برخورد دو کرم‌چاله چه پیامدی دارد؟

به گزارش مجله خبری نگار/سیناپرس، امواج گرانشی، نوسان‌هایی در ساختار فضا-زمان هستند که در اثر شتاب‌گیری و حرکت اجرام بسیار پرجرم، از جمله هنگام ادغام سیاه‌چاله‌ها، ایجاد می‌شوند. اکنون دو پژوهشگر با شبیه‌سازی برخورد نوعی کرم‌چاله فرضی، بررسی کرده‌اند که این رویداد چه اثری بر فضا-زمان می‌گذارد و آیا می‌توان نشانه‌های آن را از امواج گرانشی تشخیص داد.

نیکیتا‌ام. شیروکوف، فیزیک‌دان مؤسسه فیزیک و فناوری مسکو، و ایلیا ناچفسکی، مهندس یادگیری ماشین در مدرسه عالی اقتصاد روسیه، در این پژوهش رفتار جفت‌هایی از کرم‌چاله‌های الیس–برونیکوف را در شرایط مختلف بررسی کردند. نتایج شبیه‌سازی نشان داد سرنوشت این ساختار‌های فرضی به فاصله اولیه، مسیر حرکت و ویژگی‌های میدان‌هایی بستگی دارد که گلوگاه کرم‌چاله را باز نگه می‌دارند.

این پژوهش هنوز داوری علمی نشده و نتایج آن بر پایه مدل‌سازی نظری است؛ بنابراین، یافته‌ها را نباید مشاهده مستقیم کرم‌چاله‌ها یا اثبات وجود آنها تلقی کرد.

کرم‌چاله چیست و چگونه باز می‌ماند؟

کرم‌چاله ساختاری فرضی در فضا-زمان است که می‌تواند دو ناحیه دور از یکدیگر را از طریق مسیری شبیه تونل به هم متصل کند. امکان ریاضی چنین ساختار‌هایی در چارچوب نسبیت عام اینشتین بررسی شده است، اما وجود واقعی آنها در جهان همچنان اثبات نشده است.

کرم‌چاله‌های الیس–برونیکوف از مدل‌های نظری کرم‌چاله‌های گذرپذیر هستند؛ یعنی در چارچوب مدل، امکان عبور از آنها وجود دارد. در این مدل، میدانی فرضی با ویژگی‌های غیرمتعارف و چگالی انرژی منفی، موسوم به میدان اسکالر شبح، مانع بسته‌شدن گلوگاه کرم‌چاله می‌شود.

با این حال، گذرپذیر بودن لزوماً به معنای پایداری نیست. اختلال در این ساختار می‌تواند به فروریزش گلوگاه و شکل‌گیری سیاه‌چاله یا به گسترش مهارنشدنی آن منجر شود. به همین دلیل، برخورد دو کرم‌چاله از این نوع می‌تواند پیامد‌های متفاوتی داشته باشد.

در برخورد دو کرم‌چاله چه اتفاقی می‌افتد؟

پژوهشگران با اجرای شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی، چند سناریوی احتمالی را بررسی کردند. در برخی شرایط، کرم‌چاله‌ها یکدیگر را جذب یا دفع می‌کردند و پس از برهم‌کنش از هم دور می‌شدند؛ در بعضی موارد نیز گلوگاه‌های آنها به‌شدت گسترش می‌یافت.

در سناریو‌های دیگر، دو کرم‌چاله به‌سمت یکدیگر حرکت می‌کردند، اما به‌جای ادغام و تشکیل یک کرم‌چاله بزرگ‌تر، یک «افق ظاهری مشترک» پیرامون هر دو گلوگاه شکل می‌گرفت. افق ظاهری سطحی است که در یک برش زمانی از فضا-زمان، مرز ناحیه‌ای گرفتار از نظر گرانشی را مشخص می‌کند و با افق رویداد سیاه‌چاله یکسان نیست.

یکی از نتایج قابل‌توجه شبیه‌سازی، کاهش حدود ۲۸ درصدی مساحت این افق بود. در شرایط معمول، قضیه مساحت سیاه‌چاله‌ها که استیون هاوکینگ در سال ۱۹۷۱ مطرح کرد، افزایش یا ثابت‌ماندن مساحت افق رویداد را پیش‌بینی می‌کند. اما این قضیه بر فرض‌هایی درباره رفتار انرژی استوار است که میدان اسکالر شبح در مدل حاضر آنها را نقض می‌کند.

از سوی دیگر، سطح مورد بررسی در این شبیه‌سازی افق ظاهری بود، نه افق رویداد. بنابراین، کاهش مساحت آن به‌خودی‌خود ناقض قضیه مساحت هاوکینگ نیست. این نتیجه نشان می‌دهد که رفتار ساختار‌های گرانشی در حضور میدان‌هایی با ویژگی‌های غیرمتعارف می‌تواند با حالت‌های معمول تفاوت داشته باشد.

امواج گرانشی کرم‌چاله‌ها چه تفاوتی دارند؟

یکی از اهداف اصلی این پژوهش، بررسی سیگنال‌های گرانشی حاصل از برهم‌کنش کرم‌چاله‌ها بود. هنگام نزدیک‌شدن دو سیاه‌چاله به یکدیگر، امواج گرانشی معمولاً الگویی موسوم به «چیرپ» ایجاد می‌کنند؛ سیگنالی که با نزدیک‌شدن اجرام، شدت و فرکانس آن افزایش می‌یابد.

در مقابل، شبیه‌سازی‌های کرم‌چاله‌های الیس–برونیکوف، بسته به مسیر و شدت برهم‌کنش، انفجار‌های کوتاه و تیزی از امواج گرانشی را پیش‌بینی کردند. حتی برخی از گذر‌های بسیار نزدیک، بدون تشکیل افق ظاهری مشترک، سیگنال‌های گرانشی قدرتمندی ایجاد کردند.

با این حال، مشاهده یک انفجار کوتاه از امواج گرانشی بدون الگوی چیرپ، به‌تنهایی نشانه وجود کرم‌چاله نیست. سامانه‌های سیاه‌چاله‌ای نیز در شرایط خاص می‌توانند سیگنال‌هایی با ویژگی‌های متفاوت از الگوی معمول تولید کنند. بنابراین، برای شناسایی منشأ یک سیگنال احتمالی، باید شکل موج و سایر ویژگی‌های آن با مدل‌های نظری گوناگون مقایسه شود.

رویداد گرانشی GW۱۹۰۵۲۱ که در سال ۲۰۱۹ شناسایی شد، از جمله رویداد‌هایی است که در بررسی‌های نظری به‌عنوان زمینه‌ای برای مطالعه احتمال پدیده‌های غیرمتعارف در فضا-زمان مطرح شده است. با این حال، ارتباط این رویداد با کرم‌چاله‌ها اثبات نشده و پژوهش جدید نیز چنین ارتباطی را نشان نمی‌دهد.

آیا آشکارساز‌های امواج گرانشی می‌توانند این سیگنال‌ها را ثبت کنند؟

یکی از موانع مهم، امکان شناسایی چنین سیگنال‌هایی با ابزار‌های کنونی است. به گفته پژوهشگران، اگر کرم‌چاله‌های مورد بررسی در جهان اولیه شکل گرفته باشند، انبساط کیهان می‌تواند امواج گرانشی آنها را به فرکانس‌های پایین‌تری منتقل کند؛ فرکانس‌هایی که ممکن است خارج از محدوده حساسیت آشکارساز‌هایی مانند لایگو (LIGO) و مأموریت فضایی برنامه‌ریزی‌شده لیسا (LISA) باشند.

برای شناسایی این سیگنال‌ها ممکن است لازم باشد چنین ساختار‌هایی در دوره‌های متأخرتر تاریخ کیهان شکل گرفته باشند؛ با این حال، سازوکار شکل‌گیری کرم‌چاله‌ها در چنین شرایطی مشخص نیست.

این پژوهش در حال حاضر بیش از آنکه راهی برای کشف قطعی کرم‌چاله‌ها ارائه کند، چارچوبی نظری برای بررسی شکل احتمالی امواج گرانشی آنها فراهم می‌آورد. گام بعدی، توسعه مدل‌ها، مقایسه دقیق‌تر شکل موج‌ها با سیگنال‌های واقعی و بررسی این موضوع است که آیا می‌توان اثر چنین ساختار‌های فرضی را از پدیده‌های شناخته‌شده اخترفیزیکی متمایز کرد یا خیر.

نتایج این پژوهش در پایگاه پیش‌چاپ علمی arXiv منتشر شده است و هنوز فرایند داوری علمی را پشت سر نگذاشته است.