نظریه پنجاه ساله هاوکینگ در مورد سیاه‌چاله ها بلاخره تایید شد: دانشمندان صدای ادغام دو افق رویداد را شنیدند

نظریه قدیمی استیون هاوکینگ درباره سیاه‌چاله‌ها بالاخره تأیید شد — دانشمندان ادغام دو افق رویداد را شنیدند

همکاری علمی لایگو (LIGO) با یک رصد جدید تأیید کرد که سیاه‌چاله‌ها با ادغام شدن بزرگ‌تر می‌شوند؛ این کشف می‌تواند نظریه چندین دهه‌ای استیون هاوکینگ را سرانجام به اثبات برساند.

وقتی سیاه‌چاله‌ها با هم ترکیب می‌شوند، امواجی را در تار و پود فضا-زمان منتشر می‌کنند که آشکارسازهایی مانند لایگو روی زمین می‌توانند آن‌ها را «بشنوند». اکنون، یک رویداد ادغام که به تازگی شناسایی شده، ممکن است سرانجام صحت نظریه ۵۰ ساله استیون هاوکینگ را ثابت کند.

دانشمندان با استفاده از یک آشکارساز امواج گرانشی، «صدای» بزرگ‌تر شدن دو سیاه‌چاله را هنگام ادغام و تبدیل شدنشان به یک موجودیت غول‌پیکر واحد، شنیده‌اند.

این کشف که در تاریخ ۱۴ ژانویه توسط رصدخانه موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) انجام شد، بهترین مدرک تا به امروز برای نظریه‌ای است که فیزیکدان مشهور، استیون هاوکینگ، بیش از نیم قرن پیش مطرح کرد، اما هرگز در طول حیاتش به اثبات نرسید.

مطالعه‌ای بر اساس این پژوهش روز چهارشنبه (۱۰ سپتامبر) در ژورنال Physical Review Letters منتشر شد و توسط آدریان جی. آباک، دانشجوی دکترا در مؤسسه فیزیک گرانشی ماکس پلانک در پوتسدام آلمان، رهبری شده است.

امواج در کیهان

لایگو امواج گرانشی را شناسایی می‌کند؛ یعنی لرزش‌هایی در تار و پود فضا-زمان که در طی شدیدترین رویدادهای کیهانی، مانند برخورد سیاه‌چاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی (بقایای ستاره‌های غول‌پیکر)، آزاد می‌شوند. اولین شناسایی مستقیم امواج گرانشی توسط این رصدخانه، که تقریباً دقیقاً ۱۰ سال پیش در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ انجام شد، با مشاهده ادغام دو سیاه‌چاله، پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین را تأیید کرد.

حالا با یک دهه تجربه، همکاران پروژه لایگو بهبودهای زیادی در آشکارسازها ایجاد کرده‌اند؛ به طوری که طبق بیانیه مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) که به طور مشترک با MIT لایگو را اداره می‌کند، اکنون ادغام سیاه‌چاله‌ها به جای ماهی یک بار، تقریباً هر سه روز یک بار مشاهده می‌شود.

در رویدادی که در ۱۴ ژانویه شناسایی شد، لایگو شاهد ادغام دو سیاه‌چاله بود و سیاه‌چاله حاصل از این ادغام، به طور قابل توجهی از دو جرمی که با هم برخورد کرده بودند، بزرگ‌تر بود.

پیش از ادغام، مساحت سطح ترکیبی دو سیاه‌چاله حدود ۲۴۳,۰۰۰ کیلومتر مربع بود (تقریباً به اندازه استان کرمان). اما پس از ادغام، سیاه‌چاله جدید و واحد، مساحتی حدود ۴۰۰,۰۰۰ کیلومتر مربع داشت . به عبارت دیگر، سیاه‌چاله جدید از مجموع اجزای تشکیل‌دهنده‌اش بزرگ‌تر بود.

این کشف که نشان می‌دهد سیاه‌چاله رشد کرده، پیش‌بینی‌ای را که هاوکینگ در سال ۱۹۷۱ مطرح کرده بود تأیید می‌کند: اینکه «افق رویداد» — مرز بیرونی یک سیاه‌چاله که هیچ‌چیز نمی‌تواند از آن بگریزد — هرگز نمی‌تواند از نظر مساحت کوچک‌تر شود.

ماکسیمیلیانو ایسی، یکی از نویسندگان این مطالعه و استادیار دانشگاه کلمبیا، در بیانیه‌ای از سوی انجمن فیزیک آمریکا (APS) گفت: «با اینکه این یک جمله بسیار ساده است که 'مساحت فقط می‌تواند افزایش یابد'، اما پیامدهای عظیمی دارد.» نظریه هاوکینگ به عنوان قانون دوم مکانیک سیاه‌چاله‌ها شناخته می‌شود و شبیه به قانون دوم ترمودینامیک است که می‌گوید آنتروپی (بی‌نظمی) در یک سیستم، فقط می‌تواند در طول زمان افزایش یابد.

این نظریه باعث شده دانشمندان با سیاه‌چاله‌ها به عنوان «اجرام ترمودینامیکی» رفتار کنند؛ یک تغییر پارادایم که با کشف هاوکینگ مبنی بر اینکه سیاه‌چاله‌ها دارای آنتروپی هستند و به دلیل اثرات کوانتومی در نزدیکی افق رویداد از خود تابش ساطع می‌کنند (که به تابش هاوکینگ معروف است)، تثبیت شد.

ایسی اضافه کرد: «این به ما می‌گوید که نسبیت عام چیزی درباره ماهیت کوانتومی این اجرام می‌داند و اطلاعات یا آنتروپی موجود در یک سیاه‌چاله، متناسب با مساحت سطح آن است.»

«زنگ زدن» مانند یک ناقوس

این اولین باری نیست که لایگو نظریه هاوکینگ را آزمایش می‌کند؛ یک رصد در سال ۲۰۲۱ نیز به طور آزمایشی این پیش‌بینی را تأیید کرده بود. اما مقامات دانشگاه کلمبیا افزودند که نتایج جدید، «این نتیجه قبلی را با دقت بسیار بالاتری تأیید می‌کنند.»

این مطالعه با بررسی «گام» (pitch) و «مدت زمان» (duration) امواج گرانشی که هنگام ادغام سیاه‌چاله‌ها ساطع می‌شد، به این دقت دست یافت. محققان می‌توانند از طریق این امواج، اطلاعاتی درباره سیاه‌چاله‌ها به دست آورند، زیرا اندازه و شکل یک سیاه‌چاله بر این امواج تأثیر می‌گذارد؛ درست همان‌طور که اندازه و شکل یک ساز موسیقی بر صدایی که تولید می‌کند تأثیر دارد.

رویداد تازه شناسایی شده، که با نام GW250114 شناخته می‌شود، پس از ادغام و در حین آرام گرفتن سیاه‌چاله جدید، یک «زنگ» یا ارتعاش (ringdown) در فضا-زمان ایجاد کرد.

کاترینا چاتزیوانو، یکی از نویسندگان مقاله و استادیار فیزیک در کلتک، در بیانیه APS گفت: «این ارتعاش یا 'ringdown' چیزی است که وقتی یک سیاه‌چاله دچار آشفتگی می‌شود، اتفاق می‌افتد؛ درست مثل زنگی که وقتی به آن ضربه می‌زنید به صدا در می‌آید.»

این «ارتعاش» به محققان اجازه داد تا تأیید کنند که سیاه‌چاله باقی‌مانده، مساحت سطحی بزرگ‌تری نسبت به دو سیاه‌چاله‌ای که آن را تشکیل داده‌اند، دارد.

این یافته‌ها همچنین نظریه دیگری را که حدود شش دهه پیش توسط ریاضیدانی به نام روی کِر (Roy Kerr) توصیف شده بود، اثبات می‌کنند. این نظریه که به «متریک کِر» (Kerr metric) معروف است، توضیح می‌دهد که معادلات میدان اینشتین برای نسبیت عام در یک سیاه‌چاله در حال چرخش چگونه عمل می‌کنند. به گفته ایسی، به عبارت دیگر: «دو سیاه‌چاله با جرم و چرخش یکسان، از نظر ریاضی کاملاً مشابه هستند. این ویژگی منحصر به سیاه‌چاله‌هاست.»

در حال حاضر، لایگو شامل دو آشکارساز است — یکی در هانفورد واشنگتن و دیگری در لیوینگستون لوئیزیانا — و این دو تداخل‌سنج معمولاً با تداخل‌سنج‌های اروپایی ویرگو (Virgo) و ژاپنی کاگرا (KAGRA) به عنوان بخشی از همکاری LVK (لایگو-ویرگو-کاگرا) کار می‌کنند.

با ادامه تنظیم دقیق آشکارسازهای دوقلوی لایگو، حداقل یک آشکارساز دیگر نیز برنامه‌ریزی شده است. نمایندگان کلتک اشاره کردند که وقتی لایگو-هند در حدود سال ۲۰۳۰ آنلاین شود، «دقت شبکه LVK در مکان‌یابی منابع امواج گرانشی را به شدت بهبود خواهد بخشید.» آشکارسازهای بیشتری نیز ممکن است در آینده ساخته شوند، زیرا تیم به دنبال «شنیدن اولین ادغام‌های سیاه‌چاله‌ها در تاریخ کیهان» است.

منبع لایوساینس