المحاكاة الحاسوبية لاثنين من الثقوب السوداء دمج إنتاج موجات الجاذبية. إذا كان أحدث تحليل للبيانات من Fermi التابع لناسا صحيحًا ، فقد لا تكون ببساطة موجات الجاذبية التي يتم إنتاجها. الصورة الائتمان: فيرنر بنجر.

عمليات الدمج بين الثقب الأسود قد تجعل انفجارات أشعة غاما في الواقع ، بعد كل شيء

إنه ليس فقط لدمج النجوم النيوترونية ، بعد الآن.

على مدار الأعوام الثلاثة الماضية ، لم يكن هناك اكتشاف علمي أكبر من الاكتشاف المباشر لموجات الجاذبية. انضم كاشفان الفيروسات في إيطاليا العام الماضي إلى كاشفتي LIGO في هانفورد بولاية واشنطن وفي ليفينغستون في لوس أنجلوس. مجتمعة ، يمكن للكشف عن ثلاثة توطين مصادر موجة الجاذبية إلى دقة غير مسبوقة ، مع تحديد الاكتشافات في أغسطس إلى بضع درجات مربعة فقط في السماء. كان اكتشاف نظير كهرمغنطيسي لأول اندماج لنجم نيوتروني نيوتروني مثيرًا ومتوقعًا تمامًا ، وكشف عن أنهما قاما بالفعل بإنشاء انفجارات أشعة غاما. كما رأينا ، في هذه المرحلة ، خمس عمليات دمج لثقب الثقب الأسود ، والتي لا ينبغي أن يكون لها نظير كهرمغنطيسي ، وفقًا للنظرية التقليدية. لكن أكثر أزواج الثقوب السوداء ثقبًا والتي اندمجت ، من قبيل المصادفة أنها الأولى من نوعها التي تم اكتشافها ، ربما كان لها نظير أشعة غاما. وفقا لتحليل منقح من قبل فريق ناسا فيرمي ، قد نكون في لثورة فلكية.

عمليات الدمج ذات الثقب الأسود ذات الثقب الأسود الخمسة التي اكتشفها LIGO (و Virgo) ، إلى جانب إشارة سادسة غير ذات دلالة كافية. أول واحد فقط أظهر أي دليل على وجود أشعة غاما عابرة ، لكن هذه الإشارة قد تمثل في الواقع شيئًا حقيقيًا. رصيد الصورة: LIGO / Caltech / Sonoma State (Aurore Simonnet).

في 14 أيلول (سبتمبر) 2015 ، وصلت إلى الأرض الأرض بعد رحلة استغرقت أكثر من مليار سنة ضوئية ، تموجات اثنين من الثقوب السوداء المدمجة لنطاق كتلة لم يسبق له مثيل ، تتكون من 29 و 36 كتلة شمسية. أصبحت الإشارة ، التي تظهر على بعد آلاف من المليارات في كاشفات LIGO التوأم ، أول اكتشاف مباشر ومباشر لموجات الجاذبية ، مما يؤكد صحة أكثر النظريات الأثرية لآينشتاين بطريقة جديدة أخرى. ولكن في الفضاء ، كانت مهمتان تابعتان للقمر الصناعي تراقبان السماء ، في وقت واحد ، بحثًا عن أي ظواهر طاقة عالية للغاية قد تكون وصلت. فمن ناحية ، كان هناك قمر صناعي متكامل تابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، قادر على قياس أشعة جاما فوق عتبة معينة للطاقة. من ناحية أخرى ، يقيس القمر الصناعي Fermi التابع لناسا أيضًا أشعة جاما ، ولكن مع تقسيم نطاق الطاقة إلى أقسام ضيقة. ما رأى كل فريق سيؤدي إلى عاصفة من النقاش العام.

تبرز هذه الصورة ، التي التقطت في مايو 2008 أثناء تلسكوب فيرمي جاما راي الفضائي لإطلاقها ، أجهزة الكشف عن رصد انفجار أشعة جاما (GBM). إن GBM عبارة عن مجموعة من 14 جهاز كشف بلوري الصورة الائتمان: ناسا / جيم غروسمان.

أصدر فريق Fermi على الفور إعلانًا أدار رأسًا على عقب: لقد ادعوا أدلة على وجود إشارة عابرة ضعيفة ، وهو نوع يحدث بضع مرات كل يوم ، ويقابله فقط 0.4 ثانية من وصول إشارة موجة الجاذبية. كانت الإشارة قوية بما يكفي (6σ) للإشارة إلى أن هناك شيئًا حقيقيًا قائم على نسبة الإشارة إلى الضوضاء وحدها ، على الرغم من أنها كانت ضعيفة نسبيًا لانفجار أشعة جاما ، والتي عادةً ما تكون بحد ذاتها ~ 20σ. ومع ذلك ، عندما يتم النظر في جميع الآثار الأخرى للتسلسل الزمني ، ادعى الفريق فقط أهمية 2.9σ أن مثل هذه الإشارة سوف تحدث عندما فعلت ، وتقل كثيرا عن 5σ المطلوبة لاكتشاف قوي.

ومع ذلك ، فإن الإشارة تبدو مقنعة ، مما أثار بعض الإثارة المبررة. نظرًا لتوجه جهاز الكشف Fermi في ذلك الوقت ، لم يتمكن من توطين المصدر جيدًا بشكل خاص. (نظرًا لوجود جهازين للكشف عن LIGO فقط في ذلك الوقت ، كانت الترجمة من موجات الجاذبية سيئة للغاية أيضًا). ومع ذلك ، لم ير فريق Integral أي دليل على وجود إشارة من أي نوع فحسب ، ولكن أيضًا أعضاء فريق منفصل - بما في ذلك أعضاء فريق فيرمي السابقين - ادعى أن تحليل فيرمي كان غارقًا في علم سيء. تعتبر مخاطر هذه الحجة عالية بشكل لا يصدق ، ويلزم التوفيق بين البيانات من كاشفين.

رسم توضيحي لاثنين من الثقوب السوداء يدمجان ، كتلة مماثلة لما شاهده LIGO. من المتوقع أن يكون هناك القليل جداً في طريق الإشارة الكهرومغناطيسية المنبعثة من هذا الدمج ، لكن وجود مادة شديدة التسخين تحيط بهذه الأشياء قد يغير ذلك ؛ الملاحظات المستقبلية قد يعلمنا أكثر. رصيد الصورة: SXS ، مشروع محاكاة أوقات الفراغ (SXS) (http://www.black-holes.org).

إذا كانت هناك إشارة أشعة غاما المرتبطة بعمليات دمج الثقب الأسود في الثقب الأسود ، فإنها تبشر بثورة في الفيزياء. قد تحتوي الثقوب السوداء على أقراص تراكم وقد يكون لها في الغالب مادة ملتهبة تحيط بها ، يتم سحبها من الوسط البينجمي. في حالة وجود ثقوب سوداء ثنائية ، قد يكون هناك أيضًا بقايا من الكواكب ونجوم السلف تطفو حولها ، بالإضافة إلى إمكانية أن تكون موجودة في منطقة فوضوية مكونة للنجوم. لكن الثقوب السوداء المركزية نفسها لا يمكن أن ينبعث منها أي إشعاع. إذا كان هناك شيء ينبعث من موقعه ، فيجب أن يكون بسبب المسألة المتسارعة المحيطة بهم. في غياب الحقول المغناطيسية في أي مكان بالقرب من قوة النجوم النيوترونية ، من غير الواضح كيف يمكن أن يحدث مثل هذا الانفجار النشط.

على الرغم من أن الثقوب السوداء يجب أن تحتوي على أقراص تراكم ، والأشياء التي تسقط منها ، يجب ألا تكون المادة أو المادة كافية لإنشاء أشعة غاما عابرة. هل نظريتنا خاطئة ببساطة؟ الصورة الائتمان: ناسا / دانا بيري (Skyworks الرقمية).

ولكن فقط لأننا لا نفهم كيف يمكن أن يحدث شيء ما ، فهذا لا يعني أنه مستحيل. في الفيزياء ، كما هو الحال في جميع العلوم ، تعتبر التجارب والقياسات والملاحظات هي الحكم النهائي للواقع. إذا فشلت النظرية في التنبؤ بالظواهر التي لوحظت حدوثها ، فهذه هي مشكلة النظرية ، ويجب أن يعمل العلم لجعل صورتنا تتوافق مع الطبيعة نفسها. إذا كانت نتيجة فيرمي حقيقية ، فستكون ثورية. ولكن إذا كان فريق Integral صحيحًا - وكان تحليل فريق Fermi مخطئًا - فسيصبح هذا ببساطة "إنذارًا كاذبًا" آخر سيؤدي إلى مزيد من البيانات. والحمد لله ، تحدث الفريقان المنفصلان مع بعضهما البعض ، وكلاهما يتفقان ، الآن ، على أن هناك أسباب وجيهة لكل من فيرمي وإندمجل لمعرفة ما رأوه.

التعريب في الإحداثيات الاستوائية من GW150914 بواسطة LIGO (قوس ملون) و GW150914-GBM بواسطة GBM (1 ، 2 ، 3 ours محيطات باللون الأسود ، المحمر تظهر تدرج الاحتمال). رصيد الصورة: V. Connaughton et al.، ApJ، 853، L1 (2018).

إن إمكانية حدوث ثورة فيزياء فلكية ، وحدها ، كانت كافية لجعل هذا الاقتراح يستحق المزيد من البحث. ولكن في ورقة جديدة صدرت قبل بضعة أسابيع فقط ، قدم فريق Fermi أحدث نتائجه من تحليل شامل لمجموعة كاملة من البيانات الخاصة بهم ، وذلك باستخدام كل من الأساليب الخاصة بهم والأساليب نفسها التي يفضلها أعضاء الفريق المستقل في وقت سابق. كما يوضح التحليل الجديد ، فإن استخدام جهاز كاشف واحد يعد طريقة سيئة جدًا لمحاولة ضبط الإشارة. بشكل عام ، تقلبات كبيرة جدا. في الحقيقة ، يمكن رؤية تذبذب أكبر من التذبذب بعد 5 ثوان فقط من الحقيقة.

اعتمادًا على الإجراء الذي تستخدمه لتحليل وتفسير بياناتك ، يمكنك أيضًا ، كما فعل فريق مستقل في عام 2016 ، الحصول على إشارة ضئيلة أعلى الخلفية (الذهب) ، أو إشارة مهمة على مستوى 3 سيجما (أرجواني) ، كما فعل فريق فيرمي. أحدث ورقة التحقق من صحة منهجية فريق فيرمي. رصيد الصورة: V. Connaughton et al.، ApJ، 853، L1 (2018).

الحل؟ كما هو موضح في هذه الورقة الأخيرة ، فإنه يستخدم قنوات متعددة وأدوات متعددة قابلة للكشف ، في وقت واحد. الأداة الرئيسية القادرة على رؤية هذه الإشارة على متن Integral ، SPI-ACS (مطياف مع درع مضاد للصدفة) لديه قناة واحدة فقط ، والتي تضيف جميع الفوتونات معًا. إنها أقل حساسية بكثير للتذبذب الذي يحدث فقط في نطاق طاقة معين. في الكلام التقني ، لها أرضية عالية الضوضاء. إذا كنت تحاول اكتشاف عشرة فوتونات إضافية على مقياس زمني يبلغ 100 مللي ثانية ، فسيحدث فرقًا كبيرًا إذا كان مستوى الضوضاء لديك 100 فوتون على هذا النطاق الزمني ، مقابل 10،000. فيرمي ، ومع ذلك ، تحقيقات قنوات متعددة في وقت واحد ، وكذلك في أدوات متعددة.

يظهر تحليل قوي أن التقلب "بعد 5 ثوانٍ" هو مجرد تقلب لا يظهر في الأدوات الأخرى ، بينما يحدث التغير بعد 0.4 ثانية من إشارة موجة الجاذبية بالفعل. يمثل الشريط الأرجواني أهمية الإشارة في جميع القنوات مجتمعة: كشف لا يملك سوى فرصة 1 في 500 ليكون تقلبًا إحصائيًا.

أشعة غاما تعد معدلات من الحدث الذي رآه فيرمي. هذا الرقم مأخوذ من الورقة الأصلية لعام 2016 التي تزعم اكتشاف إشارة عابرة. تشير عملية إعادة تحليل البيانات إلى أن النتائج الأصلية المقدمة فيها تصمد بشكل جيد للغاية. هذا ليس اكتشافًا أكيدًا لإطلاق النار ، لكنه حدث مثير للاهتمام يستحق مزيدًا من الاهتمام. الصورة الائتمان: كونوت ، خامسا ، بيرنز ، E. ، غولدشتاين ، A. ، وآخرون. 2016 ، ApJ ، 826 ، L6.

مع كل ما قيل ، لا تزال التقلبات الإحصائية شائعة! لم تُظهر عمليات الدمج بين الثقوب السوداء الأربعة الأخرى أي إشارة من هذا القبيل ، وكثير من الإشارات الواعدة - ربما الأكثر - التي تظهر عند مستوى الأهمية ~ 3 - تتحول إلى هذه التقلبات النادرة ، وليس دليلًا على وجود إشارة فعلية فعلية. عندما تقوم بالتحقيق في حدود الفيزياء ، عليك التأكد تمامًا من أنك لا تخدع نفسك. لهذا السبب ، في الفيزياء التجريبية والرصدية ، 5σ هو المعيار الذهبي.

لذلك ، كل ما قال ، ماذا يعني هذا؟ وهذا يعني أن ساتل فيرمي قد اكتشف ، في الواقع ، موثوقًا إشارة من إشارة أشعة غاما قصيرة العمر وعابرة والتي تتوافق مع حدوثها في نفس الموقع مثل إشارة موجة الجاذبية. إذا قمت بضم الإشارات من جميع أجهزة الكشف ، فإليك المنطقة المحظورة التي يمكن أن تحدث فيها.

ومع ذلك ، فإن العلاقة بين هذا الحدث ودمج موجة الجاذبية ليست مؤكدة بأي حال من الأحوال. إذا كان هذا حقيقيًا ، فيمكننا توقع ما يلي:

  • لا ترتبط إشارات أشعة غاما بجميع عمليات الاندماج في الثقب الأسود ،
  • الإشارة ضعيفة جدًا مقارنة بعمليات الاندماج النجمية لنجوم النيوترون ،
  • سوف تأتي الإشارة في طاقات محددة ، وليس على نطاق واسع من الطيف ،
  • وسيستغرق الأمر الكثير من الاكتشافات لكشف ما إذا كانت أشعة غاما تنتجها ، وإلى أي درجة ، أشعة غاما.
هناك العديد من الأحداث في الكون التي تسبب انبعاث رشقات نارية عالية الطاقة. هل يمكن أن تكون الاندماجات في الثقب الأسود واحدة منها؟ تشير أحدث نتائج تم تحليلها من Fermi إلى أنه من الأفضل أن نتأكد من استمرار البحث. رصيد الصورة: مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا.

مع وجود ثلاثة كاشفات لموجة الجاذبية من المقرر أن تعمل على حساسية محسّنة عند اكتمال الترقيات الحالية ، سنكون قادرين على قياس ليس فقط كتلة وتدوير عمليات دمج الثقوب السوداء في الثقب الأسود ، ولكن أيضًا موقعها وزاوية ميلها. إذا كانت عمليات الدمج هذه تنبعث منها أشعة غاما حقًا ، فسنكون قادرين على العثور على اعتماد أشعة جاما على هذه المعلمات. لا يوجد أي سبب للاعتقاد بأن هذا لا يعدو كونه تقلبًا غير محتمل في هذه المرحلة ، لكنه ليس مجرد أداة لتحليل البيانات السيئة ، كما ادعى الكثيرون سابقًا ، بما في ذلك تحليلك حقًا. عمليات الدمج في الثقب الأسود قد تنتج أشعة جاما بعد كل شيء. هل الإشارة الموحية تشير إلى وجود ظاهرة جسدية حقيقية ومدهشة؟ سوف يتطلب الأمر مزيدًا من البيانات وبيانات أفضل ومجموعة كبيرة ومتنوعة من الأحداث للإجابة على السؤال بشكل مؤكد. هذا ما نريده. في النهاية ، هذا هو حقيقة ما يدور حوله العلم.

يبدأ تطبيق "يبدأ بـ A Bang" الآن على "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم Treknology: "علم ستار تريك" من "ترايكردز" إلى "وارب درايف".