LIGO و Virgo يعثران على كائن غامض في 'فجوة الكتلة'

دائرة سوداء كبيرة مكتوب عليها

في أغسطس من عام 2019 ، شهدت شبكة موجات الجاذبية LIGO-Virgo اندماج ثقب أسود بكتلة 23 ضعف كتلة شمسنا وجسم غامض يبلغ 2.6 ضعف كتلة الشمس. لا يعرف العلماء ما إذا كان الجسم الغامض نجمًا نيوترونيًا أم ثقبًا أسود ، ولكن في كلتا الحالتين سجل رقمًا قياسيًا على أنه إما أثقل نجم نيوتروني معروف ... أو أخف ثقب أسود معروف. صورة عبرليغو/ معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا / معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا / آر هيرت (IPAC).

نُشر في الأصل في 23 يونيو 2020 عن طريق التعاون الدولي بين LIGO-Virgo.

عندما تموت أضخم النجوم ، فإنها تنهار تحت تأثير جاذبيتها وتترك وراءها ثقوبًا سوداء ؛ عندما تموت النجوم الأقل كتلة قليلاً ، فإنها تنفجر في السوبرنوفا وتترك وراءها بقايا كثيفة وميتة من النجوم تسمى النجوم النيوترونية. لعقود من الزمان ، حير علماء الفلك بفجوة تقع بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء: أثقل نجم نيوتروني معروف لا يزيد عن 2.5 مرة كتلة شمسنا ، أو 2.5 مرة.الكتل الشمسية، وأخف ثقب أسود معروف هو حوالي 5 كتل شمسية. بقي السؤال: هل يكمن أي شيء في ما يسمى بالفجوة الجماعية؟

الآن ، في دراسة جديدة من مرصد مقياس التداخل بالليزر لموجات الجاذبية التابع لمؤسسة العلوم الوطنية (ليغو) و البرج العذراءكاشف في أوروبا ، أعلن العلماء اكتشاف جسم كتلته 2.6 كتلة شمسية ، مما يضعه بقوة في فجوة الكتلة. تم العثور على الجسم في 14 أغسطس 2019 ، حيث اندمج مع ثقب أسود من 23 كتلة شمسية ، مما أدى إلى ظهور موجة من موجات الجاذبية التي تم اكتشافها مرة أخرى على الأرض بواسطة LIGO و Virgo. ورقة حول الكشف كاننشرتفي 23 يونيو 2020 ، فيرسائل مجلة الفيزياء الفلكية.

فيكي كالوجيرا، أستاذ في جامعة نورث وسترن ،قالت:

لقد كنا ننتظر عقودًا لحل هذا اللغز. لا نعرف ما إذا كان هذا الجسم هو أثقل نجم نيوتروني معروف ، أو أخف ثقب أسود معروف ، ولكن في كلتا الحالتين يحطم الرقم القياسي.



مؤلف مشاركباتريك براديقال أستاذ في جامعة ويسكونسن في ميلووكي والمتحدث باسم LIGO Scientific Collaboration:

سيغير هذا كيف يتحدث العلماء عن النجوم النيوترونية والثقوب السوداء. قد لا توجد فجوة الكتلة في الواقع على الإطلاق ولكن ربما كانت بسبب قيود في قدرات المراقبة. سيخبرنا الوقت والمزيد من الملاحظات.

نتج عن الاندماج الكوني الموصوف في الدراسة ، وهو حدث أُطلق عليه اسم GW190814 ، ثقب أسود نهائي تبلغ كتلته حوالي 25 مرة كتلة الشمس (تم تحويل بعض الكتلة المدمجة إلى انفجار للطاقة على شكل موجات ثقالية). يقع الثقب الأسود المتكون حديثًا حوالي 800 مليونسنوات ضوئيةبعيدًا عن الأرض.

قبل أن يندمج الجسمان ، اختلفت كتلتهما بمعامل 9 ، مما يجعل هذه النسبة القصوى للكتلة المعروفة لحدث موجة الجاذبية. حدث LIGO-Virgo آخر تم الإبلاغ عنه مؤخرًا ، يسمى GW190412 ، وقع بين ثقبين أسودين بنسبة كتلة تبلغ حوالي 4: 1. وأوضح كالوجيرا:

إنه تحدٍ للنماذج النظرية الحالية لتكوين أزواج مدمجة من الأجسام المدمجة مع نسبة كتلة كبيرة حيث يقيم الشريك ذو الكتلة المنخفضة في فجوة الكتلة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن هذه الأحداث تحدث في كثير من الأحيان أكثر مما توقعنا ، مما يجعل هذا الكائن منخفض الكتلة مثيرًا للاهتمام حقًا.

قد يكون الجسم الغامض نجمًا نيوترونيًا يندمج مع ثقب أسود ، وهو احتمال مثير متوقع نظريًا ولكن لم يتم تأكيده بعد من خلال الملاحظة. ومع ذلك ، فإن الكتلة التي تبلغ 2.6 ضعف كتلة شمسنا ، تتجاوز التوقعات الحديثة للحد الأقصى لكتلة النجوم النيوترونية ، وقد تكون بدلاً من ذلك أخف ثقب أسود تم اكتشافه على الإطلاق.

رسم به دوائر زرقاء في الأعلى ، ودوائر أرجوانية تليها ، ونقاط صفراء وبرتقالية في الأسفل.

جماهير في المقبرة النجمية. يُظهر هذا الرسم كتل الثقوب السوداء المكتشفة من خلال الملاحظات الكهرومغناطيسية (الأرجواني) ، والثقوب السوداء المقاسة بواسطة ملاحظات موجات الجاذبية (الزرقاء) ، والنجوم النيوترونية المقاسة بالملاحظات الكهرومغناطيسية (الصفراء) ، والنجوم النيوترونية المكتشفة من خلال موجات الجاذبية (البرتقالية). تم تمييز GW190814 في منتصف الرسم باعتباره اندماج ثقب أسود وجسم غامض (إما نجم نيوتروني أو ثقب أسود) حوالي 2.6 ضعف كتلة الشمس. صورة عبرليغو العذراء/ شمال غرب الولايات المتحدة / فرانك إيلافسكي وآرون جيلر.

عندما اكتشف علماء LIGO و Virgo هذا الاندماج ، أرسلوا على الفور تنبيهًا إلى المجتمع الفلكي. وتابعت العشرات من التلسكوبات الأرضية والفضائية بحثًا عن موجات الضوء المتولدة في الحدث ، لكن لم يلتقط أي منها أي إشارات. حتى الآن ، شوهدت مثل هذه النظائر الخفيفة لإشارات موجات الجاذبية مرة واحدة فقط ، في حدث يسمى GW170817. هذا الحدث ، الذي اكتشفته شبكة LIGO-Virgo في أغسطس 2017 ، تضمن تصادمًا ناريًا بين نجمين نيوترونيين شوهد لاحقًا بواسطة عشرات التلسكوبات على الأرض وفي الفضاء. تصادمات النجوم النيوترونية هي أمور فوضوية حيث تتدفق المادة إلى الخارج في جميع الاتجاهات ، وبالتالي يُتوقع أن تتألق بالضوء. على العكس من ذلك ، يُعتقد أن عمليات اندماج الثقوب السوداء ، في معظم الظروف ، لا تنتج الضوء.

وفقًا لعلماء LIGO و Virgo ، لم تتم مشاهدة حدث أغسطس 2019 بواسطة التلسكوبات الضوئية لعدة أسباب محتملة. أولاً ، كان هذا الحدث بعيدًا بست مرات عن الاندماج الذي لوحظ في عام 2017 ، مما يجعل من الصعب التقاط أي إشارات ضوئية. ثانيًا ، إذا اشتمل الاصطدام على ثقبين أسودين ، فمن المحتمل ألا يتألق بأي ضوء. ثالثًا ، إذا كان الجسم في الحقيقة نجمًا نيوترونيًا ، فربما يكون شريكه في الثقب الأسود الأكثر ضخامة والذي يبلغ 9 أضعاف قد ابتلعه بالكامل ؛ النجم النيوتروني الذي يستهلكه ثقب أسود بالكامل لن يعطي أي ضوء. علق Kalogera:

أفكر في باك مان يأكل نقطة صغيرة. عندما تكون الكتل غير متماثلة إلى حد كبير ، يمكن أن يؤكل النجم النيوتروني الأصغر في لدغة واحدة.

كرة زرقاء مرقطة متوهجة وكرة داكنة في المسافة ، مع خطوط صفراء وبرتقالية تربطهما.

مفهوم الفنان للثقب الأسود / النظام الثنائي للنجم النيوتروني. يُظهر نجمًا نيوترونيًا (في المقدمة) يدور حول ثقب أسود أكبر (في الخلفية). الثقب الأسود أبعد ويظهر أصغر من هذا المنظور ، ويظهر تأثيراتعدسة الجاذبيةمن المواد المتراكمة من النجم النيوتروني. من غير المعروف ما إذا كان رفيق الثقب الأسود في GW190814 هو نجم نيوتروني أم ثقب أسود منخفض الكتلة. الصورة عبر Carl Knox (OzGrav) /ليغو العذراء.

كيف سيعرف الباحثون ما إذا كان الجسم الغامض نجمًا نيوترونيًا أم ثقبًا أسود؟ الملاحظات المستقبلية مع LIGO و Virgo وربما تلسكوبات أخرى قد تكتشف أحداثًا مماثلة من شأنها أن تساعد في الكشف عن وجود أجسام إضافية في فجوة الكتلة.تشارلي اليومقال أحد أعضاء LIGO العلمي وطالب دراسات عليا في جامعة كارديف:

هذه هي اللمحة الأولى لما يمكن أن يكون مجموعة جديدة كاملة من الكائنات الثنائية المدمجة. الأمر المثير حقًا هو أن هذه مجرد البداية. مع زيادة حساسية الكواشف ، سنلاحظ المزيد من هذه الإشارات ، وسنكون قادرين على تحديد مجموعات النجوم النيوترونية والثقوب السوداء في الكون.

بيدرو مارونيتيقال مدير برنامج فيزياء الجاذبية في المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF):

كانت فجوة الكتلة لغزًا مثيرًا للاهتمام لعقود من الزمن ، والآن اكتشفنا شيئًا يناسب داخلها تمامًا. لا يمكن تفسير ذلك دون تحدي فهمنا للمادة شديدة الكثافة أو ما نعرفه عن تطور النجوم. هذه الملاحظة هي مثال آخر على الإمكانات التحويلية لمجال علم فلك الموجات الثقالية ، والتي تجلب رؤى جديدة مع كل اكتشاف جديد.

خلاصة القول: يتجول عالم العلوم حول اكتشاف جديد تم إجراؤه عبر تعاون LIGO-Virgo. إنه كائن جديد تم العثور عليه في ما يسمى بـ 'فجوة الكتلة' بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.

المصدر: GW190814: موجات الجاذبية من اندماج 23 ثقب أسود كتلة شمسية مع جسم مضغوط الكتلة الشمسية 2.6

عبر LIGO / Caltech