اثبات درستی نسبیت عام با گوش دادن به "زنگ" سیاهچاله‌ها

هر کار کنیم نمی‌توانیم اشتباهی از اینشتین بگیریم! یکی از پیش‌بینی‌های نظریه‌ی نسبیت عام وی اینست که سیاهچاله‌ها اجرامی ساده‌اند- و گوش دادن به "نوای زنگ" آنها این سادگی را اثبات می‌کند.

بر پایه‌ی نسبیت عام، هر سیاهچاله را می‌توان تنها با سه ویژگی به طور کامل توصیف کرد: جرم آن، چرخش (اسپین) آن، و بار الکتریکی‌اش. در عمل تنها دو مورد نخست به کار می‌روند زیرا انتظار نداریم سیاهاله‌ها بار الکتریکی بیاندوزند.

هر اطلاعات دیگری درباره‌ی سیاهچاله‌ها، از جمله ویژگی‌های اجرامی که به درونشان فرو رفته‌اند، از این سوی افق رویداد آنها دیدارپذیر نیست. این اطلاعاتِ اضافی "مو" نامیده شده و و بنابراین این قضیه به نام "نظریه‌ی بدون مو" شناخته می‌شود.

مشاهدات ما از سیاهچاله‌ها همگی با این پنداشت سازگار بوده. ولی ماکسیمیلیانو ایزی از ام‌آی‌تی به همراه همکارانش در پی آزمایش این پنداشت به روشی متفاوت بر آمدند: با بهره از امواج گرانشی، موج‌هایی در بافت فضازمان که در اثر جابجایی اجرام بزرگ و سنگین پدید می‌آید.

می‌دانیم که هرگاه دو سیاهچاله به هم بپیوندند، تک-سیاهچاله‌ی پدید آمده باید مانند یک ناقوس "بنوازد" (زنگ بزند)، و امواج گرانشی در چندین بسامد تولید کند. درست مانند نُت زنگ یک ناقوس که بر پایه‌ی شکل ناقوس تعیین می‌شود، بسامدهای امواجی که توسط سیاهچاله تولید می‌شوند هم بر پایه‌ی جرم و چرخش آن تعیین می‌شوند. ایزی می‌گوید: «این بسامدها و طول عمرشان پیوندی ناگسستنی با شکل ناقوس دارند، پس با گوش دادن به نوای زنگ آنها می‌توانیم درباره‌ی ساختارشان آگاهی به دست آوریم.»

بسامدی که زمان بیشتری دوام می‌آورد به نام "بسامد پایه" شناخته می‌شود، ولی نت‌های کم‌عمرتر با نام فرازنواخت‌ها (overtone) هم وجود دارند. لئو اشتاین از دانشگاه می‌سی‌سی‌پی می‌گوید: «زنگ پایه مانند نوای یک جام شراب باکیفیت است، و فرازنواخت‌ها بیشتر مانند یک تلپ خفه.»

ایزی و همکارانش در پی این برآمدند که یکی از این فرازنواخت‌ها را در یک سیگنال موج گرانشی که آشکارساز لایگو سال ۲۰۱۵ دریافت کرده بود پیدا کنند. این نخستین بارست که کسی بیش از یک نواخت (tone) در یک موج گرانشی پیدا کرده‌. جرم و اسپین سیاهچاله از پیش، توسط دانشمندان لایگو بر پایه‌ی همه‌ی اطلاعاتِ درون سیگنال اندازه‌گیری شده بود. اکنون ایزی و همکارانش تنها با بهره از بسامدهای فرازنواختی که پیدا کرده‌اند، جرم و اسپین سیاهچاله را برآورد کرده‌اند.

آنها جرم سیاهچاله را حدود ۶۸ برابر خورشید و چرخش آن را حدود ۱۰۰ دور بر ثانیه به دست آوردند. این اندازه‌ها همخوانی خوبی با برآوردهای پیشین داشتند. از آنجایی که برآورد ایزی بر پایه‌ی "نظریه‌ی بدون مو" است، پس این، درست بودن این نظریه را نشان می‌دهد. به بیان دیگر، هنوز هم حق با اینشتین است.

این نتیجه منحصرا دقیق نیست. سیاهچاله هنوز هم می‌تواند تا ۲۰ درصد از نسبیت منحرف شود. ولی شانس خوبی هست که بتوان تکرارش کرد. کاترینا کاتزیوانو از بنیاد فلت‌آیرون نیویورک می‌گوید: «این نتایج از بلندترین سیگنالی از سیاهچاله‌ی دوتایی که تاکنون داشته‌ایم به دست آمده، ولی سیگنال‌های بیشتری هم هستند که هنوز بررسی نشده‌اند.» این سنجش‌ها باید به فیزیکدانان اجازه دهد تا به طور دقیق، مو داشتن یا نداشتن سیاهچاله‌ها را تعیین کنند.

گزارش این دانشمندان در نشریه‌ی فیزیکال ریویو لترز منتشر شده.

--------------------------------------------

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:

Einstein - general relativity - black hole - electrical charge - hair - no-hair theorem - Maximiliano Isi - Massachusetts Institute of Technology - gravitational wave - spacetime - frequency - note - fundamental - overtone - Leo Stein - University of Mississippi - LIGO - binary black hole - Katerina Chatziioannou - Flatiron Institute - New York - Physical Review Letters

منبع: نیوساینتیست

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان