تصویرسازی هنری از دو سیاه‌چاله که به صورت مارپیچی به هم نزدیک می‌شوند و در این فرآیند امواج گرانشی ایجاد می‌کنند. منبع عکس: ناسا

دانشمندان دقیق‌ترین پیش‌بینی‌های تا به امروز را در مورد اختلالات نادر فضا-زمان که هنگام عبور نزدیک دو سیاه‌چاله از کنار یکدیگر ایجاد می‌شوند، ارائه داده‌اند.

یافته‌های جدید که روز چهارشنبه (۱۴ مه ۲۰۲۵) در مجله نیچر منتشر شد، نشان می‌دهد که مفاهیم انتزاعی ریاضی از فیزیک نظری، کاربرد عملی در مدل‌سازی امواج فضا-زمان دارند و راه را برای مدل‌های دقیق‌تر برای تفسیر داده‌های رصدی هموار می‌کنند.

امواج گرانشی، اعوجاج‌ها و خمیدگی‌هایی در بافت فضا-زمان هستند که در اثر حرکت اجرام عظیم مانند سیاه‌چاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی ایجاد می‌شوند. این امواج که اولین بار در نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین در سال ۱۹۱۵ پیش‌بینی شدند، برای اولین بار یک قرن بعد، در سال ۲۰۱۵، مستقیماً شناسایی شدند. از آن زمان، این امواج به ابزاری قدرتمند برای اخترشناسان تبدیل شده‌اند که برخی از خشن‌ترین و مرموزترین رویدادهای جهان را بررسی می‌کنند.

این تصویرسازی، انرژی حمل‌شده توسط امواج گرانشی ساطع‌شده هنگام عبور دو سیاه‌چاله از کنار یکدیگر را نشان می‌دهد. دانشمندان این انرژی را با دقت بی‌سابقه‌ای با استفاده از توابع ریاضی پیشرفته‌ای که به عنوان دوره‌های Calabi-Yau شناخته می‌شوند، محاسبه کرده‌اند و راه را برای مدل‌های دقیق‌تر امواج گرانشی هموار کرده‌اند. (منبع تصویر: ماتیاس دریس از دانشگاه هومبولت در برلین)

برای درک سیگنال‌های دریافتی توسط آشکارسازهای حساسی مانند LIGO (رصدخانه موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری) و Virgo، دانشمندان به مدل‌های بسیار دقیقی از آنچه انتظار می‌رود این امواج به نظر برسند، نیاز دارند، چیزی شبیه به پیش‌بینی آب و هوای فضا. تاکنون، محققان برای شبیه‌سازی تعاملات سیاه‌چاله‌ها که نیاز به اصلاح گام به گام مسیرهای سیاه‌چاله دارد، به ابررایانه‌های قدرتمند متکی بوده‌اند، فرآیندی که مؤثر اما کند و آهسته و از نظر محاسباتی پرهزینه است.

اکنون، تیمی به رهبری ماتیاس دریس از دانشگاه هومبولت در برلین رویکرد متفاوتی را در پیش گرفته است. محققان به جای مطالعه ادغام‌ها، بر «رویدادهای پراکندگی» تمرکز کردند - مواردی که در آن دو سیاه‌چاله تحت کشش گرانشی متقابل خود، به یکدیگر نزدیک می‌شوند و سپس بدون ادغام، در مسیرهای جداگانه‌ای ادامه می‌دهند. این برخوردها سیگنال‌های موج گرانشی قوی ایجاد می‌کنند، زیرا سیاه‌چاله‌ها با سرعت از کنار یکدیگر عبور می‌کنند.

برای مدل‌سازی دقیق این رویدادها، تیم به نظریه میدان کوانتومی روی آورد، که شاخه‌ای از فیزیک است که معمولاً برای توصیف برهمکنش‌های بین ذرات بنیادی استفاده می‌شود. محققان با شروع از تقریب‌های ساده و پیچیدگی‌های لایه‌بندی سیستماتیک، نتایج کلیدی عبور از کنار سیاه‌چاله‌ها را محاسبه کردند: اینکه چقدر منحرف می‌شوند، چقدر انرژی به صورت امواج گرانشی تابش می‌شود و این اجرام عظیم پس از برهمکنش چقدر پس می‌زنند.

کار آنها شامل پنج سطح پیچیدگی بود و به چیزی رسید که فیزیکدانان آن را نظم پنجم پسا مینکوفسکی می‌نامند - بالاترین سطح دقتی که تاکنون در مدل‌سازی این برهمکنش‌ها به دست آمده است.

گوستاو موگول، فیزیکدان ذرات در دانشگاه کوئین مری لندن و یکی از نویسندگان این مطالعه، به Space.com گفت: «رسیدن به این سطح بی‌سابقه است و دقیق‌ترین راه‌حل برای معادلات انیشتین را تا به امروز نشان می‌دهد.»

موگل همچنین می‌گوید که واکنش تیم به دستیابی به این دقت بی‌نظیر عمدتاً حیرت از این بود که توانستیم کار را انجام دهیم.

محققان هنگام محاسبه انرژی تابش‌شده به صورت امواج گرانشی، دریافتند که اشکال شش بعدی پیچیده‌ای به نام منیفولدهای Calabi-Yau (فضای کالابی-یائو) در معادلات ظاهر می‌شوند. این ساختارهای هندسی انتزاعی - که اغلب به عنوان آنالوگ‌های ابعاد بالاتر سطوح دونات مانند تجسم می‌شوند - مدت‌هاست که جزء اصلی نظریه ریسمان بوده‌اند، چارچوبی که سعی در متحد کردن مکانیک کوانتومی با گرانش دارد. تاکنون، اعتقاد بر این بود که آنها ساختارهای صرفاً ریاضی هستند و هیچ نقش قابل آزمایش مستقیمی در ارتباط با پدیده‌های قابل مشاهده ندارند.

با این حال، در مطالعه جدید، این اشکال در محاسباتی ظاهر شدند که انرژی تابش شده به صورت امواج گرانشی را هنگام عبور دو سیاهچاله از کنار یکدیگر توصیف می‌کردند. این اولین باری است که آنها در زمینه‌ای ظاهر می‌شوند که در اصل می‌تواند از طریق روش‌های آزمایشی دنیای واقعی آزمایش شود.

موگول ظهور آنها را به تغییر از ذره‌بین به میکروسکوپ تشبیه می‌کند که ویژگی‌ها و الگوهایی را که قبلاً غیرقابل تشخیص بودند، آشکار می‌کند. او گفت: «ظهور چنین ساختارهایی، نور جدیدی بر انواع اشیاء ریاضی که طبیعت از آنها ساخته شده است، می‌افکند.»

انتظار می‌رود این یافته‌ها مدل‌های نظری آینده را که هدفشان پیش‌بینی نشانه‌های امواج گرانشی است، به طور قابل توجهی بهبود بخشند. چنین پیشرفت‌هایی با توجه به اینکه آشکارسازهای موج گرانشی نسل بعدی - از جمله آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری (LISA) و تلسکوپ انیشتین در اروپا - در سال‌های آینده به بهره‌برداری می‌رسند، بسیار مهم خواهند بود.

موگل گفت: «بهبود دقت برای همگام شدن با دقت بالاتر مورد انتظار از این آشکارسازها ضروری است.»

منبع: https://www.space.com/astronomy/black-holes/black-hole-dance-illuminates-hidden-math-of-the-universe