النجوم المحتضرة ترسل موجات جاذبية عبر الكون

قد تكون التموجات في الزمكان الناتجة عن موت النجوم الدوارة الضخمة ضمن حدود اكتشاف مشاريع مثل ليجو والعذراء.

قد تنتج النجوم المنهارة، وهي بقايا النجوم الضخمة المنهارة، صورًا يمكن اكتشافها الموجات الثقاليةوفقًا لمحاكاة جديدة، يمكن أن توفر هذه الموجات، التي تنشأ عن المواد التي تتدفق إلى الثقوب السوداء، رؤى حول العمليات الداخلية للنجوم والثقوب السوداء، على الرغم من أن تحديدها لا يزال يشكل تحديًا.

الموجات الثقالية الناتجة عن موت النجوم

إن موت نجم ضخم يدور بسرعة كبيرة قد يهز الكون. ويمكن الشعور بالتموجات الناتجة عن ذلك – المعروفة بالموجات الثقالية – بواسطة الأجهزة الموجودة على الأرض، وفقًا لبحث جديد نُشر في 22 أغسطس في مجلة Astronomical Journal. ال رسائل مجلة الفيزياء الفلكيةويتوقع العلماء القائمون على البحث أن هذه المصادر الجديدة للموجات الثقالية لا تزال تنتظر الاكتشاف.

تنشأ الموجات الثقالية بعد الموت العنيف للنجوم التي تدور بسرعة والتي يبلغ حجمها من 15 إلى 20 ضعف كتلة الشمس. وعند نفاد الوقود، تنفجر هذه النجوم، ثم تنفجر، في حدث يُعرف باسم الانهيار النجمي. ويخلف هذا وراءه ثقب اسود تحيط بها قرص كبير من المواد المتبقية التي تدور بسرعة في فم الثقب الأسود. إن دوران المواد – الذي يستمر لبضع دقائق فقط – كبير جدًا لدرجة أنه يشوه الفضاء المحيط به، مما يخلق موجات جاذبية تنتقل عبر الكون.

محاكاة توضح توزيع المادة حول ثقب أسود حديث الولادة بعد انهيار نجمي. تشير الألوان الأكثر دفئًا إلى كثافات أعلى للمادة. حقوق النشر: Ore Gottlieb

محاكاة اكتشاف الموجات الثقالية

وباستخدام عمليات المحاكاة المتطورة، قرر العلماء أن هذه الموجات الثقالية يمكن اكتشافها باستخدام أدوات مثل مرصد الموجات الثقالية بالتداخل بالليزر (LIGO)، والذي أجرى أول ملاحظات مباشرة للموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء في عام 2015. وإذا تم رصد الموجات التي يقودها الانهيار، فإنها ستساعد العلماء على فهم العمليات الداخلية الغامضة للانهيارات والثقوب السوداء.

يقول أور جوتليب، الباحث في مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون في مدينة نيويورك: “حاليًا، تأتي المصادر الوحيدة للموجات الثقالية التي اكتشفناها من اندماج جسمين مضغوطين – نجوم نيوترونية أو ثقوب سوداء”. “أحد أكثر الأسئلة إثارة للاهتمام في هذا المجال هو: ما هي المصادر المحتملة غير الاندماجية التي يمكن أن تنتج موجات ثقالية يمكننا اكتشافها باستخدام المرافق الحالية؟ إحدى الإجابات الواعدة الآن هي الانهيارات النجمية”.

الموجات الثقالية التي يمكن اكتشافها من النجوم المنهارة

قام جوتليب، إلى جانب الباحث الزائر في CCA والأستاذ بجامعة كولومبيا يوري ليفين والأستاذ بجامعة تل أبيب أمير ليفينسون، بمحاكاة الظروف – بما في ذلك المجالات المغناطيسية ومعدلات التبريد – الموجودة في أعقاب انهيار نجم دوار ضخم. أظهرت المحاكاة أن النجوم المنهارة يمكن أن تنتج موجات جاذبية قوية بما يكفي لتكون مرئية من حوالي 50 مليون سنة ضوئية. هذه المسافة أقل من عُشر النطاق القابل للكشف عن الموجات الجاذبية الأكثر قوة من اندماج الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية، على الرغم من أنها لا تزال أقوى من أي حدث غير اندماج تم محاكاته حتى الآن.

نتائج غير متوقعة في أنماط الموجات الثقالية

ويقول جوتليب إن النتائج الجديدة جاءت بمثابة مفاجأة. فقد اعتقد العلماء أن الانهيار الفوضوي من شأنه أن يخلق خليطاً من الموجات التي يصعب تمييزها وسط ضوضاء الخلفية الكونية. تخيلوا فرقة أوركسترا تستعد للعزف. فعندما يعزف كل عازف نوتاته الخاصة، قد يكون من الصعب التمييز بين اللحن القادم من فلوت أو توبا واحدة. من ناحية أخرى، تخلق الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج جسمين إشارات واضحة وقوية مثل أوركسترا تعزف معًا. وذلك لأنه عندما يكون جسمان مضغوطان على وشك الاندماج، فإنهما يرقصان في مدار ضيق يخلق موجات ثقالية مع كل دورة. يعمل إيقاع الموجات المتطابقة تقريبًا على تضخيم الإشارة إلى مستوى يمكن اكتشافه. أظهرت المحاكاة الجديدة أن الأقراص الدوارة حول النجوم المنهارة يمكن أن تصدر أيضًا موجات ثقالية تتضخم معًا، تمامًا مثل الأجسام المدمجة التي تدور في الاندماجات.

قوة الموجات التي تحركها الكوالبسار

يقول جوتليب: “اعتقدت أن الإشارة ستكون أكثر فوضوية لأن القرص عبارة عن توزيع مستمر للغاز مع دوران المادة في مدارات مختلفة. لقد وجدنا أن الموجات الثقالية من هذه الأقراص تنبعث بشكل متماسك، وهي أيضًا قوية إلى حد ما”.

لا تعد الإشارة المتوقعة من أقراص النجوم المنهارة قوية بما يكفي لرصدها بواسطة مرصد ليجو فحسب، بل تشير حسابات جوتليب إلى أن بعض الأحداث قد تكون موجودة بالفعل في مجموعات البيانات الموجودة. ويمكن لأجهزة الكشف عن الموجات الثقالية المقترحة مثل مرصد كوزميك إكسبلورر ومرصد أينشتاين أن ترصد العشرات منها سنويًا.

استراتيجيات الكشف عن أحداث الانهيار

إن مجتمع الموجات الثقالية مهتم بالفعل بالبحث عن هذه الأحداث، لكن هذه ليست مهمة سهلة. فقد قام العمل الجديد بحساب توقيعات الموجات الثقالية لعدد متواضع من أحداث الانهيار النجمي المحتملة. ومع ذلك، فإن النجوم تمتد على نطاق واسع من أنماط الكتلة والدوران، وهو ما من شأنه أن يخلق اختلافات في إشارات الموجات الثقالية المحسوبة.

يقول جوتليب: “من حيث المبدأ، من الأفضل أن نجري محاكاة لمليون نجم منهار حتى نتمكن من إنشاء نموذج عام، ولكن لسوء الحظ، فإن هذه المحاكاة مكلفة للغاية. لذا، يتعين علينا الآن اختيار استراتيجيات أخرى”.

وبوسع العلماء أن ينظروا إلى البيانات التاريخية لمعرفة ما إذا كانت هناك أي أحداث مشابهة لتلك التي حاكها جوتليب. ولكن نظراً لتنوع النجوم، فإن كل منها يحمل إشارة فريدة محتملة، ومن غير المرجح أن يجد العلماء تطابقاً مع إحدى الإشارات المحاكية. وتتمثل استراتيجية أخرى في استخدام إشارات أخرى من أحداث انهيار قريبة ــ مثل المستعرات العظمى أو انفجارات أشعة جاما التي تنبعث أثناء انهيار النجم ــ ثم البحث في أرشيفات البيانات لمعرفة ما إذا كان قد تم رصد أي موجات جاذبية في تلك المنطقة من السماء في نفس الوقت تقريباً.

التداعيات المترتبة على فهم الثقوب السوداء

إن اكتشاف الموجات الثقالية الناتجة عن الانهيار النجمي من شأنه أن يساعد العلماء على فهم البنية الداخلية للنجم بشكل أفضل عند انهياره، كما سيمكنهم أيضًا من التعرف على خصائص الثقوب السوداء – وهما موضوعان لا يزالان غير مفهومين بشكل جيد.

يقول جوتليب: “هذه أشياء لا يمكننا اكتشافها بطريقة أخرى. والطريقة الوحيدة التي يمكننا من خلالها دراسة هذه المناطق النجمية الداخلية المحيطة بالثقب الأسود هي من خلال الموجات الثقالية”.

مرجع: “في مرمى LIGO؟ موجات جاذبية متماسكة قوية من أقراص Collapsar المبردة” بقلم Ore Gottlieb وAmir Levinson وYuri Levin، 22 أغسطس 2024، رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad697c