بزرگترین کاتالوگ امواج گرانشی شواهدی از سیاه‌چاله‌های «نسل دوم» را آشکار می‌کند

در طول بیشتر تاریخ بشر، کیهان کاملاً ساکت بود و تنها از طریق نوری که منتشر می‌کرد، قابل مشاهده بود. این وضعیت یک دهه پیش با اولین کشف امواج گرانشی تغییر کرد—امواجی در بافت فضازمان که ناشی از برخوردهای خشونت‌آمیز اجرام عظیم هستند. اکنون، همکاری بین‌المللی لایگو-ویرگو-کاگرا (LVK) کاتالوگ گذرا امواج گرانشی ۵.۰ (GWTC-5.0) را منتشر کرده است، که اساساً این حوزه را از مطالعه ناهنجاری‌های نادر به سمت نجوم آماری قوی سوق می‌دهد. مجموعه داده جدید ۱۶۱ رویداد تأیید شده را که بین آوریل ۲۰۲۴ تا ژانویه ۲۰۲۵ شناسایی شده‌اند، اضافه می‌کند و مجموع امواج فضازمان ثبت‌شده را به ۳۹۰ مورد می‌رساند.[1][2]

حجم عظیم داده‌های موجود در GWTC-5.0 به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا فرضیه‌های دیرینه در مورد چرخه حیات تاریک‌ترین ساکنان کیهان را آزمایش کنند. مهم‌ترین ادعایی که از این کاتالوگ بیرون می‌آید، شواهد قانع‌کننده برای وجود سیاه‌چاله‌های «نسل دوم» است. به طور سنتی، سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای مستقیماً از فروپاشی ستارگان عظیم در حال مرگ شکل می‌گیرند. با این حال، مدل‌های نظری مدت‌هاست که پیشنهاد کرده‌اند در محیط‌های کیهانی فوق‌العاده متراکم، مانند خوشه‌های ستاره‌ای کروی، سیاه‌چاله‌ها ممکن است برخورد کرده، ادغام شوند و سپس در خوشه باقی بمانند تا دوباره ادغام شوند.[3][5]

شواهد اصلی برای این مکانیسم ادغام سلسله‌مراتبی بر دو رویداد بسیار غیرعادی استوار است که تنها با فاصله یک ماه شناسایی شدند: GW241011 و GW241110. این برخوردها که به ترتیب در فاصله تقریبی ۷۰۰ میلیون و ۲.۴ میلیارد سال نوری از زمین قرار دارند، شامل سیاه‌چاله‌هایی با جرم‌های بسیار نامتقارن و سرعت‌های چرخشی فوق‌العاده بودند. سیاه‌چاله بزرگ‌تر در ادغام GW241011 یکی از سریع‌ترین چرخش‌های مشاهده‌شده تاکنون را دارد. به گفته محققان رصدخانه گرانشی اروپا، این چرخش‌های شدید و نسبت‌های جرمی با سیاه‌چاله‌هایی که به صورت مجزا شکل گرفته‌اند، بسیار ناسازگار است و در عوض به اجسامی اشاره دارد که خود بقایای ادغام‌های قبلی هستند.[5][7]

برای آزمایش این ادعا، اخترفیزیکدانان مدل‌های آماری را به کار بردند که شاخص‌های آنتروپی امواج گرانشی این رویدادها را با جمعیت‌های شبیه‌سازی شده ادغام‌های نسل اول و سلسله‌مراتبی مقایسه می‌کرد. تجزیه و تحلیل GW241011 تطابق تقریباً کاملی با مدل سلسله‌مراتبی نشان داد و قویاً از منشأ خوشه ستاره‌ای متراکم حمایت کرد که در آن سیاه‌چاله‌ها به عنوان «بازیافت‌کنندگان کیهانی» عمل می‌کنند. آن‌ها با برخورد مکرر با یکدیگر، جرم و چرخش‌هایی را انباشته می‌کنند که از طریق فروپاشی استاندارد ستاره‌ای قابل دستیابی نیست.[6][7]

با این حال، بسته شواهد، عدم قطعیت آشکاری را در مورد جمعیت گسترده‌تر به همراه دارد. در حالی که GW241011 یک کاندیدای قوی برای ادغام نسل دوم است، داده‌های مربوط به GW241110 مبهم‌تر است. تحلیل‌های احتمال نشان می‌دهد که این رویداد ممکن است به سختی در پارامترهای یک ادغام نسل اول بسیار غیرعادی جای گیرد، حتی اگر سایر آزمون‌های آماری به سمت منشأ سلسله‌مراتبی متمایل باشند. همکاری LVK خاطرنشان می‌کند که آیا این دو رویداد نشان‌دهنده موارد حاشیه‌ای مجزا هستند یا نوک کوه یخ یک طبقه شکل‌گیری متمایز و عظیم، یک پرسش باز باقی می‌ماند که برای حل کامل آن به صدها کشف دیگر نیاز است.[4][7]

فراتر از جمعیت‌شناسی سیاه‌چاله‌ها، GWTC-5.0 یک ادعای بزرگ دوم را ارائه می‌دهد: نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین همچنان در افراطی‌ترین شرایط کیهان بدون نقص پابرجاست. شواهد این امر از GW250114 به دست می‌آید، رویدادی که در ۱۴ ژانویه ۲۰۲۵ ثبت شد و نسبت سیگنال به نویز آن ۷۶.۹ بود. این امر آن را به واضح‌ترین و بلندترین سیگنال موج گرانشی تبدیل می‌کند که تاکنون شناسایی شده است، سیگنالی که توسط دو سیاه‌چاله با جرم‌های ۳۲ و ۳۴ جرم خورشیدی که در فاصله بیش از یک میلیارد سال نوری با هم برخورد کردند، تولید شد.[1][2]

وضوح بی‌سابقه GW250114 به فیزیکدانان اجازه داد تا دقیق‌ترین آزمایش‌های نسبیت عام را تا به امروز انجام دهند. برای اولین بار، محققان با موفقیت سه حالت ارتعاشی متمایز—یا «آهنگ‌های زوال»—سیاه‌چاله تازه شکل‌گرفته را هنگام تثبیت شدن در حالت پایدار اندازه‌گیری کردند. این داده‌های شبیه به آکوستیک، قضیه معروف مساحت سیاه‌چاله استیون هاوکینگ را تأیید کرد و ثابت کرد که مساحت کل افق رویداد سیاه‌چاله نهایی قطعاً بزرگتر از مجموع مساحت‌های دو سیاه‌چاله اصلی است. حتی با وجود اینکه انرژی به صورت امواج گرانشی تابش می‌شد، آنتروپی ترمودینامیکی سیستم دقیقاً همانطور که پیش‌بینی شده بود، افزایش یافت.[2][3]

این کاتالوگ همچنین جهش عظیمی در توانایی شبکه برای تعیین دقیق محل وقوع این فجایع نشان می‌دهد، که یک نیاز حیاتی برای نجوم چندپیامی است. ادعای سوم بر GW240615 متمرکز است، ادغام سیاه‌چاله‌های ۲۶ و ۳۰ جرم خورشیدی که در ژوئن ۲۰۲۴ شناسایی شد. از آنجایی که این سیگنال به طور همزمان توسط آشکارسازهای دوقلوی لایگو در ایالات متحده و آشکارساز ارتقا یافته ویرگو در ایتالیا ثبت شد، دانشمندان به دقیق‌ترین مکان‌یابی آسمانی در تاریخ این حوزه دست یافتند.[1][4]

منشأ GW240615 به ناحیه‌ای از آسمان به وسعت تنها شش درجه مربع محدود شد—تقریباً به اندازه ۲۸ ماه کامل. اگرچه این ممکن است در مقایسه با استانداردهای تلسکوپ‌های نوری بزرگ به نظر برسد، اما یک منطقه جستجوی فوق‌العاده محدود برای امواج گرانشی است که کل سیاره را در بر می‌گیرند. این دقت حیاتی است زیرا به تلسکوپ‌های نوری و رادیویی سنتی اجازه می‌دهد تا به سرعت تغییر جهت داده و به دنبال هر نوری باشند که از برخورد ساطع می‌شود، اگرچه انتظار می‌رود ادغام سیاه‌چاله‌های دوتایی به طور کلی در طیف الکترومغناطیسی نامرئی باشند.[2][3]

در نهایت، کاتالوگ گسترش‌یافته ابزار جدیدی را برای رسیدگی به یکی از سرسخت‌ترین بحران‌های کیهان‌شناسی مدرن ارائه می‌دهد: تنش هابل. کیهان در حال انبساط است، اما روش‌های مختلف اندازه‌گیری نرخ انبساط—معروف به ثابت هابل—نتایج متناقضی به دست می‌دهند. اندازه‌گیری‌های مبتنی بر پس‌زمینه مایکروویو کیهانی انبساط کندتری را نشان می‌دهند، در حالی که مشاهدات ابرنواخترهای محلی انبساط سریع‌تری را پیشنهاد می‌کنند. امواج گرانشی یک روش سوم کاملاً مستقل ارائه می‌دهند که به عنوان «آژیرهای استاندارد» عمل می‌کنند، زیرا دامنه امواج فضازمان مستقیماً فاصله آن‌ها از زمین را آشکار می‌کند.[4][6]

با انتشار GWTC-5.0، تعداد سیگنال‌های امواج گرانشی که در مطالعات ثابت هابل گنجانده شده‌اند، تقریباً دو برابر شده و به ۲۳۶ مورد رسیده است. این مجموعه داده بزرگ‌تر، دقت تخمین ثابت هابل مبتنی بر امواج گرانشی را تقریباً ۲۵ درصد بهبود بخشیده است. در حالی که شواهد فعلی نوار عدم قطعیت را باریک‌تر می‌کند، هنوز به طور قطعی گره بین اندازه‌گیری‌های نوری متناقض را باز نمی‌کند. کیهان‌شناسان تخمین می‌زنند که حل تنش هابل به کاتالوگی شامل چندین هزار رویداد نیاز است.[4][6]

رصدخانه‌های لایگو، ویرگو و کاگرا در حال حاضر آفلاین هستند و تحت ارتقاء گسترده سخت‌افزاری قرار دارند تا نویز پس‌زمینه را بیشتر کاهش داده و حساسیت خود را نسبت به امواج فضازمان دور افزایش دهند. هنگامی که شبکه برای دور بعدی رصد خود دوباره روشن شود، انتظار می‌رود امواج گرانشی را با سرعت بیشتری ثبت کند و احتمالاً چندین برخورد در روز را شناسایی کند. با رشد کاتالوگ از صدها به هزاران، دوران نجوم گرانشی دقیق از شناسایی ناهنجاری‌ها به سمت نقشه‌برداری از معماری پنهان کیهان حرکت خواهد کرد.[1][4]