تمكن فيزيائيون من محاكاة صدى اصطدام ثقب أسود لأول مرة

عندما يصطدم ثقبان أسودان، فإنهما لا يندمجان في جسم واحد فحسب، بل يخلقان موجات جاذبية، وتموجات في الزمكان يمكن مقارنتها بصوت الجرس الذي يتردد صداه في جميع أنحاء الكون. لكن العلماء اشتبهوا منذ فترة طويلة في أن هذا “الصوت” الأولي يتبعه صدى ثانٍ خافت، وهو الطنين البطيء الذي يصدره الزمكان أثناء محاولته العودة إلى حالته الأصلية. وحتى الآن، لم يرصده أحد على أرض الواقع، بل تنبأ به نظريًا فقط.

نمذجة ذيول

ولأول مرة، تمكن فريق دولي من الباحثين من وضع نموذج تفصيلي لهذه “الأصداء” – ما يسمى بذيول موجات الجاذبية في الفترة المتأخرة.

يقول ليو ستاين، الأستاذ المساعد في جامعة ميسيسيبي: “حتى الآن، لم نرى سوى ذيولًا في النماذج المبسطة التي تأخذ الترددات الفردية في الاعتبار. وفي عمليات المحاكاة التي قمنا بها مع الحلول العددية الكاملة لمعادلات النسبية العامة، ظهرت بوضوح”.

وضم المشروع 20 عالمًا، من بينهم مارينا دي أميسيس من المعهد المحيطي للفيزياء النظرية. تم نشر أعمالهم في رسائل المراجعة البدنية.

ما هو ذيل موجة الجاذبية؟

تخيل أنك ترمي حجرًا في الماء. تتناثر الموجات الأولى بسرعة، ولكن بعد ذلك تظهر دوائر ضعيفة تتجاوز نطاق التذبذب الرئيسي. في حالة الثقوب السوداء، فإن موجة الجاذبية الأولية هي صوت الجرس، والذيل عبارة عن “أنين” طويل من الزمكان، منخفض التردد ومستمر تقريبًا.

يوضح دي أميسيس: “تتبدد الاهتزازات الأولية في ثوانٍ، لكن الذيل يمكن أن يستمر لفترة أطول بكثير. إنه يحتوي على معلومات ليس فقط عن الثقوب السوداء، ولكن أيضًا عن بنية الفضاء المحيط بها”.

لماذا يصعب ملاحظة هذه الذيول؟

يتم تشويه إشارات التردد المنخفض بسهولة وتتداخل مع بعضها البعض. ولرؤية الذيول في عمليات المحاكاة، قام الباحثون بمحاكاة اصطدام مباشر وشبه مباشر للثقوب السوداء، وهو سيناريو نادر يسمح “بتضخيم” الذيول.

يوضح شتاين: “الأمر يشبه بروفة موسيقية: إذا عزف الجميع بهدوء، فمن الصعب سماع الآلات الفردية. وإذا رفعت مستوى الصوت، يمكنك سماع كل صوت”.

يضيف دي أميسيس: “توفر الذيول معلومات فريدة حول كيفية عمل الكون على نطاقات واسعة”.

تساعدنا عمليات المحاكاة هذه على فهم كيفية تفاعل الزمكان مع التشوه الشديد والعودة إلى التوازن.

العلاقة مع نظرية أينشتاين

بالإضافة إلى ذلك، تؤكد ذيول النظرية النسبية العامة.

يقول شتاين: “لا توجد مثل هذه الذيول في الزمكان المسطح. إنها تظهر فقط حيث يمكن أن ينحني الفضاء، كما توقع أينشتاين”.

تم التنبؤ بموجات الجاذبية لأول مرة في عام 1915 ولم يتم اكتشافها إلا في عام 2015 باستخدام كاشفات LIGO وVirgo. تسمح الذيول للباحثين بتحليل ليس فقط الثقوب السوداء نفسها، ولكن أيضًا البيئة المحيطة بها، مثل كثافة الغاز، وحركة المادة، وحتى بقايا النجوم.

أهمية عملية

تساعد دراسة الذيول على فهم تطور الثقوب السوداء وتأثيرها على المجرات وبنية الزمكان بشكل أفضل.

يقول دي أميسيس: “الآن يمكننا إضافة الحركات المدارية إلى النماذج، ومعرفة كيف تتصرف الذيول في سيناريوهات أكثر واقعية”.

تتيح الذيول أيضًا تقدير سرعة واتجاه حركة الجسم بشكل غير مباشر بعد الاندماج، وهو أمر مهم لفهم تفاعل الثقوب السوداء مع بيئتها.

وبالتالي، فإن عمليات المحاكاة الجديدة لا تُظهر تأثيرًا نادرًا فحسب، بل تفتح أيضًا نافذة لدراسة الكون بتفصيل كبير. إن الذيول، مثل “الصوت” الهادئ للزمكان، تكمل البيانات الواردة من موجات الجاذبية البدائية وتساعد في بناء صورة كاملة لما يحدث في الظروف القاسية للثقوب السوداء.