي اكتشفها جيمس ويب أكبر بكثير مما تقول النظرية الحالية إنها يجب أن تكون عليه.

ظهرت هذه النتائج الجديدة من فريق NANOGrav من أول فرصة لعلماء الفلك للاستماع إلى موجات الجاذبية للكون القديم. النتائج ، في حين أنها محيرة ، ليست قوية بما يكفي للادعاء باكتشاف نهائي. من المحتمل أن يتغير ذلك ، حيث قام الفريق بتوسيع شبكة النجوم النابضة الخاصة به لتشمل 115 نجمًا نابضًا ويجب أن يحصل على نتائج من هذا الاستطلاع التالي في حوالي عام 2025. نظرًا لأن جيمس ويب وأبحاث أخرى تتحدى النظريات الموجودة حول كيفية تطور المجرات ، فإن القدرة على دراسة العصر بعد قد يكون الانفجار العظيم باستخدام موجات الجاذبية أداة لا تقدر بثمن.