موجات الجاذبية تؤكد وجود “فجوة جماعية” في الثقوب السوداء

لطالما اشتبه العلماء في وجود ما يسمى بـ “فجوة الكتلة” من الثقوب السوداء (BHs) في الكون. ووفقا للنظرية، فإن النجوم ذات كتلة معينة لا ينبغي أن تنهار مباشرة إلى ثقوب سوداء. والسبب هو نوع نادر من الانفجارات الكارثية لما يسمى المستعر الأعظم المزدوج غير المستقر. في أعماق نجم ضخم للغاية، يبدأ إشعاع جاما في توليد أزواج من الإلكترون والبوزيترون، وينخفض ​​الضغط، ويفقد النجم كتلته جزئيًا أو يتم تدميره بالكامل. ولهذا السبب، يجب أن تنشأ “منطقة محظورة”: فالثقوب السوداء التي تتراوح كتلتها ما بين 40 إلى 130 كتلة شمسية تقريبًا، والتي تتكون من نجوم منفردة، يجب أن لا تكون موجودة تقريبًا. ومع ذلك، فإن أجهزة الكشف LIGO، وVirgo، وKAGRA، ظلت تكتشف منذ عدة سنوات اندماجات للأجسام التي يبدو أنها تقع ضمن هذا النطاق على وجه التحديد. وجادل علماء الفيزياء الفلكية: إما أن النظرية غير مكتملة، أو أن مثل هذه الثقوب السوداء تظهر بطريقة غير عادية، على سبيل المثال، من خلال عمليات الاندماج المتكررة في مجموعات نجمية كثيفة. قام مؤلفو دراسة جديدة نشرت في مجلة Nature Astronomy بتحليل أكبر كتالوج لأحداث موجات الجاذبية GWTC-4، بما في ذلك 153 عملية اندماج للثقوب السوداء. لم يدرس علماء الفلك كتل الأجسام فحسب، بل درسوا أيضًا دورانها. اتضح أن معظم الثقوب السوداء التي تقل كتلتها عن 45 وحدة شمسية تدور ببطء نسبيًا وتتجه بنفس الطريقة – هكذا تتصرف الأجسام الناتجة عن انهيار النجوم. ومع ذلك، فوق هذه العلامة تتغير الصورة بشكل ملحوظ: تبدأ الثقوب السوداء في الدوران بشكل أسرع، وتصبح اتجاهات دورانها فوضوية.

يتناسب هذا السلوك جيدًا مع سيناريو “الاندماج الهرمي”، حيث يمكن أن تتصادم BHs الموجودة في العناقيد الكروية الكثيفة وتندمج بشكل متكرر. ونتيجة لذلك، تنشأ أشياء يمكنها “ملء” الفجوة المفترضة بين الجماهير. وفي الوقت نفسه، تؤدي عمليات الاندماج المتكررة بشكل طبيعي إلى إنشاء ثقوب سوداء سريعة الدوران ذات اتجاه فوضوي للمحاور – وهذا بالضبط ما رآه علماء الفلك. وقدر الحد الأدنى للمنطقة المحرمة بنحو 44 كتلة شمسية. ومن المثير للدهشة أن هذا الحد تم استخدامه أيضًا لحساب معدل التفاعل النووي الذي يتحول فيه الكربون الموجود داخل النجم إلى أكسجين. يعد هذا التفاعل أحد أوجه عدم اليقين الرئيسية في الفيزياء الفلكية: فمن الصعب للغاية قياسه في المختبر، لأن الظروف داخل النجوم لا يمكن إعادة إنتاجها بالكامل على الأرض. الآن لعب الكون نفسه دور المختبر العملاق. واستمد الباحثون أيضًا قيمة ما يسمى بعامل S، وهو معامل يصف احتمال تفاعل الكربون مع الهيليوم. ويعتمد عليه التركيب الكيميائي لنواة النجم قبل الانفجار: فكلما تم تحويل الكربون بشكل أسرع إلى أكسجين، حدث عدم استقرار الزوج في وقت مبكر وأصبح تدمير النجم أسهل بدلاً من تكوين ثقب أسود. في الواقع، أتاحت موجات الجاذبية قياس العمليات التي تحدث في النوى الساخنة للنجوم بشكل غير مباشر قبل ملايين السنين من موتها.

يربط هذا الاكتشاف عدة مجالات علمية في وقت واحد – علم فلك موجات الجاذبية، وفيزياء الثقب الأسود، وتطور النجوم، والفيزياء النووية. يمكن أن تساعد مثل هذه القياسات في فهم كيفية تشكل العناصر الكيميائية في المجرات ولماذا تتحول بعض النجوم إلى نيوترونات والبعض الآخر إلى ثقوب سوداء. ستزداد دقة هذه التقديرات مع كل فهرس جديد لموجات الجاذبية، مما يعني أن علماء الفلك سيكونون قادرين على دراسة العمليات التي كانت في السابق متاحة فقط للنماذج النظرية.