Revising the Spin and Kick Connection in Isolated Binary Black Holes

تُعد الثقوب السوداء أكثر الأجسام تطرفاً في الكون، حيث تولد من الانهيار العنيف للنجوم الضخمة. ولعقود من الزمن، حاول علماء الفلك فهم لغز محدد ومستعصٍ يتعلق بها: من أين يأتي دورانها المغزلي؟ عندما ينهار نجم ما، فإنه غالباً ما يدور بشكل أسرع، تماماً مثل المتزلج على الجليد الذي يضم ذراعيه إلى الداخل. كانت النظرية السائدة هي أن الثقما السوداء ترث ببساطة هذا الدوران من نجومها الأم. وبما أن النجوم في الأزواج الثنائية عادة ما تدور في نفس اتجاه مداراتها، فقد توقعت هذه النظرية أن الثقوب السوداء الناتجة يجب أن تدور أيضاً في محاذاة مثالية مع مداراتها. وإذا كان هذا صحيحاً، فسيمنح ذلك علماء الفلك وسيلة موثوقة لتحديد كيفية تشكل الثقوب السوداء؛ فالثقوب التي تولد وحيدة في الحقول الهادئة بين النجوم يجب أن تدور بانتظام مع شركائها، بينما تلك التي تجمعت معاً بمحض الصدفة في عناقيد نجمية مزدحمة يجب أن تدور في اتجاهات عشوائية.

ومع ذلك، فإن الملاحظات الأخيرة من كواشف الموجات الثقالية قد قلبت هذه الصورة المنظمة رأساً على عقب. فقد رصد العلماء اندماجات لثقوب سوداء تكون فيها الدوران المغزلي مائلاً بزوايا جامحة، أو حتى يدور بشكل عكسي بالنسبة للمدار. هذه الدورات "غير المتوافقة" كانت تُعتبر تقليدياً دليلاً على أن الثقود السوداء قد جُمعت ديناميكياً في بيئات مزدحمة. لكن دراسة جديدة تتحدى هذا الافتراض، مشيرة إلى أن قصة دوران الثقوب السوداء أكثر تعقيداً بكثير من مجرد وراثة بسيطة. ويقترح الباحثون أن الولادة العنيفة للثقب الأسود قد تتضمن عمليات تشتت اتجاه دورانه، مما يخلق عدم توافق حتى بالنسبة للأزواج التي تشكلت في عزلة.

سعى الفريق، بقيادة فيشال بايفاف وفيكي كلوجيرا، لاختبار هذه الفكرة من خلال استكشاف أربعة طرق مختلفة قد يكتسب بها الثقب الأسود دورانه المغزلي. الطريقة الأولى هي الرؤية التقليدية: حيث يتم وراثة الدوران مباشرة من النجم الأم، مما يحافظ على محاذاته مع المدار. أما الاحتمالات الثلاثة الأخرى فهي أكثر فوضوية؛ ففي أحد السيناريوهات، يتولد الدوران عشوائياً بفعل عمليات مضطربة داخل النجم المحتضر، بحيث يشير في أي اتجاه باحتمالية متساوية. وفي السيناريو الثاني، يتوافق الدوران مع "الركلة" التي يتلقاها الثقب الأسود عند ولادته—وهي دفعة مفاجئة ناتجة عن انفجار غير متماثل. وفي السيناريو الثالث، يشير الدوران بشكل عمودي على تلك الركلة. استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية لنمذجة كيف ستبدو هذه الاتجاهات المختلفة للدوران بعد تشكل الثقوب السوداء وبدء مداراتها حول بعضها البعض، وبالتحديد كيف ستؤدي عملية الولادة العنيفة، المعروفة باسم انهيار اللب، إلى إمالة مدار الثنائي نفسه.

وكشفت عمليات المحاكاة التي أجروها أن الافتراض القديم—بأن الثنائيات المعزولة يجب أن تمتلك دوراناً متوافقاً—ليس صحيحاً بالضرورة. فقد وجدوا أنه إذا كان دوران الثقب الأسود مرتبطاً باتجاه ركلة ولادته، أو إذا تولد بشكل عشوائي، فإن النظام الناتج يمكن أن يظهر عدم توافق كبير أو حتى دوراناً تراجعياً، حيث يدور الثقب الأسود بشكل عكسي بالنسبة لمداره. يحدث هذا لأن الركلة التي تدفع الثقب الأسود بعيداً تؤدي أيضاً إلى إمالة المدار الكامل للزوج الثنائي. واعتماداً على قوة الركلة واتجاه الدوران، يمكن للنتيجة النهائية أن تبدو تماماً مثل نظام تم تجميعه بمحض الصدفة في عنقود مزدحم، رغم أنه تشكل بهدوء في عزلة.

لهذا الاكتشاف تداعيات عميقة على كيفية تفسيرنا للإشارات القادمة من تصادم الثقوب السوداء. تشير الدراسة إلى أن وجود دوران مائل أو دوران عكسي ليس، في حد ذاته، دليلاً على أن النظام قد جُمع ديناميكياً. فالثنائي الذي تشكل في حقل هادٍ يمكن أن ينتهي بسهولة بدوران فوضوي إذا تضمنت فيزياء ولادته هذه الآليات البديلة. وقد طبق الباحثون نماذجهم على بيانات من 257 اندماجاً للثقوب السوداء رصدها تعاون LIGO-Virgo-KAGRA. ووجدوا أنه بينما تفضل بعض الأحداث النموذج المتوافق التقليدي بقوة، فإن أحداثاً أخرى يفسرها بشكل أفضل نظريات تولد الدوران البديلة. وعلى وجه الخصوص، أظهر حدث يتضمن احتمال وجود نجم نيوتروني وثقب أسود دوراناً عكسياً يصعب جداً تفسيره بالنظرية القديمة، لكنه يتناسب طبيعياً مع النماذج الجديدة.

لا تدعي الورقة البحثية أنها حلت لغز دوران الثقب الأسود، ولا تثبت أن الثنائيات المعزولة هي مصدر جميع الأنظمة غير المتوافقة. بدلاً من ذلك، هي توضح أن نطاق الاحتمالات لكيفية سلوك الثنائيات المعزولة أوسع بكثير مما كان يُعتقد سابقاً. ومن خلال التخلي عن افتراض وجوب وراثة الدوران، يوضح المؤلفون أن "بصمة" أصل الثنائي أصبحت ضبابية؛ فالعلامات المميزة التي كان العلماء يأملون أن تفصل بين ثنائيات الحقول وثنائيات العناقيد ليست واضحة كما كان يُعتقد. وتخلص الدراسة إلى أنه لفهم من أين تأتي هذه العمالقة الكونية حقاً، سيحتاج العلماء إلى النظر إلى المجموعة ككل، بدلاً من الحكم على كل حدث بشكل منفصل، ويجب أن يكونوا مستعدين لاحتمال أن فيزياء الولادة العنيفة للثقب الأسود يمكن أن تعيد كتابة قواعد رقصته مع شريكه.