دانشمندان احتمال می‌دهند نشانه‌هایی از سیاه‌چاله‌هایی را دیده باشند که در همان لحظات اولیه پس از بیگ بنگ شکل گرفته‌اند؛ احتمالی بسیار کم، اما بسیار هیجان‌انگیز. این سرنخ‌ها از رصدخانه‌های امواج گرانشی LIGO و Virgo به دست آمده‌اند؛ ابزارهای فوق‌حساس که ریز لرزش‌های فضا را هنگام ادغام اجرام عظیمی مانند سیاه‌چاله‌ها ثبت می‌کنند. در ۱۲ نوامبر، این دو رصدخانه هشداری منتشر کردند که نشان می‌داد یکی از اجسام ادغام‌شونده به‌طور غیرمنتظره‌ای کم‌جرم بوده است؛ آن‌قدر کم‌جرم که نمی‌توان آن را یک سیاه‌چاله یا ستاره نوترونی معمولی دانست. همین ویژگی باعث شده این رویداد به‌عنوان یک احتمال جذاب و غیرعادی مورد توجه پژوهشگران قرار بگیرد.
علاوه بر این، چنین پژوهش‌های علمی مورد توجه «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» نیز است، زیرا پایه‌های علمی آن بر درک عمیق اخترفیزیک و امواج گرانشی استوار است و همزمان چشم‌انداز روش‌های نوین کشف اجرام کیهانی و گشودن پرسش‌های بنیادین درباره شکل‌گیری کیهان را روشن می‌کند.
واکنش پژوهشگران: از هیجان یا تردید؟
دیونا کرون، نظریه‌پرداز ذرات-کیهانی از دانشگاه دورهام، در واکنش به این مشاهده می‌گوید: «اگر این سیگنال واقعی باشد، اهمیت فوق‌العاده‌ای دارد. چنین رویدادی با فرایندهای معمول اخترفیزیکی قابل توضیح نیست.» این جمله نشان‌دهنده اهمیت علوم پایه، به‌ویژه «فیزیک نظری و اخترفیزیک»، در فهم پدیده‌های کیهانی است. با این حال، همه دانشمندان به یک اندازه مطمئن نیستند. کریستوفر بری، ستاره‌شناس امواج گرانشی و عضو تیم LIGO در دانشگاه گلاسگو، احتمال می‌دهد این سیگنال ممکن است تنها نویز باشد. او چند ساعت پس از انتشار هشدار، این موضوع را در شبکه Bluesky با دیگر پژوهشگران به اشتراک گذاشت و نوشت: «شاید خیلی به واقعی بودن این سیگنال نتوان تکیه کرد؛ اما فکر کردن به احتمال آن بی‌تردید هیجان‌انگیز است.» این واکنش نمونه‌ای از اهمیت «فیزیک تجربی و ابزارشناسی دقیق» در کشف و بررسی پدیده‌های نوظهور کیهانی است.
چگونه امواج گرانشی جهان را به لرزه درمی‌آورند
وقتی دو سیاه‌چاله یا ستاره نوترونی به‌هم نزدیک می‌شوند و مارپیچ‌وار می‌چرخند، امواج گرانشی تولید می‌کنند که فضا را به لرزه درمی‌آورد. اندازه‌گیری این نوسان‌های بسیار کوچک نیازمند «فیزیک تجربی و مهندسی دقیق» است: تداخل‌سنج‌های نوری LIGO در آمریکا و Virgo در ایتالیا می‌توانند تغییرات اندکی در طول بازوهای خود را آشکار کنند؛ تغییراتی به کوچکی کسری از قطر یک پروتون. این نوآوری در ابزارسازی و پژوهش بنیادی، نمونه‌ای از دستاوردهای مورد توجه «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» است، جایی که ایده‌های علمی نوآورانه و فناوری‌های پیشرفته برای کشف اسرار کیهان برجسته می‌شوند.
ثبت بیش از ۳۰۰ رویداد گرانشی
از سال ۲۰۱۵ تاکنون، رصدخانه‌های LIGO و Virgo بیش از ۳۰۰ رویداد موج گرانشی را ثبت کرده‌اند. حدود ۹۹ درصد این رویدادها مربوط به ادغام سیاه‌چاله‌ها بوده و چند مورد نیز به ادغام ستاره‌های نوترونی اختصاص داشته است. در تمام این مشاهدات، اجرام ادغام‌شونده جرمی بیشتر از جرم خورشید داشته‌اند. ستاره‌های نوترونی معمولاً بین ۱.۱ تا ۲.۲ جرم خورشیدی وزن دارند و سیاه‌چاله‌هایی که از فروپاشی ستارگان به وجود می‌آیند معمولاً سنگین‌ترند؛ گاهی حتی چندین برابر جرم خورشید.
یک جرم غیرعادی و جذاب
اما هشدار تازه نشان می‌دهد که دست‌کم یکی از دو جرمِ در حال ادغام، جرمی کمتر از یک جرم خورشیدی داشته است؛ ویژگی‌ای که آن را از تمام رویدادهای قبلی متمایز می‌کند. کریستوفر بری در شبکه Bluesky نوشت: «اگر این ادغام تأیید شود، می‌تواند نشانه‌ای قاطع از وجود جمعیتی از سیاه‌چاله‌های نخستین باشد.»
«اگر» بزرگ و نرخ هشدار کاذب
البته، همه چیز هنوز در حد یک «اگر» بزرگ است. LIGO و Virgo برای هر هشدار، نرخ هشدار کاذب را اعلام می‌کنند، یعنی احتمال اینکه نویز دستگاه بتواند سیگنالی مشابه تولید کند. این محاسبه نیازمند فیزیک نظری و تحلیل آماری پیشرفته است تا پژوهشگران بتوانند از داده‌های پیچیده و حساس، نتایج قابل اعتماد استخراج کنند. برای این هشدار خاص، نرخ هشدار کاذب ابتدا یک بار در هر ۶.۲ سال بود و بعداً به یک بار در هر ۴ سال اصلاح شد. بری می‌گوید این نرخ برای یک ادغام معمولی سیاه‌چاله‌ها قابل قبول است، زیرا چنین رویدادهایی هر چند روز یک‌بار رخ می‌دهند. اما وقتی پای یک رویداد نادر به میان می‌آید که می‌تواند مفاهیم کتاب‌های درسی را تغییر دهد، این نرخ نسبتاً بالا به نظر می‌رسد و اهمیت علوم پایه در فیزیک و آمار برای تفسیر دقیق آن برجسته می‌شود.
پیچیدگی استدلال سیاه‌چاله‌های نخستین
استدلال درباره سیاه‌چاله‌های نخستین نیز ساده نیست. این سیاه‌چاله‌ها در همان روزهای نخست کیهان شکل می‌گیرند، زمانی که نقاط فوق‌العاده چگال تحت گرانش خود فرو می‌ریزند و از نظر نظری می‌توانند هر جرمی داشته باشند. برخی پژوهشگران مدتهاست مطرح کرده‌اند که این سیاه‌چاله‌ها ممکن است بخش قابل‌توجهی از ماده تاریک نامرئی را تشکیل دهند. با این حال، اگر تعداد آن‌ها زیاد بود، باید گاهی یکی از آن‌ها از مقابل یک ستاره عبور می‌کرد و با گرانش خود، نور ستاره را موقتاً بزرگ‌نمایی می‌کرد. تاکنون چنین پدیده‌ای مشاهده نشده است؛ این عدم شواهد، تعداد سیاه‌چاله‌های نخستین را محدود می‌کند و نشان می‌دهد که آن‌ها نمی‌توانند تنها منبع ماده تاریک باشند.
ستاره‌های نوترونی سبک یا خیال‌پردازی؟
اجرام در حال ادغام ممکن است ستاره‌های نوترونی بسیار غیرعادی نیز باشند. معمولاً ستاره‌های نوترونی از فروپاشی ستارگانی شکل می‌گیرند که به اندازه کافی سنگین نیستند تا سیاه‌چاله ایجاد کنند، اما چند برابر جرم خورشید وزن دارند. امانوئله برتی، فیزیک‌دان نظری از دانشگاه جانز هاپکینز، می‌گوید نظریه‌پردازان سناریوهایی برای ستاره‌های نوترونی سبک‌تر مطرح کرده‌اند. به عنوان مثال، ممکن است یک ستاره بسیار بزرگ هنگام فروپاشی به سیاه‌چاله، برای مدت کوتاهی حلقه‌ای از ماده تشکیل دهد که در آن ستاره‌های نوترونی کوچک مانند مهره‌های دستبند شکل بگیرند. با این حال، برتی تأکید می‌کند که چنین مدلی بسیار پیچیده و دور از ذهن است و می‌گوید: « این تقریباً به همان اندازه که وجود سیاه‌چاله‌های نخستین خیال‌پردازانه به نظر می‌رسد، دور از ذهن است.»
کوتوله‌های سفید، گزینه‌ای ناممکن
هیچ جرم اخترفیزیکی شناخته‌شده دیگری قادر به تولید چنین سیگنال منحصر‌به‌فردی نیست. برای نمونه، کوتوله‌های سفی، بازمانده سوختۀ ستارگان معمولی مانند خورشید که هزاران کیلومتر قطر دارند و ادغام آن‌ها فرکانسی بسیار پایین تولید می‌کند که رصدخانه‌های LIGO و Virgo قادر به ثبتش نیستند. این نوع پژوهش‌ها نمونه‌ای از کارهای پژوهشی در فیزیک و علوم پایه هستند و مورد توجه ویژه «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» قرار می‌گیرند، زیرا نشان می‌دهند چگونه درک اصول پایه‌ای کیهان می‌تواند راهگشای کشف اجرام غیرعادی و فرآیندهای بنیادین در عالم باشد.
جست‌وجوی انفجار همزمان
LIGO و Virgo این هشدار را منتشر کردند تا اخترشناسان بتوانند به دنبال انفجار احتمالی باشند که ممکن است همزمان با این ادغام رخ داده باشد. وجود چنین انفجاری نشان‌دهنده ماده است و می‌تواند منبع رویداد را به ستاره‌های نوترونی مرتبط کند. با این حال، LIGO و Virgo موقعیت منبع را تنها در یک ناحیه بسیار وسیع مشخص کردند، حدود ۶۰۰۰ برابر اندازه ماه که جست‌وجوی انفجار احتمالی را عملاً غیرممکن می‌کند.
با این حال، پژوهشگران شاید بتوانند تنها از روی سیگنال موج گرانشی ماهیت منبع را تشخیص دهند. الکساندر نیتس، ستاره‌شناس امواج گرانشی، توضیح می‌دهد که یک ادغام معمولی سیاه‌چاله‌ها مانند یک صدای بلند و ناگهانی است، اما اجسام کم‌جرم هنگام نزدیک شدن مارپیچی به هم، برای چند دقیقه یا حتی چند ساعت «زمزمه» می‌کنند. وی می‌گوید این زمزمه برای ستاره‌های نوترونی متفاوت خواهد بود، زیرا آن‌ها نیروهای جزرومدی بر یکدیگر وارد می‌کنند، چیزی که سیاه‌چاله‌ها قادر به انجام آن نیستند. نیتس می‌گوید: «ما می‌توانیم اندازه‌گیری کنیم که آیا این واقعاً ستاره نوترونی است یا سیاه‌چاله.»
راهی طولانی برای تأیید حقیقت
برای تأیید واقعی بودن این رویداد، نیاز به مشاهده نمونه‌های بیشتری از آن داریم. برتی می‌گوید: «وقتی با اولین نمونه از هر پدیده‌ای روبه‌رو می‌شویم، طبیعی است که شکاک باشیم. اما وقتی شاهد مجموعه‌ای از نمونه‌ها باشیم، اطمینان بیشتری پیدا می‌کنیم.» با این حال، کرون هشدار می‌دهد که حتی در این صورت، این سیگنال حاشیه‌ای ممکن است همچنان یک معما باقی بماند: «به‌نظر می‌رسد به‌سختی بتوانیم با قطعیت بگوییم این هشدار واقعی بوده یا نه.» این تلاش‌ها برای کشف اسرار کیهان، نمونه‌ای از پژوهش‌های برجسته‌ای است که در جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان برجسته می‌شوند.
منبع: Science.org
