محدود کردن دینامیک سیاهچاله های دوار با اصل تقارن سنج

در سال 2015، آزمایش LIGO/Virgo، یک تلاش تحقیقاتی در مقیاس بزرگ بر اساس دو رصدخانه در ایالات متحده، به اولین رصد مستقیم امواج گرانشی منجر شد. این نقطه عطف مهم از آن زمان فیزیکدانان سراسر جهان را برانگیخت تا توصیفات نظری جدیدی از دینامیک سیاهچاله ها ایجاد کنند که بر اساس داده های جمع آوری شده توسط همکاری LIGO/Virgo است.

محققان دانشگاه آپسالا، دانشگاه آکسفورد و دانشگاه مونس اخیراً برای توضیح دینامیک سیاهچاله‌های کر، سیاهچاله‌هایی را پیش‌بینی کردند که با سرعت ثابتی می‌چرخند، با استفاده از تئوری ذرات پرجرم پرجرم. کاغذ آنها، منتشر شده که در نامه معاینه فیزیکیبه طور خاص پیشنهاد می‌کند که دینامیک این سیاه‌چاله‌های در حال چرخش با اصل تقارن سنج محدود می‌شود، که به این معنی است که برخی تغییرات در پارامترهای یک سیستم فیزیکی هیچ اثر قابل اندازه‌گیری نخواهد داشت.

هنریک جوهانسون، یکی از نویسندگان مقاله، به Phys.org گفت: «ما پیوندی بین سیاهچاله‌های کر در حال چرخش و ذرات پرجرم با چرخش بالاتر را دنبال کردیم. به عبارت دیگر، ما سیاهچاله را به عنوان یک ذره بنیادی در حال چرخش مدل کردیم، شبیه به نحوه برخورد با الکترون در الکترودینامیک کوانتومی“

ارتباط بین سیاهچاله های کر و نظریه اسپین بالاتر برای اولین بار در دو مقاله مختلف منتشر شده در سال 2019 مورد بررسی قرار گرفت. اولین مورد از این مطالعات توسط آلفردو گوارا در موسسه Perimeter برای فیزیک نظری و همکارانش در اروپا انجام شد. دومین توسط مینگ ژی چونگ از دانشگاه ملی تایوان و همکارانش در دانشگاه ملی سئول.

هر دو کار قبلی نشان داده اند که متریک معروف Kerr را می توان به یک خانواده نامتناهی از دامنه های پراکندگی اسپین بالاتر ترسیم کرد. این دامنه ها برای اولین بار توسط فیزیکدانان نیما ارکانی-حامد، تزو-چن هوانگ و یو-تینگ هوانگ به عنوان بخشی از مطالعه قبلی.

جوهانسون گفت: «اگرچه این نتایج قبلی قابل توجه هستند، اما هنوز برای توصیف دقیق دینامیک سیاهچاله کر با توجه به آزمایش‌های آتی، مانند تلسکوپ انیشتین، LISA و کاوشگر کیهانی کافی نیستند. برخی از اطلاعات گمشده مهم در دامنه پراکندگی کامپتون سیاهچاله وجود دارد که در حال حاضر درباره چرخش کل ناشناخته است.

جوهانسون و همکارانش در مقاله خود پیشنهاد می کنند که از اصل تقارن سنج می توان برای محدود کردن موفقیت آمیز دینامیک سیاهچاله های در حال چرخش استفاده کرد. محققان نشان دادند که تقارن عظیم اسپین بالاتر، که توسط مکانیزمی که ابتدا توسط ارنست استوکلبرگ مشخص شد و بعداً توسط یوری زینوویف رسمیت یافت، اعلام شد، می‌تواند برای بازتولید دامنه‌های پراکندگی کر گزارش‌شده در مقالات قبلی استفاده شود.

جوهانسون گفت: «ما همچنین نشان داده‌ایم که دامنه‌های پراکندگی کامپتون ناشناخته به شدت محدود هستند، حتی اگر دستیابی به تکینگی نیازمند مشارکت‌های اضافی باشد.

نظریه‌های میدان کوانتومی اسپین بالا (QFT) به دلیل پیچیدگی‌شان بدنام هستند. حتی QFTهای اسپین پایین، مانند مورد اسپین-1 مدل استاندارد و مورد اسپین-2 نسبیت عام، البته پیچیده هستند، و فرمول بندی آنها عمدتاً بر تقارن گیج و تقارن دیفئومورفیک (کوواریانس کل) متکی است. این دو تقارن را می توان به عنوان پایین ترین دو پله از یک نردبان بی نهایت در نظر گرفت که به آن تقارن گیج با چرخش بالاتر می گویند.

اگرچه تقارن سنج برای توصیف دینامیک ذرات عظیم ضروری نیست، اما ثابت کرده است که ابزار ارزشمندی برای ترسیم برهمکنش‌های منسجم است. یکی از اجرای این تقارن گیج عظیم، به اصطلاح مکانیزم هیگز است.

یوهانسون توضیح داد: “با استفاده از تقارن چرخشی بزرگ سنجیده شده برای سیاهچاله ها، می توانیم اطمینان حاصل کنیم که درجات چرخشی آزادی به طور مداوم در نظر گرفته شده و یک لاگرانژی کارآمد بنویسیم.” و رفتار پرانرژی نسبتا خوبی دارد. رفتار پرانرژی خوب برای سیاهچاله‌های کلاسیک مهم نیست، اما این اطمینان را ایجاد می‌کند که نظریه مؤثر می‌تواند فرآیندهای کوانتومی خاصی را نیز توصیف کند.»

جوهانسون و همکارانش اولین کسانی بودند که تقارن چرخشی بالاتر را برای سیاهچاله ها اعمال کردند. نتیجه محاسبات اولیه آنها امیدوارکننده است و ممکن است به زودی راه را برای مطالعات بیشتر برای بررسی این رابطه هموار کند.

اگرچه ما انتظار داریم که مدتی طول بکشد تا یک نظریه کامل و مؤثر در مورد سیاهچاله‌های در حال چرخش درک شود، اما معتقدیم که تقارن گیج با چرخش بالاتر جزء مهمی در فرمول‌بندی آن خواهد بود، شبیه به تقارن گیج و دیفئومورفیسم. تقارن جوهانسون گفت: “دامنه پراکندگی کامل کامپتون برای یک سیاهچاله کر معمایی است، اما ما امیدواریم که بتوانیم آن را به طور کامل در آینده محدود کنیم.” این شامل درک او از ترتیبات دلخواه چرخش و مرتبه های بالاتر در ثابت نیوتن است.

محدود کردن کامل دامنه پراکندگی سیاهچاله‌های کر در نهایت به همکاری نزدیک بین سیاهچاله‌های کر نیاز دارد. فیزیکدانان نظری مطالعه ذرات عظیم با اسپین بالاتر و آنهایی که سعی در حل معادله موسوم به Teukolsky دارند که ریشه در نسبیت عام دارد. همکاری‌های اخیر بین این جوامع تحقیقاتی جداگانه نشان می‌دهد که پیشرفت در این مسیر ممکن است به زودی حاصل شود.

“در کارهای بعدی ما نیز مایلیم به دنبال رابطه بین این دو باشیم سیاه چاله ها و خواص کوانتومی آنها که یادآور ذرات بنیادی است.”

© 2023 Science X Network