سنگین‌ترین برخورد سیاه‌چاله‌ها روی یک دایره رخ نداد
در ۲۳ نوامبر ۲۰۲۳، رصدخانه‌های LIGO در هنفورد و لیوینگستون GW231123 را ثبت کردند؛ پرجرم‌ترین ادغام دو سیاه‌چاله که تاکنون گزارش شده است. تحلیل استاندارد، با فرض مداری دایره‌ای، جرم‌هایی در حدود ۱۳۷ و ۱۰۱ برابر جرم خورشید به دست داد که هر دو به‌شدت سریع می‌چرخیدند.
این اعداد دردسرسازند. سیاه‌چالهٔ کوچک‌تر در محدوده‌ای می‌افتد که شکاف جرمی ناپایداری زوج (pair-instability mass gap) نامیده می‌شود؛ بازه‌ای از جرم‌ها که فروریزش معمولی یک ستاره به‌سختی می‌تواند تولیدشان کند. یک راه گریز، ادغام سلسله‌مراتبی است: در محیطی شلوغ مانند یک خوشهٔ ستاره‌ای چگال، بازماندهٔ یک ادغام در همان حوالی می‌ماند و بعدها دوباره ادغام می‌شود. مقاله به سرنخ مفیدی هم اشاره می‌کند: وقتی دو سیاه‌چالهٔ هم‌جرم با چرخش اندک ادغام می‌شوند، بازمانده معمولاً با مقداری حدود ۰٫۷ می‌چرخد، بر مقیاس بی‌بعدی که فیزیک‌دانان به کار می‌برند و در آن مقادیر نزدیک به ۱ به معنای چرخشی تقریباً حدی است.
تنها چند چرخه
GW231123 کوتاه بود: تنها چند چرخهٔ موج قابل اندازه‌گیری پیش از فرورفتن نهایی. همین تفسیرش را به‌شدت به مدل شکل موج وابسته می‌کند. تعیین یک ویژگی به‌ویژه دشوار است: خروج از مرکز (eccentricity)، یعنی این‌که مدار چقدر بیضی‌شکل است. گسیل امواج گرانشی معمولاً مدار زوج‌های قدیمی و منزوی را گرد می‌کند، اما برخوردهای نزدیک در محیط‌های چگال می‌توانند مقداری خروج از مرکز بر جا بگذارند. در طول تنها چند چرخه، یک مدار بیضی‌شکل می‌تواند تلوتلوی سیاه‌چاله‌های چرخان را تقلید کند. اگر مدلی خروج از مرکز را کنار بگذارد، چرخش‌ها ممکن است نشانهٔ آن را در خود جذب کنند.
از پایین‌تر شروع کردن، بیشتر دیدن
بائوشیانگ وانگ و تائو یانگ از دانشگاه ووهان، همراه با همکارانی از دانشگاه نرمال پکن، مؤسسهٔ فیزیک گرانشی ماکس پلانک در پوتسدام و دانشگاه نینگبو، داده‌های عمومی را با مدل شکل موجی دوباره تحلیل کردند که هم خروج از مرکز و هم چرخش‌های حرکت تقدیمی (precessing) را مجاز می‌داند. تفاوت کلیدی: برای آشکارساز هنفورد، که داده‌های عمومی‌اش از یک اختلال (glitch) پاک‌سازی شده بود، به‌جای ۲۰ از ۱۱ هرتز شروع کردند. خروج از مرکز در بسامدهای پایین‌تر بزرگ‌تر است، پس همین بخش آغازین سیگنال بیشترین اهمیت را دارد.
- خروج از مرکز مدار ۰٫۳۴ به دست می‌آید، که در بسامد ۵٫۵ هرتز تعریف شده است.
- مدل خروج از مرکز با عامل بیز ۱۰٫۲ ترجیح داده می‌شود: داده‌ها با مداری بیضی‌شکل حدود ده برابر بهتر از مداری دایره‌ای توضیح داده می‌شوند.
- با شروع از ۲۰ هرتز، همان‌طور که پژوهش‌های پیشین کرده بودند، خروج از مرکز اندکی می‌یابند — در توافق با همان پژوهش‌ها.
برای وارسی این نتیجه، یک GW231123 ساختگی با مداری بیضی‌شکل ساختند و آن را به همان روش تحلیل کردند. رفتارش دقیقاً مانند رویداد واقعی بود: از ۱۱ هرتز آشکارا دارای خروج از مرکز، و از ۲۰ هرتز بسیار کمتر. شروع از بسامدی بیش از حد بالا می‌تواند یک مدار بیضی‌شکل را پنهان کند.
معمای چرخش گشوده‌تر می‌شود
مجاز دانستن خروج از مرکز بیش از همه سیاه‌چالهٔ کوچک‌تر را تغییر می‌دهد. چرخش آن از ۰٫۹۰ در تحلیل دایره‌ای به حدود ۰٫۷۴ کاهش می‌یابد، نزدیک به ۰٫۷ که برای بازماندهٔ یک ادغام قبلی انتظار می‌رود. سیگنال ساختگی هم همین اثر را نشان می‌دهد: اگر دایره‌ای تحلیل شود، سیاه‌چالهٔ کوچک‌ترش سریع‌تر از آنچه واقعاً هست می‌چرخد.
سیاه‌چالهٔ بزرگ‌تر در هر دو حالت سریع‌چرخان می‌ماند و جرمش به‌سختی با یک خاستگاه سادهٔ نسل دوم جور درمی‌آید. بنابراین دو سیاه‌چاله ممکن است تاریخچه‌های متفاوتی داشته باشند: کوچک‌تر شاید فرزند دو سیاه‌چالهٔ پیشین، و بزرگ‌تر به شیوه‌ای دیگر شکل گرفته. افزودن احتمال وجود یک عدسی گرانشی در امتداد خط دید، نتیجهٔ خروج از مرکز را تغییر نمی‌دهد.
چه چیزی را تغییر می‌دهد
پژوهش‌های پیشین از سیاه‌چالهٔ کوچک‌تر GW231123 برای تعیین لبهٔ بالایی شکاف جرمی ناپایداری زوج استفاده کرده بودند. به استدلال نویسندگان، اگر آن سیاه‌چاله خود محصول یک ادغام باشد، جرمش به‌تنهایی نمی‌تواند آن لبه را تعیین کند. عامل بیز ۱۰ یک سرنخ است نه یک اثبات — خود نویسندگان یادآوری می‌کنند که سیگنال‌های واقعاً دارای خروج از مرکز، وقتی سیگنال کوتاه باشد، همیشه ترجیح قوی‌ای به دست نمی‌دهند. نتیجه‌گیری آن‌ها این است که وقتی مرز یک جمعیت بر چند رویداد غیرعادی تکیه دارد، فرض‌های شکل موج پشت آن رویدادها مستقیماً اهمیت پیدا می‌کنند.