تظهر الدراسة أن الثنائيات ذات الكتلة السالبة تولد إشعاعات جاذبية غير مسبوقة

وحدد الباحثون أن الأنظمة الثنائية المكونة من أجسام ذات كتلة سالبة ستنتج إشارات إشعاع جاذبية ذات خصائص غير مسبوقة في الكون. وتقترح الدراسة الجديدة، التي تم تطويرها بالشراكة بين المؤسسات البحثية، أن مراصد موجات الجاذبية يمكنها اكتشاف هذه المصادر ووضع حدود صارمة لوجود الكتلة السالبة في الطبيعة.

تسمح النظرية النسبية العامة، التي صاغها ألبرت أينشتاين، رياضيًا بوجود أجسام ذات كتلة سالبة. ورغم هذا الاحتمال النظري، يبقى السؤال الجوهري مفتوحا: هل يمكن بناء مثل هذه الجماهير في الواقع؟ يوفر العمل المنشور حديثًا استراتيجية رصد للإجابة على هذا السؤال من خلال الكشف عن أنماط محددة من إشعاع الجاذبية.

ثلاث فئات جماعية تحدد سلوك الأشياء

تصنف الفيزياء الكتلة إلى ثلاث فئات متميزة تحدد كيفية تفاعل الأشياء مع قوى ومجالات الجاذبية. تمثل كتلة القصور الذاتي مقاومة الجسم للتسارع عندما تؤثر عليه قوة. تصف كتلة الجاذبية النشطة قدرة الجسم على توليد مجال جاذبية يؤثر على الأجسام الأخرى المحيطة به. وتحدد كتلة الجاذبية السلبية بدورها كيفية استجابة الجسم لمجال الجاذبية الناتج عن الأجسام الأخرى في الفضاء.

يتطلب قانون الحفاظ على الزخم الخطي أن تكون كتل الجاذبية الإيجابية والسلبية متطابقة. وإذا اختلفوا، فإن الزخم الذي اكتسبه أحد الأجسام أثناء تفاعل الجاذبية لن يتم تعويضه بالزخم الذي فقده جسم آخر، مما ينتهك مبدأ التناظر الأساسي في قوانين الفيزياء. ينشأ هذا التقييد مباشرة من الثبات الانتقالي المكاني، أي خاصية بقاء القوانين الفيزيائية دون تغيير عندما يغير النظام موضعه في الفضاء.

يربط مبدأ التكافؤ بين ظواهر الجاذبية والقصور الذاتي

يشكل مبدأ التكافؤ أساس النظرية النسبية العامة لأينشتاين. ويفترض أن كتلة القصور الذاتي للجسم تساوي كتلة جاذبيته السلبية. يستند هذا الافتراض إلى قرون من الملاحظات التجريبية، بدءًا من أعمال جاليليو جاليلي وحتى الدراسات المعاصرة، والتي توضح جميعها أن الأجسام ذات الكتل المختلفة تتسارع بشكل مماثل تحت تأثير الجاذبية، بغض النظر عن تركيبها أو حجم كتلتها.

عندما يناقش الباحثون الأجسام الافتراضية ذات الكتلة السالبة، فإنهم غالبًا ما يفترضون أن كلا من الحفاظ على الزخم الخطي ومبدأ التكافؤ يظلان صالحين. يشير هذا الافتراض إلى أن الأشكال الثلاثة للكتلة ستكون هي نفسها بالنسبة للكتل السالبة أيضًا. ومع ذلك، فقد تم التحقق من صحة مبدأ التكافؤ تجريبيًا فقط بالنسبة للكتل الموجبة. بالنسبة للكتل السالبة، قد لا يتم الحفاظ على هذا التناظر، مما يفتح سيناريوهات فيزيائية جديدة.

ينشأ الإشعاع ثنائي القطب من أنظمة ذات كتل جاذبية غير متساوية

يوضح المقال المنشور مؤخرًا، والذي تم تطويره بالتعاون مع باحثين بارزين، أن النظام الثنائي الذي يحتوي على جسمين بنسب مختلفة بين كتلتي الجاذبية والقصور الذاتي من شأنه أن ينبعث إشعاع الجاذبية ثنائي القطب. ويختلف هذا النمط بشكل أساسي عن إشعاع الجاذبية الرباعي، وهو النوع الذي تم رصده في جميع الاكتشافات التي تم تأكيدها حتى الآن بواسطة كاشفات موجات الجاذبية LIGO وVirgo وKAGRA.

يشبه الوضع المادي نظامًا من الشحنات الكهربائية ذات العلامات المعاكسة ذات كتل القصور الذاتي الموجبة. حتى الآن، لم يتم تسجيل أي دليل على وجود إشعاع الجاذبية ثنائي القطب من قبل المراصد. إن حدود المراقبة التي تفرضها هذه الأدوات على انبعاثات الإشعاع ثنائي القطب المحتملة صارمة للغاية، مما يقيد بشدة الخصائص التي يمكن أن تظهرها هذه الأنظمة.

حتى في السيناريو الذي يحتوي فيه الكون على كتل سالبة فقط والتي تلتزم بشكل صارم بمبدأ التكافؤ، فإن الأنظمة الثنائية التي تتضمن هذه الكتل من شأنها أن تولد توقيعات موجات جاذبية تختلف جذريًا عن تلك المعروفة حاليًا:

• تنتج الأنظمة ذات الكتلة الإجمالية السلبية قوى تنافر بين المكونات، مما يجعل من المستحيل تكوين مدارات ثنائية مستقرة وطويلة الأمد
• تسمح الأنظمة ذات الكتلة الإيجابية الإجمالية، حيث تكون الكتلة السالبة أقل حجمًا من الكتلة الموجبة، بمدارات دائرية، ولكنها تتطور من خلال التوسع بدلاً من الانكماش، مما يولد إشارات مضادة للتغريد ذات تردد متناقص
• تتوافق الأنظمة ذات الكتلة الإجمالية الصفرية مع الحلول غير الخاضعة للتحكم فيزيائيًا والتي يتسارع فيها الزوج نحو سرعة الضوء، مما يستبعد الحركة المدارية الدورية

من شأن ميزة مكافحة الغرد أن تعكس التوقيع المعروف لعمليات الدمج

يكمن التمييز بين سلوك الأنظمة الثنائية التقليدية وتلك التي تحتوي على كتلة سالبة بشكل أساسي في التطور النشط للمدار. في النظام الثنائي التقليدي الذي يحتوي على كتلتين موجبتين، تبدأ الطاقة المدارية بالسالب وتصبح أكثر سلبية تدريجيًا مع انخفاض الفصل. عندما يفقد النظام الطاقة من خلال انبعاث موجات الجاذبية، فإن هذه الخسارة تدفع النظام نحو التصاعد الحلزوني، مما يؤدي إلى زيادة الترددات بشكل تدريجي ومستمر.

وعلى العكس من ذلك، في النظام الموجب السالب ذو الكتلة الكلية الموجبة، تبدأ الطاقة المدارية عند قيم موجبة وتتناقص نحو الصفر مع زيادة الانفصال. نفس فقدان الطاقة بسبب انبعاث موجات الجاذبية يؤدي إلى توسع النظام بدلاً من الانكماش. من شأن هذه الخاصية أن تنتج إشارات مضادة للتغريد، حيث يتناقص التردد تدريجيًا بدلاً من زيادته، وهو ما يمثل العكس تمامًا للنمط الملحوظ في جميع المصادر المكتشفة حتى الآن بواسطة اتحاد LIGO-Virgo-KAGRA.

Leia Tambem

يحتاج المهاجم ليونيل ميسي إلى تمريرتين حاسمتين لمعادلة الرقم القياسي التاريخي لبيليه في كأس العالم

تم القبض على شركة Green Bay Packers التي تدير جوش جاكوبس في ولاية ويسكونسن بتهمة العنف المنزلي

ثروات كريستيانو رونالدو وليونيل ميسي تتجاوز الملعب باستثمارات تبلغ مليار دولار

إن غياب الإشارات المضادة للتغريد في كتالوجات موجات الجاذبية الحالية يوفر قيدًا رصديًا مباشرًا على السكان المحتملين للأنظمة الثنائية التي تتضمن كتلة سالبة في الكون المرئي، مما يحد من انتشارها إلى مستويات منخفضة للغاية، هذا إذا كانت موجودة على الإطلاق.

لقد أثارت الاكتشافات الحديثة أسئلة حول وفرة الكتلة السلبية

في الأشهر الأخيرة، اقترح منشوران علميان احتمال وجود عدد كبير من الأجسام ذات الكتلة السلبية في الكون. تعمل هذه المقترحات على تنشيط المناقشات التي بدأت منذ عقود مضت. في عام 1957، نشر الفيزيائي هيرمان بوندي عملاً بالغ الأهمية يوضح أن النسبية العامة تسمح بشدة بوجود كتل سالبة من وجهة نظر رياضية.

وفي وقت لاحق، في عام 2015، قدم روبرت فوروارد تحليلات مفصلة توضح كيف يمكن، من حيث المبدأ، استخدام الكتل السالبة في أنظمة الدفع دون الحاجة إلى الوقود الكيميائي أو التقليدي. على الرغم من هذه الاستكشافات النظرية، يظل السؤال الحاسم مفتوحًا: هل يمكن بناء الكتلة السالبة والحفاظ عليها في المختبر أو وجودها بشكل طبيعي في الكون؟

إن وجود الكتلة السالبة من شأنه أن يولد عواقب عميقة ومزعجة للفيزياء الأساسية. يمكن أن تكون مثل هذه الأشياء بمثابة لبنات بناء لآلات الزمن الهندسية، مما ينتهك مبدأ السببية. ويشير هذا المضمون وحده إلى أنه، في حالة وجود كتلة سالبة، فلا بد أن تكون مقيدة بآليات غير معروفة حتى الآن، تحافظ على الهياكل السببية للكون.

لم تكشف الفيزياء الفلكية لموجات الجاذبية عن مصادر غير متوقعة

أنتج العقد الأخير من عمليات رصد موجات الجاذبية، بدءًا من الاكتشاف التاريخي في عام 2015، قائمة قوية من الأحداث. ومع ذلك، فإن جميع المصادر المكتشفة تنتمي إلى الفئات المتوقعة: اندماجات الثقوب السوداء وتصادمات النجوم النيوترونية. لم تظهر أي مصادر غير متوقعة تمامًا من حدود المراقبة الجديدة هذه.

وتتناقض هذه النتيجة بشكل لافت للنظر مع تاريخ علم الفلك بأكمله. كلما طور علماء الفلك مراصد في نطاقات جديدة من الطيف الكهرومغناطيسي، اكتشفوا ظواهر غير متوقعة بشكل جذري. كشفت التلسكوبات الراديوية عن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وجزيئات معقدة بين النجوم، ورشقات راديوية سريعة. كشفت تلسكوبات الأشعة السينية عن ثقوب سوداء متراكمة، وإشعاع خلفية للأشعة السينية، وعناقيد مجرية عالية الطاقة. حددت تلسكوبات أشعة جاما انفجارات أشعة جاما، والنجوم النابضة لأشعة جاما، وإشعاع الخلفية الكوني لأشعة جاما.

يمثل غياب الاكتشافات الجديدة تمامًا في موجات الجاذبية خروجًا ملحوظًا عن هذا التقليد العلمي المتمثل في الكشف المستمر عن الظواهر غير المعروفة من خلال قدرات المراقبة الجديدة.

أنظمة الكتلة السلبية كهدف رصدي جديد

يقدم العمل الذي تم الانتهاء منه مؤخرًا اقتراحًا ملموسًا: الأنظمة الثنائية التي تحتوي على أعضاء كتلة سالبة من شأنها أن تولد إشارات موجات الجاذبية بخصائص مختلفة جذريًا عن أي شيء تمت ملاحظته. تشكل هذه الأنظمة أهدافًا جديدة قابلة للتطبيق لمراصد موجات الجاذبية التشغيلية والمستقبلية.

الآثار المترتبة على ذلك ذات شقين. أولاً، من المحتمل أن تكتشف هذه المراصد هذه المصادر إذا كانت الكتلة السالبة متوافرة بالفعل بكميات كبيرة في الكون. ثانيًا، من خلال عدم اكتشاف هذه العلامات المميزة، يمكن لأجهزة الكشف وضع حدود المراقبة الأكثر صرامة التي تم تحقيقها على الإطلاق بشأن وفرة الكتلة السالبة في جميع أنحاء البنية الكونية، مما يؤدي إلى تحسين فهمنا للتركيب الأساسي للكون بشكل جذري.