في فبراير من عام 2016 ، صنع العلماء الذين يعملون في مرصد موجات التداخل بالليزر (LIGO) التاريخ عندما أعلنوا عن أول اكتشاف على الإطلاق لموجات الجاذبية. لم يؤكد هذا الاكتشاف فقط تنبؤًا عمره قرن من الزمان من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، لكنه أكد أيضًا وجود ثقوب سوداء ثنائية نجمي - والتي اندمجت لإنتاج الإشارة في المقام الأول.
والآن ، أنتج فريق دولي بقيادة عالم الفيزياء الفلكية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كارل رودريغيز دراسة تشير إلى أن الثقوب السوداء قد تندمج عدة مرات. ووفقًا لدراستهم ، من المحتمل أن تحدث "عمليات الاندماج من الجيل الثاني" هذه في مجموعات كروية ، وهي مجموعات النجوم الكبيرة والمدمجة التي تدور عادةً على حواف المجرات - والتي تكون مكتظة بكثافة بمئات الآلاف إلى ملايين النجوم.
ظهرت الدراسة التي حملت عنوان "ديناميكيات ما بعد نيوتن في مجموعات النجوم الكثيفة: عمليات اندماج عالية للغاية وغريبة للغاية ومتكررة في الثقب الأسود الثنائي" في الآونة الأخيرة في رسائل المراجعة البدنية. قاد الدراسة كارل رودريجيز ، زميل بابالاردو في قسم الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء ، وتضمنت أعضاء من معهد علوم الفضاء ومركز الاستكشاف متعدد التخصصات والبحث في الفيزياء الفلكية (CIERA).
كما أوضح كارل رودريجيز في بيان صحفي صدر مؤخرا عن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا:
نعتقد أن هذه التجمعات تشكلت من مئات إلى آلاف الثقوب السوداء التي غرقت بسرعة في المركز. هذه الأنواع من العناقيد هي في الأساس مصانع لثنائيات الثقب الأسود ، حيث لديك الكثير من الثقوب السوداء المتدلية في منطقة صغيرة من الفضاء بحيث يمكن لدمج اثنين من الثقوب السوداء وإنتاج ثقب أسود أكثر ضخامة. ثم يمكن أن يجد الثقب الأسود الجديد رفيقًا آخر ويدمج مرة أخرى ".
كانت العناقيد الكروية مصدرًا للفتنة منذ أن لاحظها الفلكيون لأول مرة في القرن السابع عشر. تعد هذه المجموعات الكروية من النجوم من أقدم النجوم المعروفة في الكون ، ويمكن العثور عليها في معظم المجرات. اعتمادًا على حجم ونوع المجرة التي تدور حولها ، يختلف عدد العناقيد ، حيث تستضيف المجرات الإهليلجية عشرات الآلاف بينما تحتوي المجرات مثل درب التبانة على أكثر من 150 مجرة.
لسنوات ، كان رودريجيز يحقق في سلوك الثقوب السوداء داخل العناقيد الكروية لمعرفة ما إذا كانت تتفاعل مع نجومها بشكل مختلف عن الثقوب السوداء التي تحتل مناطق أقل كثافة سكانية في الفضاء. لاختبار هذه الفرضية ، استخدم رودريغيز وزملاؤه الحاسوب العملاق كويست في جامعة نورث وسترن لإجراء عمليات محاكاة على 24 مجموعة نجميّة.
تراوحت هذه المجموعات في الحجم من 200،000 إلى 2 مليون نجم وغطت مجموعة من الكثافات المختلفة والتراكيب المعدنية. لقد شكلت المحاكاة نمذجة تطور النجوم الفردية داخل هذه المجموعات على مدى 12 مليار سنة. كانت هذه الفترة الزمنية كافية لمتابعة هذه النجوم أثناء تفاعلها مع بعضها البعض ، وشكلت في النهاية ثقوبًا سوداء.
كما قامت المحاكاة بنمذجة تطور ومسارات الثقوب السوداء بمجرد تشكلها. كما أوضح رودريجيز:
"الشيء الأنيق هو ، لأن الثقوب السوداء هي أكبر الأجسام في هذه العناقيد ، فإنها تغوص في المركز ، حيث تحصل على كثافة عالية بما يكفي من الثقوب السوداء لتشكيل الثنائيات. الثقوب السوداء الثنائية هي في الأساس مثل الأهداف العملاقة المتدلية في الكتلة ، وبينما ترمي ثقوبًا أو نجومًا سوداء أخرى عليها ، فإنها تخضع لهذه اللقاءات الفوضوية المجنونة ".
في حين كانت المحاكاة السابقة تستند إلى فيزياء نيوتن ، قرر الفريق إضافة التأثيرات النسبية لأينشتاين في عمليات محاكاة المجموعات العنقودية. كان هذا بسبب حقيقة أن موجات الجاذبية لم تتنبأ بها نظريات نيوتن ، ولكن بواسطة نظرية آينشتاين عن النسبية العامة. كما أشار رودريغيز ، سمح ذلك لهم برؤية كيف لعبت موجات الجاذبية دورًا:
"ما فعله الناس في الماضي كان التعامل مع هذا على أنه مشكلة نيوتونية بحتة. تعمل نظرية نيوتن للجاذبية في 99.9 في المائة من جميع الحالات. قد تكون الحالات القليلة التي لا تعمل فيها عندما يكون لديك ثقبان أسودان يتقاربان من بعضهما البعض بشكل وثيق للغاية ، وهو ما لا يحدث عادة في معظم المجرات ... في نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، حيث يمكنني إطلاق موجات الجاذبية ، ثم عندما يمر ثقب أسود بالقرب من آخر ، يمكن أن ينبعث في الواقع نبضة صغيرة من موجات الجاذبية. يمكن لهذا أن يطرح ما يكفي من الطاقة من النظام بحيث يصبح الثقبان الأسودان مرتبطان بالفعل ، ثم يتم دمجهما بسرعة. "
ما لاحظوه هو أنه داخل التجمعات النجمية ، تندمج الثقوب السوداء مع بعضها البعض لخلق ثقوب سوداء جديدة. في عمليات المحاكاة السابقة ، تنبأت الجاذبية النيوتونية بأن معظم الثقوب السوداء الثنائية سيتم طردها من الكتلة قبل أن تتمكن من الاندماج. ولكن من خلال أخذ التأثيرات النسبية في الاعتبار ، وجد رودريغيز وفريقه أن ما يقرب من نصف الثقوب السوداء الثنائية اندمجت لتشكل ثقوبًا أكبر.
كما أوضح رودريغيز ، فإن الفرق بين تلك التي اندمجت وتلك التي طُردت ، ظهر ليصبح:
"إذا كان الثقبان الأسودان يدوران عندما يندمجان ، فإن الثقب الأسود الذي يخلقانه سوف ينبعث من موجات الجاذبية في اتجاه واحد مفضل ، مثل الصاروخ ، مما يخلق ثقبًا أسودًا جديدًا يمكنه إطلاق النار بسرعة تصل إلى 5000 كيلومتر في الثانية - لذا ، بسرعة جنونية. قد يستغرق الأمر بضع عشرات من بضع مئات إلى مائة كيلومتر في الثانية للهروب من إحدى هذه المجموعات ".
أثار هذا حقيقة أخرى مثيرة للاهتمام حول المحاكاة السابقة ، حيث اعتقد علماء الفلك أن منتج أي اندماج ثقب أسود سيتم طرده من الكتلة حيث يفترض أن معظم الثقوب السوداء تدور بسرعة. ومع ذلك ، يبدو أن قياسات موجات الجاذبية التي تم الحصول عليها مؤخرًا من LIGO تتناقض مع ذلك ، والتي اكتشفت فقط اندماج الثقوب السوداء الثنائية مع دوران منخفض.
ومع ذلك ، يبدو أن هذا الافتراض يتعارض مع القياسات من LIGO ، التي اكتشفت حتى الآن فقط ثقوبًا سوداء ثنائية ذات لفات منخفضة. لاختبار الآثار المترتبة على ذلك ، قام رودريغيز وزملاؤه بتخفيض معدلات دوران الثقوب السوداء في عمليات المحاكاة الخاصة بهم. ما وجدوه هو أن ما يقرب من 20 ٪ من الثقوب السوداء الثنائية من العناقيد لديها ثقب أسود واحد على الأقل تراوح بين 50 إلى 130 كتلة شمسية.
يشير هذا بشكل أساسي إلى أن هذه كانت ثقوب سوداء "من الجيل الثاني" ، لأن العلماء يعتقدون أن هذه الكتلة لا يمكن تحقيقها بواسطة ثقب أسود يتكون من نجم واحد. بالنظر إلى المستقبل ، يتوقع رودريغيز وفريقه أنه إذا اكتشف ليجو جسمًا بكتلة داخل هذا النطاق ، فمن المحتمل أن يكون نتيجة لدمج الثقوب السوداء داخل الكتلة النجمية الكثيفة ، بدلاً من نجم واحد.
يقول رودريغيز: "إذا انتظرنا طويلاً بما يكفي ، فسوف يرى LIGO في النهاية شيئًا يمكن أن يأتي فقط من مجموعات النجوم هذه ، لأنه سيكون أكبر من أي شيء يمكن أن تحصل عليه من نجم واحد". "لدي مؤلفون مشاركون وأنا نراهن ضد زوجين من الأشخاص الذين يدرسون تكوين النجوم الثنائية التي ضمن أول 100 عملية اكتشاف ليجو ، سيكتشف ليجو شيئًا ما في هذه الفجوة الكتلية العليا. أحصل على زجاجة نبيذ لطيفة إذا كان ذلك صحيحًا ".
كان الكشف عن موجات الجاذبية إنجازًا تاريخيًا ، وقد مكَّن الفلكيين من إجراء بحث جديد ومثير. بالفعل ، يكتسب العلماء رؤية جديدة في الثقوب السوداء من خلال دراسة المنتج الثانوي لعمليات الاندماج. في السنوات المقبلة ، يمكننا أن نتوقع أن نتعلم الكثير بفضل تحسين الأساليب وزيادة التعاون بين المراصد.
