إن الجمع بين اثنين من الثقوب السوداء ، خاصة في المراحل النهائية ، يؤدي إلى انبعاث عدد كبير من موجات الجاذبيةربما كان أكبر اكتشاف لعام 2016 هو الكشف المباشر عن موجات الجاذبية. على الرغم من أن نظرية النسبية العامة لأينشتاين تنبأت بها قبل 101 عام من هذا الحدث ، للكشف عنها ، كان من الضروري إنشاء مقياس تداخل ليزر حساس للانحناء في الفضاء ، وتحويل المرايا التي تقع على بعد عدة كيلومترات من بعضها البعض ، على مسافة لا تزيد عن
10-19 م ، أو 1 / 10000 أقطار بروتون. حدث هذا أخيرًا أثناء معالجة بيانات LIGO في عام 2015 ، وتم العثور على ارتباطين حقيقيين للثقوب السوداء بشكل لا لبس فيه بين البيانات المستلمة. لكن كيف تسمح قوانين الفيزياء بذلك؟ يريد قارئنا أن يعرف:
شغلني هذا السؤال لفترة طويلة جدا. في المقالات حول الاكتشاف الذي تم إجراؤه في LIGO ، يكتبون أن جزءًا من الكتلة تم انبعاثه أثناء اندماج الثقوب السوداء ، ونتيجة لذلك تبين أن الثقب الأسود الناتج أقل من مجموع الاثنين الأصليين. ومع ذلك ، يعتقد أنه لا يمكن للمرء أن يهرب من ثقب أسود. كيف إشععت الطاقة عندما اندمجت الثقوب السوداء؟
سؤال عميق إلى حد ما يتعلق بجوهر فيزياء الثقب الأسود والنسبية العامة.
ثقب أسود ومحيطه ، قرص تسارع يتساقط ويسقط فيه. التفرد مختبئ وراء أفق الحدث.من ناحية ، لدينا ثقب أسود. تتركز كل كتلته / طاقته بشكل فردي في المركز ، ولا يمكن رؤيته للمراقب الخارجي بسبب وجود أفق الحدث. داخله ، أي مسار يمكن أن يتبعه الجسيم ، سواء كان ضخمًا أو بلا كتلة ، بغض النظر عن سرعته أو طاقته ، سيؤدي به إلى تفرد في وسط الثقب الأسود. وهذا يعني أن أي جسيم يقع داخل أفق الحدث لن يكون قادرًا أبدًا على الخروج من هناك ، لذلك سيتم احتجاز كل الطاقة داخل الثقب الأسود إلى الأبد. بمجرد دخول الثقب الأسود ، تصبح جزءًا من خصائص التفرد: الكتلة والشحنة (جميع الأنواع) والدوران. هذا كل ما في الأمر.
الموجات في الزمكان لها تردد من المدار الكلي للثقوب السوداء ، وكلما اقتربت من المركز ، كلما كانت أكثر كثافةمن ناحية أخرى ، يخبرنا GTR أنه عندما تدور كتلتان من أي نوع حول بعضهما البعض ، ونتيجة لذلك ، تظهر موجات على نسيج الفضاء ، ويضيق المدار تدريجيًا. هذه موجات جاذبية ، تتحرك بسرعة الضوء وتحمل الطاقة معها وتتسبب في اتساع المساحة وتضييقها عند مرورها. نظرًا لمعادلة آينشتاين الشهيرة E = mc
2 (أو ، كما كتبها في الأصل ، m = E / c
2 ) ، فإننا نعلم أن مصدر الطاقة هو الكتلة ، ومصدر الكتلة هو الطاقة. يمكن تحويلها ذهابًا وإيابًا ؛ الكتلة هي مجرد شكل واحد تأخذه الطاقة.
ترتبط إشارة LIGO بأول كشف دقيق لموجات الجاذبيةلذا عندما نشر ليجو نتائج الحدث الذي حدث في 14 سبتمبر 2015 ، في يناير 2016 ، لم يكن مفاجئًا بشكل خاص أن اكتشف العلماء ثقبين أسودين - 36 و 29 كتلة شمسية - يندمجان لإنشاء ثقب أسود جديد يزن 62 الشمسية. وأين ذهبت الكتل الثلاث الأخرى للشمس (حوالي 5٪ من وزن النظام بأكمله)؟ لقد ذهبوا إلى طاقة موجات الجاذبية. جميع الأحداث التي تم اكتشافها بعد ذلك كان لها نفس الاتجاه تقريبًا: فتحتان أسودان من كتل مماثلة متقاربة في دوامة ، وحوالي 5 ٪ من إجمالي كتلتها الأولية تشع إلى الخارج في شكل موجات جاذبية.
لكن كل ثقب أسود له أفق حدث. كل زوج كان لديه قبل الاندماج ، ولديه ثقب أسود ناتج ، وفي أي لحظة من الاندماج ، لا تصبح التفرد "عارية" ولا تظهر بسبب أفق الحدث. فكيف تنخفض الكتلة؟
أي جسم أو شكل مادي أو غير مادي يتم تشويهه عندما تمر عبره موجات الجاذبية. لا تنبعث موجات من أفق الحدث.هذا ليس سؤال خدعة. هذا هو نفس السؤال عن مكان الكتلة عندما تندمج البروتونات في الديوتريوم ، الهيليوم -3 ، ثم الهيليوم -4 في الشمس. لماذا الهيليوم 4 أقل كتلة من البروتونات الأربعة التي نشأ منها؟ بسبب طاقة ربط النوى. الحالة المقيدة أكثر استقرارًا ، ولديها طاقة أقل (وبالتالي كتلة أقل) من حالة غير منضم. عندما يجتمع اثنان من الثقوب السوداء معًا ، فإنهما يصبحان أكثر ارتباطًا بالجاذبية من ذي قبل. إنهم يفقدون الطاقة بسبب طاقة الترابط الثقالي ، وليس بسبب حقيقة أن جزءًا من الكتلة يترك أفق الحدث.
لقد أفسح قانون نيوتن للجاذبية الطريق لـ GR الخاص بأينشتاين ، لكنه لا يزال يعمل كأداة مرئية لتتبع الكميات مثل القوة والطاقة.هذا يمكن رؤيته من جاذبية نيوتن. تخيل أن لديك كتلتين تزن كل منهما 1 كيلوجرام ، فهي تستريح وتفصلها مسافة لا حصر لها. مثل هذا النظام لديه طاقة داخلية 1.8 × 10
17 J ، والتي يمكن حسابها من معادلة أينشتاين E = mc
2 . الآن تقريبهم عن طريق تقليل المسافة بينهما.
• إذا كان الكيلومتر يفصل بينهما ، فإن النظام بأكمله فقد 6.67 × 10
-14 ج.
• إذا قمت بتقليل المسافة إلى السنتيمتر ، فسيخسر النظام 6.67 × 10
-9 ج.
• إذا قمت بتقليل المسافة إلى حجم البروتون ،
10-15 م ، فسوف يفقد النظام 6.67 × 10
4 جول ، أي 66700 ج.
• إذا كنت تريد أن تفقد كمية كبيرة من الطاقة حقًا ، فيمكنك تقليل المسافة التي تفصل بينها إلى
10-27 م ، ومن ثم تفقد 6.67 × 10
16 جول ، أو حوالي 35٪ من الطاقة الأصلية للنظام!
الضوء والأمواج في الفضاء. الضوء ، يمر عبر مساحة منحنية ، يغير الطريقة التي يدرك بها المراقب في أي وقت ينقضي فيه الضوء.بالطبع ، يخضع الكون على مثل هذه المقاييس إلى الموارد الوراثية ، وليس الجاذبية النيوتونية ، لكن الجوهر يبقى كما هو. ليست الثقوب السوداء هي التي تفقد الكتلة. تتحول هذه الكمية الإجمالية من الطاقة من شكل واحد - كتلتان منفصلتان غير منضممتين - إلى أخرى: كتلة واحدة متصلة بقوة وإشعاع جاذبية. تحدد خصائص المدار والكتلة للثقوب السوداء الأولية النسبة المئوية من الكتلة الأولية الإجمالية التي ستصبح طاقة الربط ، ولكن على أي حال ستكون الكتلة النهائية أكبر من أي من الأولي ، ولكن أقل من مجموعها. يمكن للإشعاع الأقصى أن يأخذ ما يصل إلى 5 ٪ من الطاقة عندما تكون الكتلتان متماثلتين تقريبًا. إذا كانت ظهورهم تحتوي على كمية كبيرة من الطاقة ، وهي متوازية ، فيمكن زيادة هذه النسبة إلى 11٪. ولكن إذا كانت إحدى الجماهير أعلى بكثير من الأخرى ، فإن النسبة تنخفض. سوف يفقد ثقب أسود بكتلة 1 شمسية ، يندمج مع ثقب أسود بكتلة 1،000،000 ، حوالي 0.0001٪ من طاقته عن طريق الإشعاع.
فكرة الفنان عن نجمين يدوران حول بعضهما البعض والاندماج تدريجيًا ، مما يولد موجات الجاذبية. هذا هو مصدر محتمل لانفجارات أشعة غاما قصيرة الأجل ، وكذلك مصدرًا لموجات الجاذبية.نتيجة للاقتراب اللولبي والاندماج ، لا يخرج شيء داخل الثقوب السوداء ، يتشوه هذا الزمكان تحت تأثير طاقة الجاذبية المحتملة. في المرحلة الأخيرة من الاندماج ، يأخذ أفق الحدث الشكل الأكثر فعالية - كروية أو كروية. في الجزء الأخير من الثانية تنبعث معظم الطاقة ، ولكن لا تخرج جزيئات من داخل أفق الحدث. إن توقعات أينشتاين دقيقة للغاية ، ولهذا السبب تمكنا من اكتشاف هذه الموجات: حسبنا الإشارة التي يجب أن نتوقعها. قد يفشلنا حدسنا ، ولكن هناك معادلات لذلك. حتى عندما تخدعنا غرائزنا ، فإن الحسابات تعطينا الحقيقة العلمية.
إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].