[در ویدئو] امواج گرانشی: تشخیص آنها در یک دقیقه توضیح داده شد . این نوسانات فضا-زمان از ادغام دو سیاهچاله با جرم حدود 30 برابر خورشید ما به وجود می آیند. در این ویدیو کشف کنید که چگونه دانشمندان Ligo توانستند این اولین اندازه گیری ها را انجام دهند.
بسیاری از ادغام های شناسایی شده توسط Ligo و Virgo شامل سیاهچاله هایی می شود که جرم آنها بیشتر از سیاهچاله های ستاره ای است که توسط اشعه ایکس خیانت شده اند. سناریوهایی برای توضیح وجود مرموز این ستاره های فشرده ارائه شده است که ما وجود آنها را پیش بینی نکرده بودیم. . مورد منبع موج گرانشی GW190521 به ویژه جالب است اما توضیحات در حال رسیدن است.
از زمان مرگ استیون هاوکینگ ، ما تقریباً هیچ پیشرفتی در زمینه نظریه کوانتومی سیاهچاله ها نداشته ایم و پارادوکس اطلاعات و فایروال مرتبط با آن هنوز پاسخی نداشته است. از سوی دیگر، داده‌ها و آزمایش‌های مربوط به اخترفیزیک سیاه‌چاله و نظریه‌های نسبیتی جایگزین گرانش با نظریه انیشتین (مانند نسبیت پیچیده ) از زمان ظهور اخترشناسی گرانشی به سرعت افزایش یافته‌اند.
با این حال، امواج گرانشی که برای اولین بار مستقیماً از سال 2015 بر روی زمین با آشکارسازهای Ligo و Virgo برجسته شدند، شگفتی‌ها و معماهای خود را به همراه آوردند. این ابزارها وجود ادغام بین سیاهچاله‌هایی را که جرم آنها به طور غیرعادی زیاد است، با توجه به مدل‌های کلاسیک فروپاشی ستارگانی که سیاهچاله‌های ستاره‌ای ایجاد می‌کنند، و به‌ویژه با توجه به جرم سیاه‌چاله‌هایی که قبلاً توسط انتشارات بیرون ریخته شده‌اند، آشکار کرده‌اند. پرتوهای قرص های برافزایشی که برخی را احاطه کرده اند، یعنی حداکثر در حدود ده جرم خورشیدی.
ژان پیر لومینه، مدیر تحقیقات CNRS و فرانسوا کومب، استاد کالج دو فرانس، با ما در مورد سیاهچاله‌ها و به‌ویژه سیاهچاله‌های کلان جرم در کهکشان‌ها و که در پشت AGN قرار دارند، صحبت می‌کنند. © بنیاد هوگو از کالج دو فرانس
جالب ترین مورد این است که در مبدا منبع موج گرانشی GW190521 که همانطور که Futura به طور خاص در مقاله قبلی زیر توضیح داد، نتیجه همجوشی دو سیاهچاله به ترتیب 85 و 65 برابر جرم خورشید بود. . محصول نهایی این ادغام باید یک سیاهچاله با جرم 142 خورشیدی باشد، به این معنی که بر اساس قوانین فیزیک سیاهچاله، معادل تقریباً هشت جرم خورشید به تابش گرانشی خالص تبدیل شده است.
توضیح وجود هر یک از دو سیاهچاله در مبدأ GW190521 توسط فروپاشی گرانشی ستارگان بسیار دشوار است زیرا مشخص است که این جرم ها عموماً از صد جرم خورشیدی در جریان قابل مشاهده جهان تجاوز نمی کنند و انفجار ابرنواختر در مبدأ سیاهچاله‌های ستاره‌ای، بخش بزرگی از ستاره مادر یک ستاره فشرده بیرون می‌زند. به همین دلیل است که اخترفیزیکدانان به سناریوهای پیچیده تری روی آورده اند که به ویژه محیط سیاهچاله های کلان جرم را در بر می گیرد.
همانطور که Futura همچنین در مقاله قبلی زیر توضیح داد، تجزیه و تحلیل های جدید از شکل سیگنال GW190521 نشان می دهد که دو سیاهچاله قبل از ادغام در مداری غیرعادی به دور یکدیگر قرار داشتند.
این یک مشکل است زیرا نظریه امواج گرانشی که انرژی و تکانه زاویه‌ای را برای یک جفت ستاره در حال چرخش دور می‌کنند و باعث نزدیک‌تر شدن و در نهایت ادغام آن‌ها می‌شود، تمایل دارد مدار آنها را با زمان دایره‌ای بسازد و بنابراین، در واقع، خیلی سریع عجیب و غریب
با این حال، این ناهنجاری ممکن است در واقع به سناریوی شکل گیری خیانت کند که راه حلی برای معمای سیاهچاله های غیرعادی عظیم در Ligo و Virgo به طور کلی ارائه می دهد. این به اصطلاح سناریوی رشد سلسله مراتبی را پشتیبانی می کند که برای مدتی مورد بررسی و توسعه قرار گرفته است، همانطور که در نشریه ای در مجله معروف Nature نشان داده شده است، اولین نسخه آن به صورت رایگان در arXiv در دسترس است.
تصور هنرمند از انبوهی از سیاهچاله‌های کوچک در دیسکی از گاز که به دور یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم می‌چرخد. فعل و انفعالات بین سه سیاهچاله، مانند آنهایی که در تصویر پیش‌زمینه نشان داده شده‌اند، نسبتاً اغلب رخ می‌دهند و به احتمال زیاد منجر به ادغام در یک مدار غیر دایره‌ای می‌شوند. © J. Samsing، موسسه Niels Bohr
برای توضیح این واقعیت که ما به سرعت سیاهچاله های پرجرم Ligo و Virgo و بر اساس مدارهای نسبتاً غیرعادی کشف کردیم، لازم است مکانیزمی پیدا کنیم که تولد این سیاهچاله ها را ترویج کند و بنابراین آنها را فراوان کند.
ایده اصلی این است که یک سیاهچاله کلان جرم مانند سیاهچاله های پشت هسته فعال کهکشان ها را با یک قرص برافزایش درگیر کنیم. با مدل‌سازی این محیط‌ها، به این نتیجه می‌رسیم که سیاه‌چاله‌هایی که در ابتدا جرم ستاره‌ای کم دارند، می‌توانند در قرص‌های برافزایشی سیاه‌چاله‌های غول‌پیکر در قلب کهکشان‌ها تجمع کرده و جمع شوند. این به لطف وجود گاز در دیسک‌ها اتفاق می‌افتد که باعث می‌شود سیاه‌چاله‌ها به بدنه فشرده مرکزی نزدیک شوند و در نتیجه به یکدیگر نزدیک‌تر شوند.
بر اساس نتایج محاسباتی که امروز منتشر شد و توسط یک تیم بین المللی منتشر شد، این واقعیت که سیاهچاله ها ابتدا در حرکت هستند و در یک صفحه متمرکز هستند و دیگر بر اساس مدارهایی که به طور مساوی به شکل کروی در اطراف سیاهچاله توزیع شده اند، منجر به پدیده های جدیدی می شود. از اخترفیزیکدانان
برخوردهای سه جسمی که در سه بعدی در مقایسه با برخوردهای دو بدنه ناچیز بود، ناگهان در دیسکی که سیاهچاله های ستاره ای را نیز متمرکز می کند، محتمل تر می شود.
حرکات حاصل شبیه به حرکات یک بازی بیلیارد آشفته می شود، اما مهمتر از همه، همجوشی ها و به دنبال آن گرفتن ضرب می شوند، به طوری که سیاهچاله های دوتایی با جرم فزاینده بالاتر متولد می شوند و با گرفتن سیاهچاله های دیگر و غیره وارد تعامل می شوند.
نکته مهم این است که احتمال تشکیل یک ادغام در یک مدار خارج از مرکز تا 100 برابر افزایش می‌یابد، که منجر به این واقعیت می‌شود که حدود نیمی از ادغام‌های سیاه‌چاله در چنین دیسک‌هایی با مدارهای خارج از مرکز تولید می‌شوند.
مقاله توسط Laurent Sacco منتشر شده در 01/21/2022
بسیاری از ادغام های شناسایی شده توسط Ligo و Virgo شامل سیاهچاله هایی است که جرم آنها از سیاهچاله های ستاره ای بیشتر است که توسط پرتوهای ایکس خیانت شده اند. سناریوهایی برای توضیح وجود مرموز این ستاره های فشرده ارائه شده است. تحلیل جدیدی از مورد منبع موج گرانشی GW190521 به تازگی فرضیه زیربنایی این سناریوها را تایید کرده است.
باورش سخت است، اما شش سال است که از عبور موج گرانشی مستقیماً روی زمین می گذرد . مطالعه تپ اخترهای باینری پیش از این نشانه های غیرمستقیم برای چندین دهه از واقعیت این امواج ارائه کرده بود. محاسبات مبتنی بر معادلات نسبیت عام انیشتین در واقع نشان داده بود که برای این ستارگان نوترونی انتشار امواج با از دست دادن انرژی به اندازه کافی سریع برای سیستم های دوتایی همراه بود که در مقیاس انسانی مشاهده کاهش در دوره مداری ممکن شد. دو ستاره که از این رو به یکدیگر نزدیک می شدند. سرعت تکامل را می‌توان محاسبه کرد و دهه‌ها اندازه‌گیری با تلسکوپ‌های رادیویی ، مانند تلسکوپ آرسیبو ، منجر به تأیید با دقت شگفت‌انگیزی پیش‌بینی‌های مربوط به این موضوع شد، که قبلاً هیچ شکی در مورد وجود امواج گرانشی باقی نمی‌گذاشت.
آشکارسازهای Ligo و Virgo این امکان را فراهم کردند تا بررسی کنیم که این انتشار امواج در نهایت منجر به نزدیک شدن سیاهچاله‌های یک سیستم دوتایی به یکدیگر تا نقطه برخورد و ادغام شده و مقادیر خارق‌العاده‌ای از انرژی منتشر می‌کنند، در آنجا نیز به شکل امواج گرانشی. ، تا جایی که گاهی تا چندین جرم خورشیدی را در کمتر از یک ثانیه به انرژی خالص حمل شده توسط این امواج تبدیل می کند.
می دانیم که طبق همین اصل، برخورد بین ستاره های نوترونی و بین سیاهچاله ها و ستاره های نوترونی قرار بود رخ دهد و در آنجا نیز دو آشکارساز امواج تولید شده را برجسته کردند.
ارائه ویدیویی از Virgo و شکار امواج گرانشی. © CNRS
به یاد داشته باشید که به لطف کیپ تورن و راینر وایس در یک طرف اقیانوس اطلس، آلن بریل و تیبو دامور در طرف دیگر وارد عصر نجوم گرانشی شده ایم. اما، ما نباید تمامی اعضای دیگر همکاری‌های Ligo و Virgo را که تشخیص و تجزیه و تحلیل امواج گرانشی را مستقیماً روی زمین و همچنین بسیاری از نام‌های دیگر مرتبط با جستجوی آنها برای دهه‌ها ممکن کرده‌اند، فراموش کنیم. متأسفانه درگذشتند ( ران درور ، ولادیمیر براژینسکی و غیره).
همانطور که طیف تابش یک ستاره چیزهای زیادی در مورد یک ستاره به ما می گوید، طیف موج گرانشی نیز می تواند جرم ها، گشتاورهای زاویه ای و پارامترهای مداری مانند خروج از مرکز سیاهچاله ها در یک سیستم دوتایی را به ما بگوید. و بنابراین وقتی اخترفیزیکدانان نسبیتی محاسبه کردند که جرم اولین منبع موج گرانشی کشف شده بر روی زمین به ترتیب جرم خورشیدی در حدود 36 و 29 خورشیدی برای دو سیاهچاله مولد GW150914 (GW مخفف موج گرانشی است، جای تعجب داشت. و 150914 که تاریخ رصد را نشان می دهد، 14 سپتامبر 2015).
در واقع، اگرچه ما در قدر توده‌های ستارگان پرجرم هستیم، نظریه تکامل ستاره‌ای که برای تولد سیاه‌چاله‌ها با فروپاشی این ستارگان در پایان عمرشان اعمال می‌شود، تمایل زیادی به تولید سوراخ‌هایی با جرم کمتر دارد. سیاه های ستاره ای در واقع، سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای کمیاب که قبلاً شناسایی شده‌اند، به‌ویژه توسط گسیل‌های پرتو ایکس از قرص‌های برافزایشی که گاهی اوقات آنها را احاطه کرده‌اند، از 15 جرم خورشید تجاوز نمی‌کنند و بنابراین خیلی روشن نیست که این ستاره‌های فشرده چگونه می‌توانند شکل بگیرند. Ligo و Virgo نمونه های دیگری نیز ارائه کرده اند.
مورد GW190521 حتی مشکل سازتر است. تجزیه و تحلیل سیگنال از منبع مشاهده شده توسط Ligo و Virgo در 21 مه 2019، در واقع نشان داد که این سیگنال حاصل ادغام دو سیاهچاله به ترتیب تقریباً 85 و 65 برابر جرم خورشید است. محصول نهایی این ادغام باید یک سیاهچاله با جرم 142 خورشیدی باشد، به این معنی که این جرم معادل تقریباً هشت جرم خورشیدی است که به تشعشعات گرانشی خالص تبدیل شده اند.
بنابراین محققان به سرعت سناریوهای مختلفی را برای توضیح وجود چنین ناهنجاری هایی پیشنهاد کردند.
شبیه سازی عددی دو سیاهچاله که به سمت یکدیگر مارپیچ می شوند و در نهایت با هم ادغام می شوند و امواج گرانشی ساطع می کنند. سیگنال موج گرانشی شبیه‌سازی شده با مشاهدات انجام شده توسط آشکارسازهای موج گرانشی Ligo و Virgo در 21 می 2019 مطابقت دارد (GW190521). "افق ظاهری" سیاهچاله ها در شبیه سازی به رنگ سیاه نشان داده شده است. در ساعت 0:10، شبیه سازی افق جدیدی را نشان می دهد که نشان می دهد دو سیاهچاله با هم ادغام شده اند. تابش گرانشی به رنگ های اطراف سیاهچاله ها تبدیل می شود. رنگ ها از آبی که نشان دهنده تابش ضعیف است به قرمز تغییر می کنند که نشان دهنده تابش قوی است. © N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno ( مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک گرانشیشبیه سازی فضای زمان های شدید (SXS)
این سناریوها همگی بر اساس فرآیندی به نام ادغام سلسله مراتبی هستند.
در یکی از این سناریوها، همه چیز در قرص برافزایشی یک سیاه‌چاله عظیم در قلب کهکشان‌ها اتفاق می‌افتد، به‌طور دقیق‌تر زمانی که فرد در حضور هسته‌ای فعال از کهکشان‌ها باشد. در این نوع هسته‌ها که اغلب توسط رشته‌های ماده سرد گاز تامین می‌شود، ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها تمایل به تمرکز دارند.
در قرص برافزایشی که سیاهچاله غول پیکر مرکزی را احاطه کرده است، نیروهای اصطکاک ناشی از گاز موجود به نحوی تمایل به رسوب کردن سیاهچاله های توده های ستاره ای کلاسیک دارند.
محاسبات انجام شده در طول شبیه سازی نشان می دهد که حلقه ای که حدود 300 برابر شعاع افق رویداد سیاهچاله مرکزی قرار دارد، محل تجمع سیاهچاله های ستاره ای است که در آن به دام افتاده اند. آنها تمایل به ادغام دارند و از طریق برافزایش – بسیار شبیه سیارات تشکیل شده در دیسک های پیش سیاره ای – سیاهچاله هایی با جرم بیشتر از آنچه که معمولاً از فروپاشی گرانشی ستارگان غول پیکر در منظومه های دوتایی به دست می آیند، ایجاد می کنند.
در سناریوی دیگر، دوباره بر اساس شبیه‌سازی‌ها، ادغام بین سیاه‌چاله‌های توده‌های ستاره‌ای با برخورد بین این سیاه‌چاله‌ها در محیط خاص خوشه‌های کروی کاتالیز می‌شود. باید به خاطر داشت که اینها مجموعه ای از ستارگان قدیمی به ویژه متراکم هستند که می توانند به طور متوسط چند صد هزار ستاره را در کره ای که قطر آن حداکثر چند ده تا صد سال نوری است جمع آوری کنند. بنابراین ما فواصل بین ستاره ای به طور متوسط در حد یک سال نوری داریم، اما می تواند به اندازه منظومه شمسی در هسته آنها باشد.
اما، چگونه می توان این سناریوها را آزمایش کرد یا حداقل فرضیه فرآیند همجوشی سلسله مراتبی را تأیید کرد؟ ما شروع پاسخ را با مقاله ای در Nature Astronomy توسط محققان مرکز نسبیت محاسباتی و گرانش در موسسه فناوری روچستر و دانشگاه فلوریدا منتشر کرده ایم.
در تصور این هنرمند، یک سیاهچاله دوتایی در قرص برافزایشی یک سیاهچاله کلان جرم دیده می شود. © Caltech, R. Hurt (IPAC)

بر اساس این فرضیه، مدار سیاهچاله‌ها قبل از همجوشی باید به‌ویژه غیرعادی باشد، زیرا سیستم‌های دوتایی با گرفتن متقابل سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای و نه با تکامل دو ستاره پرجرم که یک ستاره دوگانه را تشکیل می‌دهند، تشکیل می‌شوند.
بنابراین، محققان تجزیه و تحلیل سیگنال های شناسایی شده توسط Ligo و Virgo را از سر گرفتند و به طور خاص بر روی مورد GW190521 تمرکز کردند. همچنین برای مقایسه آنها با سیگنال GW190521، لازم بود سیگنال هایی تولید شوند که نشان دهنده سیستم های دوتایی با گریز از مرکز بالا و جرم های مختلف باشند. بنابراین، اخترفیزیکدانان صدها شبیه‌سازی کامل عددی جدید را با ابررایانه‌های آزمایشگاهی، محلی و ملی انجام دادند که تقریباً یک سال طول کشید.
در پایان، سیگنال GW190521 در واقع با مداری با خارج از مرکز مشخص شده بهتر توضیح داده می شود، که فرضیه وجود فرآیندهای همجوشی سلسله مراتبی را تایید می کند.
!
از ثبت نام شما سپاسگزاریم.
خوشحالم که شما را در جمع خوانندگان ما دارم!
امواج گرانشی: تولد نوع جدیدی از سیاهچاله 8 خورشید را به انرژی خالص تبدیل کرده است!

source