واضح‌ترین امواج گرانشی ناشی از برخورد دو سیاه‌چاله، قضیه ۵۰ ساله هاوکینگ را تأیید کردند

اخترشناسان به لطف پیشرفت‌های عظیم در کشف امواج گرانشی موفق شدند امواج ناشی از یک برخورد سیاه‌چاله‌ای به‌شدت قدرتمند را هنگام عبور از زمین با سرعت نور، شناسایی کنند و به‌لطف این دستاورد، قضیه‌ی ۵۰ ساله استیون هاوکینگ درباره ادغام سیاه‌چاله‌ها را با موفقیت مورد آزمایش قرار دهند.

هاوکینگ در سال ۱۹۷۱ قضیه مساحت سیاه‌چاله خود را پیشنهاد کرد که بیان می‌کند وقتی دو سیاه‌چاله با هم ادغام می‌شوند، افق رویداد سیاه‌چاله‌ی حاصل (مرزی که حتی نور نیز توان گریز از آن را ندارد)‌ نمی‌تواند مساحتی کمتر از مجموع دو سیاه‌چاله اولیه داشته باشد. این قضیه بازتابی از قانون دوم ترمودینامیک است که می‌گوید آنتروپی یا بی‌نظمی درون یک جسم هرگز کاهش نمی‌یابد.

ادغام سیاه‌چاله‌ها بافت فضا-زمان را خم می‌کند و نوسانات کوچکی در آن به‌وجود می‌آورد که با عنوان «امواج گرانشی» شناخته می‌شوند و می‌توانند با سرعت نور در سرتاسر جهان حرکت کنند. پنج رصدخانه امواج گرانشی روی زمین به دنبال امواجی می‌گردند که ۱۰هزار برابر کوچک‌تر از هسته اتم هستند. این رصدخانه‌ها شامل دو آشکارساز لایگو در آمریکا، آشکارساز ویرگو در ایتالیا، کارگا در ژاپن و GEO600 در آلمان هستند. این رصدخانه‌ها از سوی گروهی بین‌المللی به‌نام LVK اداره می‌شوند.

برخورد سیاه‌چاله‌ای اخیر که GW250114 نام گرفته، تقریباً مانند برخوردی است که اولین امواج گرانشی مشاهده‌شده در سال ۲۰۱۵ را ایجاد کرد. هر دو رویداد شامل سیاه‌چاله‌هایی با جرم بین ۳۰ تا ۴۰ برابر جرم خورشید ما بودند و در فاصله‌ی حدود ۱٫۳ میلیارد سال نوری رخ دادند.

این بار، آشکارسازهای به‌روزشده‌ی رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری (لایگو) سه برابر حساسیت بیشتری نسبت به سال ۲۰۱۵ داشتند؛ درنتیجه توانستند امواج ناشی از برخورد را با جزئیات بی‌سابقه ثبت کنند. این دستاورد به پژوهشگران امکان داد تا با محاسبه مساحت افق رویداد پس از ادغام، قضیه هاوکینگ را تأیید کنند.

لورا ناتال، پژوهشگر از دانشگاه پورتسموث و عضو تیم LVK می‌گوید: «وقتی سیاه‌چاله‌ها با هم برخورد می‌کنند، امواج گرانشی تولید می‌شود که مانند صدای زنگ، شامل صداهای فرعی یا هارمونیک هستند.» پیش‌تر، این هارمونیک‌ها به سرعت ناپدید می‌شدند و نمی‌شد آن‌ها را با وضوح کافی شناسایی کرد تا مساحت افق رویدادها قبل و بعد از برخورد محاسبه شود؛ امری که برای آزمایش نظریه هاوکینگ ضروری بود. مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۱ روی اولین برخورد شناسایی‌شده، این نظریه را با سطح اطمینان ۹۵ درصد تأیید کرد؛ اما پژوهش جدید این اطمینان را به ۹۹٫۹۹۹ درصد رسانده است.

در ۱۰ سالی که دانشمندان امواج گرانشی را شناسایی می‌کنند، حدود ۳۰۰ برخورد سیاه‌چاله‌ای ثبت شده است؛ اما هیچ‌کدام به اندازه‌ی GW250114 که دو برابر قدرتمندتر از هر موج گرانشی شناسایی‌شده‌ی دیگر است، قوی و واضح ثبت نشده بودند.

هنگام رسیدن امواج گرانشی GW250114 به زمین، از بین آشکارسازهای تحت نظارت همکاری LVK، فقط رصدخانه‌ی لایگو فعال بود. این امر بر آزمایش نظریه هاوکینگ تأثیری نداشت؛ اما موجب شد که پژوهشگران نتوانند منشا دقیق امواج در آسمان را به وضوح شناسایی کنند.

ایان هری، پژوهشگر از دانشگاه پورتسموث و عضو تیم LVK می‌گوید: «به‌روزرسانی‌های لایگو و دیگر رصدخانه‌های برنامه‌ریزی‌شده در آینده، حساسیت بیشتری خواهند داشت و به ما امکان می‌دهند عمیق‌تر وارد فیزیک سیاه‌چاله‌ها شویم. ممکن است تمام برخوردها را ثبت نکنیم؛ اما دوباره رویدادی مانند این را خواهیم دید.» هری افزود: «با مجموعه بعدی به‌روزرسانی‌ها، شاید در ۲۰۲۸، چیزی شبیه این ببینیم و احتمالاً در آن زمان حساسیت به اندازه‌ای باشد که بتوانیم واقعاً جزئیات را بررسی کنیم.»

یافته‌های اخیر راه را برای پژوهش‌های جدید در زمینه‌ی گرانش کوانتومی هموار می‌کند؛ نظریه‌ای که فیزیکدانان امیدوارند با اتکا بر آن، نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را متحد کنند. ناتال می‌گوید نتایج اخیر نشان می‌دهند که نسبیت عام و مکانیک کوانتوم همچنان به خوبی با هم کار می‌کنند؛ اما انتظار می‌رود در آینده برخی اختلاف‌ها ظاهر شوند.

داده‌های اخیر LVK همچنین به دانشمندان امکان داد تا معادلات روی کر، ریاضیدان نیوزیلندی در دهه ۱۹۶۰ را تأیید کنند. این معادلات پیش‌بینی می‌کرد که سیاه‌چاله‌ها را می‌توان تنها با دو معیار توصیف کرد: جرم و چرخش آن‌ها. به عبارت دیگر، دو سیاه‌چاله با جرم و چرخش برابر، از نظر ریاضی یکسان هستند. به لطف مشاهدات GW250114، اکنون می‌دانیم که این موضوع صحت دارد.