أثقل تصادم ثقوب سوداء لم يكن على مدار دائري

في 23 نوفمبر 2023، سجّل مرصدا LIGO في هانفورد وليفينغستون الحدث GW231123، وهو أضخم اندماج لثقبين أسودين أُعلن عنه حتى الآن. وبافتراض مدار دائري، أعطى التحليل المعياري كتلتين تبلغان نحو 137 و101 ضعف كتلة الشمس، وكلاهما يدور بسرعة فائقة.

هذه الأرقام محرجة. فالثقب الأسود الأصغر يقع في ما يُسمّى فجوة الكتلة الناتجة عن عدم استقرار الأزواج (pair-instability mass gap)، وهي نطاق من الكتل يصعب على الانهيار العادي للنجوم إنتاجه. وأحد سبل تجاوز ذلك هو الاندماج الهرمي: ففي بيئة مزدحمة، مثل عنقود نجمي كثيف، يبقى بقايا اندماج ما في المكان ثم يندمج من جديد لاحقًا. وتشير الورقة أيضًا إلى دليل مفيد: عندما يندمج ثقبان أسودان متقاربان في الكتلة وقليلا الدوران، يدور الناتج عادةً بقيمة تقارب 0.7 على المقياس اللابُعدي الذي يستخدمه الفيزيائيون، حيث تعني القيم القريبة من 1 دورانًا يكاد يكون أقصى.

بضع دورات فحسب

كان GW231123 قصيرًا: بضع دورات موجية قابلة للقياس فحسب قبل الغوص النهائي. وهذا يجعل تفسيره شديد الحساسية لنموذج شكل الموجة. وثمة خاصية يصعب تحديدها بوجه خاص: اللامركزية (eccentricity)، أي مدى بيضاوية المدار. فإشعاع الموجات الثقالية يميل إلى تدوير مدارات الأزواج القديمة المعزولة، لكن اللقاءات القريبة في البيئات الكثيفة قد تُبقي شيئًا من اللامركزية. وفي غضون بضع دورات فقط، يستطيع المدار البيضاوي أن يحاكي ترنّح الثقوب السوداء الدوّارة. وإذا أغفل نموذجٌ اللامركزية، فقد تمتصّ الدوراناتُ بصمتَها.

البدء من أسفل لرؤية المزيد

أعاد باوشيانغ وانغ وتاو يانغ من جامعة ووهان، مع زملاء من جامعة بكين للمعلمين ومعهد ماكس بلانك لفيزياء الجاذبية في بوتسدام وجامعة نينغبو، تحليل البيانات العامة بنموذج لشكل الموجة يسمح باللامركزية وبالدورانات المترنّحة (precessing) معًا. والفرق الأساسي: بالنسبة إلى كاشف هانفورد، الذي نُظّفت بياناته العامة من تشويش عارض، بدأوا عند 11 هرتز بدل 20. فاللامركزية أكبر عند الترددات المنخفضة، ولذا فإن هذا الجزء المبكر من الإشارة هو الأهم.

تبلغ لامركزية المدار 0.34، معرّفةً عند تردد 5.5 هرتز.
يُفضَّل النموذج اللامركزي بعامل بايز قدره 10.2: أي إن المدار البيضاوي يفسّر البيانات أفضل من الدائري بنحو عشر مرات.
وعند البدء من 20 هرتز، كما فعلت الدراسات السابقة، يجدون لامركزية ضئيلة — بما يتفق مع تلك الدراسات.

وللتحقق من ذلك، بنوا GW231123 مزيفًا بمدار بيضاوي وحلّلوه بالطريقة نفسها. فتصرّف تمامًا مثل الحدث الحقيقي: لامركزي بوضوح بدءًا من 11 هرتز، وأقل بكثير بدءًا من 20. فالبدء من تردد مرتفع أكثر من اللازم قد يخفي مدارًا بيضاويًا.

لغز الدوران ينحلّ قليلًا

السماح باللامركزية يغيّر الثقب الأسود الأصغر أكثر من غيره. إذ ينخفض دورانه من 0.90 في التحليل الدائري إلى نحو 0.74، قريبًا من القيمة 0.7 المتوقعة لبقايا اندماج سابق. وتُظهر الإشارة المزيفة الأثر نفسه: فعند تحليلها على أنها دائرية، يبدو ثقبها الأسود الأصغر أسرع دورانًا مما هو عليه فعلًا.

أما الثقب الأسود الأكبر فيبقى سريع الدوران في الحالتين، وكتلته بالكاد تتلاءم مع أصل بسيط من الجيل الثاني. وقد يكون للثقبين إذن تاريخان مختلفان: الأصغر ربما ابن لثقبين أسودين سابقين، والأكبر تشكّل بطريقة أخرى. وإضافة احتمال وجود عدسة ثقالية على خط النظر لا تغيّر النتيجة اللامركزية.

ما الذي يغيّره ذلك

استخدمت دراسات سابقة الثقبَ الأسود الأصغر في GW231123 لتحديد الحافة العليا لفجوة الكتلة الناتجة عن عدم استقرار الأزواج. ويحتجّ المؤلفون بأنه إذا كان هذا الثقب الأسود نفسه نتاج اندماج، فلا يمكن لكتلته وحدها أن تحدّد تلك الحافة. وعامل بايز قدره 10 تلميح لا برهان — إذ يشير المؤلفون أنفسهم إلى أن الإشارات اللامركزية حقًا لا تعطي دائمًا تفضيلات قوية حين تكون الإشارة قصيرة. ويخلصون إلى أنه حين تستند حدود مجموعة سكانية إلى بضعة أحداث غير عادية، فإن افتراضات شكل الموجة الكامنة وراء تلك الأحداث تكتسب أهمية مباشرة.