MGONGANO MZITO ZAIDI WA SHIMO JEUSI HAUKUWA KWENYE DUARA

Tarehe 23 Novemba 2023, vituo vya uchunguzi vya LIGO huko Hanford na Livingston vilirekodi GW231123, muungano wenye masi kubwa zaidi wa mashimo meusi mawili ulioripotiwa hadi sasa. Kwa kuchukulia obiti ya duara, uchambuzi wa kawaida ulitoa masi za takriban mara 137 na 101 ya masi ya Jua, yote mawili yakizunguka kwa kasi kubwa mno.

Tarakimu hizo ni tatanishi. Shimo jeusi dogo linaangukia katika kile kinachoitwa pengo la masi la kutokuwa thabiti kwa jozi (pair-instability mass gap), safu ya masi ambayo kuporomoka kwa kawaida kwa nyota kunatatizika kuzalisha. Njia moja ya kulikwepa ni muungano wa ngazi kwa ngazi (hierarchical merger): katika mazingira yenye msongamano kama kundi mnene la nyota, mabaki ya muungano mmoja hubaki karibu na baadaye huungana tena. Makala pia inataja kidokezo muhimu: mashimo meusi mawili yenye masi zinazofanana na mzunguko mdogo yanapoungana, mabaki kwa kawaida huzunguka kwa thamani ya takriban 0.7, kwenye kipimo kisicho na vipimo (dimensionless) ambacho wanafizikia hutumia, ambapo thamani zilizo karibu na 1 humaanisha mzunguko wa karibu kiwango cha juu kabisa.

Mizunguko michache tu

GW231123 ilikuwa fupi: mizunguko michache tu ya mawimbi inayoweza kupimwa kabla ya kuzama kwa mwisho. Hilo linafanya tafsiri yake iathiriwe sana na modeli ya umbo la wimbi. Sifa moja ni ngumu hasa kuibaini: upekuaji wa obiti (eccentricity), jinsi obiti ilivyo ya umbo la yai. Kutoa mawimbi ya mvutano huelekea kuzungusha obiti za jozi za zamani zilizojitenga, lakini makutano ya karibu katika mazingira mnene yanaweza kuacha upekuaji fulani. Katika mizunguko michache tu, obiti ya umbo la yai inaweza kuiga mtikisiko wa mashimo meusi yanayozunguka. Modeli ikiacha upekuaji nje, mizunguko inaweza kufyonza alama yake.

Kuanza chini, kuona zaidi

Baoxiang Wang na Tao Yang wa Chuo Kikuu cha Wuhan, pamoja na wenzao kutoka Chuo Kikuu cha Ualimu cha Beijing, Taasisi ya Max Planck ya Fizikia ya Mvutano huko Potsdam na Chuo Kikuu cha Ningbo, walichambua upya data za umma kwa modeli ya umbo la wimbi inayoruhusu upekuaji na mizunguko inayoyumba (precessing) kwa pamoja. Tofauti kuu: kwa kigunduzi cha Hanford, ambacho data zake za umma zilikuwa zimesafishwa kuondoa mvurugo wa ghafla (glitch), walianzia hertz 11 badala ya 20. Upekuaji ni mkubwa zaidi kwenye masafa ya chini, kwa hiyo sehemu hii ya mwanzo ya ishara ndiyo muhimu zaidi.

• Upekuaji wa obiti unatoka 0.34, ukifafanuliwa kwenye masafa ya hertz 5.5.
• Modeli ya obiti yenye upekuaji inapendelewa kwa kipengele cha Bayes cha 10.2: data zinaelezwa vizuri takriban mara kumi zaidi na obiti ya umbo la yai kuliko ya duara.
• Wakianzia hertz 20, kama tafiti za awali zilivyofanya, wanapata upekuaji mdogo — wakikubaliana na tafiti hizo.

Ili kuhakiki hili, walijenga GW231123 bandia yenye obiti ya umbo la yai na kuichambua kwa njia ileile. Ilitenda sawasawa na tukio halisi: upekuaji wa wazi kuanzia hertz 11, mdogo zaidi sana kuanzia 20. Kuanza juu mno kunaweza kuficha obiti ya umbo la yai.

Fumbo la mzunguko linalegea

Kuruhusu upekuaji kunabadilisha zaidi shimo jeusi dogo. Mzunguko wake unashuka kutoka 0.90 katika uchambuzi wa duara hadi takriban 0.74, karibu na 0.7 inayotarajiwa kwa mabaki ya muungano wa awali. Ishara bandia inaonyesha athari hiyohiyo: ikichambuliwa kama ya duara, shimo lake jeusi dogo linaonekana kuzunguka kwa kasi zaidi kuliko lilivyo kweli.

Shimo jeusi kubwa linabaki likizunguka kwa kasi kwa njia zote mbili, na masi yake haiendani kwa urahisi na asili sahili ya kizazi cha pili. Kwa hiyo mashimo hayo mawili yanaweza kuwa na historia tofauti: dogo huenda ni mtoto wa mashimo meusi mawili ya awali, kubwa likiwa limeundwa kwa njia nyingine. Kuongeza uwezekano wa lenzi ya mvutano kwenye mstari wa kuona hakubadilishi tokeo la upekuaji.

Kinachobadilika

Tafiti za awali zilitumia shimo jeusi dogo la GW231123 kubaini ukingo wa juu wa pengo la masi la kutokuwa thabiti kwa jozi. Ikiwa shimo hilo lenyewe ni zao la muungano, waandishi wanahoji, masi yake haiwezi peke yake kuweka ukingo huo. Kipengele cha Bayes cha 10 ni dokezo badala ya uthibitisho — waandishi wenyewe wanabainisha kwamba ishara zenye upekuaji kweli hazitoi upendeleo mkubwa kila mara ishara inapokuwa fupi. Mpaka wa kundi unapotegemea matukio machache yasiyo ya kawaida, wanahitimisha, dhana za umbo la wimbi zilizo nyuma ya matukio hayo zina umuhimu wa moja kwa moja.