آیا پژواک برخورد سیاه‌چاله‌ها به اثبات بزرگ‌ترین پیش‌بینی هاوکینگ کمک می‌کند؟

در سال ۱۹۷۴، استیون هاوکینگ نظریه‌ای مطرح کرد که نشان می‌داد سیاه‌چاله‌ها کاملاً سیاه نیستند؛ بلکه پرتوهایی گرمایی را از خود منتشر می‌کنند. پیش‌بینی هاوکینگ فیزیک‌دانان را شوکه کرد؛ زیرا او دلایلی آورد که سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانند تا ابد دوام بیاورند و درنهایت پس از میلیاردها سال تبخیر و به هیچ تبدیل می‌شوند.

دراین‌بین، مشکل کوچکی وجود داشت: هیچ راهی برای دیدن تابش یا پرتوهای سیاه‌چاله‌ای وجود ندارد. همچنین به‌عقیده‌ی برخی اخترفیزیک‌دانان، اگر بتوان فرضیه‌ی «تابش هاوکینگ» را شبیه‌سازی کرد، می‌توان تابش را هم کشف کرد. آنان معتقدند شواهد تابش هاوکینگ را می‌توان در برخورد سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم پیدا کرد.

بااین‌حال، این ادعا تا اندازه‌ای بحث‌برانگیز است؛ زیرا جست‌وجوهای دیگر برای کشف تابش هاوکینگ بی‌نتیجه مانده‌اند. می ۲۰۱۹، رصدخانه‌ی موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (لایگو) در ایالات متحده‌ی آمریکا و رصدخانه‌ی ویرگو در ایتالیا امواج گرانشی را رصد کردند. موج گرانشی به نوسان‌هایی در بافت فضا زمان گفته می‌شود.

این رصد موج گرانشی بر‌اثر ادغام دو سیاه‌چاله را نشان می‌داد که مجموع جرم آن‌ها ۱۵۱ برابر جرم خورشید بود. در‌نهایت، این ادغام سیاه‌چاله‌ای با جرم ۱۴۲ جرم خورشیدی را به‌جا گذاشت. ۹ جرم خورشیدی دیگر به‌صورت پرتوهای موج گرانشی منتشر شده بودند. جاهد عابدی از دانشگاه استاونجر نروژ می‌گوید: «این عظیم‌ترین رویدادی است که تاکنون رصد شده است.»

امواج گرانشی ناشی از این رویداد موسوم به GW190521 نه‌تنها با آشکارساز‌های لایگو و ویرگو روی زمین برخورد کردند؛ بلکه بر سیاه‌چاله‌ی حاصل از دو برخورد اولیه تأثیر گذاشتند. باوجوداین، براساس فیزیکی که از سیاه‌چاله می‌شناسیم، اگر سیاه‌چاله‌ها کاملاً با نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین توصیف شوند، بخشی به نام افق رویداد دارند؛ مرزی یک‌طرفه که هیچ‌چیز نمی‌تواند از قدرت جاذبه‌ی آن بگریزد.پائولو پانی، فیزیک‌دان نظری دانشگاه اسپینوزای رم، دراین‌باره بیان می‌کند: «در چشم‌انداز استاندارد سیاه‌چاله، افق رویداد تمام پرتوها را جذب می‌کند.»

دو سیاه‌چاله‌‌ی کلان‌جرم با یکدیگر ادغام می‌شوند و امواج گرانشی را لحظاتی قبل از برخورد منتشر می‌کنند. این تصویر یکی از شبیه‌سازی‌های عددی ادغام موسوم به GW190521 را نشان می‌دهد.

امواج گرانشی که به‌سمت داخل سیاه‌چاله حرکت کردند، حتماً ناپدید شده‌اند؛ اما شاید این اتفاق رخ نداده باشد. به‌عقیده‌ی فیزیک‌دانان، ترکیب فیزیک کوانتوم و نسبیت عام برای توصیف کامل سیاه‌چاله‌ها ضروری است؛ به‌طوری‌که ممکن است بخشی از امواج گرانشی منعکس شده باشند که به‌سمت داخل سیاه‌چاله حرکت می‌کنند.

این اتفاق ممکن است به‌دلیل آثار کوانتومی در نزدیکی افق رویداد یا به‌دلیل شیء فشرده و متراکم به‌وجودآمده بر‌اثر ادغام رخ داده باشد که فاقد افق است و ساختاری داخلی دارد. در‌این‌صورت، می‌توان آثار انعکاسی را در اطلاعات جمع‌آوری‌شده‌ی لایگو و ویرگو و دیگر آشکارسازها پیدا کرد. مشابه انعکاس‌های صوتی، این آثار در‌مقایسه‌‌با امواج گرانشی اصلی حاصل از ادغام بسیار ضعیف‌تر هستند و تأخیر بیشتری دارند.

ماهیت دقیق بازتاب‌ها به مدل‌سازی دقیق فیزیکی وابسته است. برای مثال، منطقه‌ی خارج از افق سیاه‌چاله مانند فضایی پرهیاهو به‌نظر می‌رسد که با زوج ذرات مجازی احاطه شده است که ظاهر و ناپدید می‌شوند. گاهی یکی از زوج‌ها وارد سیاه‌چاله می‌شود و گاهی زوجی دیگر از آن می‌گریزد. ذرت فرّار یادشده نظریه‌ی تابش هاوکینگ را شکل می‌دهند. این فرایند کُند است. در نمونه‌ی GW190521، عابدی و همکاران او معتقدند تولید تابش هاوکینگ به‌واسطه‌ی بقایای سیاه‌چاله می‌تواند با ورود امواج گرانشی به داخل آن سرعت بگیرد.

شرایط مذکور تا اندازه‌ای به انتشار برانگیخته‌ی پرتوها در اتم شباهت دارد. در این فرایند، فوتون‌های نوری با الکترون‌های برانگیخته‌ی داخل اتم‌ها برخورد می‌کنند و سطح انرژی الکترون‌ها را کاهش می‌دهند. در‌عین‌حال، فوتون‌های دارای طول موج یکسان با فوتون‌های تابنده منتشر می‌کنند. در موقعیت‌های مشخص، انتشار برانگیخته‌ی پرتوها می‌تواند از نشر آنی «پس‌زمینه‌‌ی» تابش فراتر برود. در این بخش، یک الکترون از سطح بالای انرژی وارد سطح پایین‌تر می‌شود و یک فوتون را منتشر می‌کند.

عابدی و همکارانش معتقدند امواج گرانشی که با افق رویداد سیاه‌چاله واکنش می‌دهند، به‌طور مشابهی تولید تابش هاوکینگ را به سطوحی فراتر از انتشارهای آنی می‌رسانند و درنتیجه، آن را آشکار می‌سازند. این پرتوها حامل امواج گرانشی هستند که طول موج یکسانی با امواج برخوردی دارند؛ گرچه شدت آن‌ها کمتر است.

پژوهشگران مدعی‌اند علائمی از تابش هاوکینگ را از باقی‌مانده‌ی GW190521 رصد کرده‌اند. آنان از دو روش مختلف برای تحلیل داده‌های GW190521 استفاده کردند که لایگو و ویرگو جمع‌آوری ‌کرده‌ بودند. اولین روش دو مدل را مقایسه‌ می‌کند: یک مدل کاملاً مبتنی‌بر نظریه‌ی نسبیت عام است و هیچ انعکاس پس از ادغام یا سیگنالی ندارد و مدل دیگر شامل تابش برانگیخته‌ی هاوکینگ است.

برای اینکه فیزیک‌دانان پدیده‌ای را کشف کنند، شانس آلارم اشتباه باید یک در میلیون باشد؛ درنتیجه، پانی که عضو تیم نیست، با احتیاط در‌این‌باره صحبت می‌کند: «شواهد آماری آن‌ها برای ادعای اندازه‌گیری بسیار اندک است.»

عابدی هم تأیید می‌کند که سیگنال دریافتی قوی نیست؛ بااین‌حال، بهترین مدرکی است که می‌توان از آشکارسازهای موج گرانشی به‌دست آورد. او می‌گوید: «هدف ما آشکارسازهای نسل بعدی هستند.» پانی موافق است که پروژه‌هایی مثل آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری (LISA) که در اواخر دهه‌ی ۲۰۳۰ پرتاب خواهد شد، برای چنین مطالعاتی بهتر عمل می‌کنند. او می‌گوید:

با آشکارسازهای آینده، درصورت وجود چیزی می‌توانیم به شواهد لازم برای اندازه‌گیری‌ها دست پیدا کنیم.

حتی درصورتی‌که شواهد سیگنال ازنظر آماری معنادارتر باشند، پانی منتقد عابدی و همکارانش است که این مدرک را برای تابش هاوکینگ در نظر می‌گیرند. او می‌گوید:

آنان فقط می‌توانند ادعا کنند انعکاس امواج گرانشی را اندازه‌گیری کرده‌اند؛ اما به‌راحتی نمی‌توان گفت تابش هاوکینگ برانگیخته را اندازه‌گیری کرده‌اند.

ماه گذشته، اعضای لایگو و ویرگو و آشکارساز موج گرانشی کامیوکا در ژاپن (KAGRA) نسخه‌ی پیش‌انتشار تحلیل‌هایشان درباره‌ی داده‌های موج گرانشی را منتشر کردند. آنان ۱۵ رویداد را بررسی کردند که در ۱۴ رویداد دو سیاه‌چاله ادغام شده‌ بودند و در یکی از آن‌ها، سیاه‌چاله با ستاره‌ای نوترونی ادغام شده بود. تمام رویدادها با دو یا چند آشکارساز رصد شدند. دنیل هولز، عضو تیم لایگو در دانشگاه شیکاگو، دراین‌باره توضیح می‌دهد:

این تحلیل شامل GW190521 است. ما شواهدی برای انعکاس‌ها یا انحراف از پیش‌بینی‌های نسبیت عامی پیدا نکردیم. اگر وجود این انعکاس‌ها ثابت شود، هیجان‌انگیز است؛ اما به‌نظر می‌رسد هیچ‌گونه شواهد جذابی برای آن‌ها در داده‌ها وجود ندارد. نظریه‌ی اینشتین هم تمام آزمایش‌ها را تاکنون پشت‌سر گذاشته و مؤثر و دقیق است.

در‌عین‌حال، پانی چشم خود را به ادعای عابدی و همکاران او درباره‌ی تابش شبیه‌سازی‌شده‌ی هاوکینگ یا انعکاس‌ها دوخته است. او می‌گوید:

اثبات این نتایج در آینده گام بزرگی خواهد بود؛ زیرا می‌تواند دریچه‌ای برای ویژگی‌های کوانتومی سیاه‌چاله‌ها باشد که رصد آن‌ها به روش‌های دیگر ممکن نیست.