یافته جدید لوکا کومیسو (Luca Comisso)، محقق دانشگاه کلمبیا، درباره «بازپیوند گرانشی» که می‌تواند به توضیح رخدادهای کیهانی مانند ادغام دو ستاره نوترونی به یک سیاه‌چاله کمک کند، در یک شبیه‌سازی ابررایانه‌ای در اینجا نشان داده شده است. تصویر: مرکز پروازهای فضایی گودارد ناسا (NASAs Goddard Space Flight Center).

بیش از یک قرن پس از آن‌که اینشتین برای اولین بار معادلات توصیف‌کننده گرانش را تدوین کرد، فیزیک‌دانان همچنان راه‌های تازه‌ای برای تفسیر این معادلات می‌یابند.

لوکا کومیسو، دانشمند پژوهش‌گر همکار در دانشکده اخترشناسی و فیزیک دانشگاه کلمبیا و آزمایشگاه اخترفیزیک کلمبیا، به همراه فیلیپه آ. آسنجو (Felipe A. Asenjo) از دانشگاه آدولفو ایبانز در شیلی، اخیراً روش جدیدی برای بررسی معادلات اینشتین پیدا کرده‌اند که شباهت قابل‌توجهی به «بازپیوند مغناطیسی» در پلاسما نشان می‌دهد. بازپیوند مغناطیسی زمانی رخ می‌دهد که خطوط میدان مغناطیسی شکسته شده و دوباره به یکدیگر می‌پیوندند و درنتیجه انرژی لازم برای پدیده‌های انفجاری، همچون شراره‌های خورشیدی، فراهم می‌شود.

پژوهش آنها نشان می‌دهد که پدیده مشابهی برای گرانش نیز می‌تواند رخ دهد: در شرایط مناسب، ساختارهای میدان گرانشی نیز می‌توانند شکسته شوند و دوباره به هم بپیوندند – فرایندی که آن را «بازپیوند گرانشی» نامیده‌اند. در جریان این فرایند، انرژی از میدان گرانشی خارج و به ماده منتقل می‌شود.

این یافته‌ها در درک بهتر برخی از سهمگین‌ترین رخدادهای جهان، از جمله برخورد سیاه‌چاله‌ها، به فیزیک‌دانان کمک می‌کنند. گرانش در این محیط‌ها چنان قدرتمند است که فضا-زمان به‌شدت دچار اعوجاج می‌شود و همین امر محاسبه رفتار آن را بسیار دشوار می‌کند. رویکرد پژوهش‌گران روشی را ارائه می‌کند که قواعد بنیادین حاکم بر رفتار میدان‌های گرانشی شناسایی شود؛ رویکردی که می‌تواند بینش‌هایی را آشکار کند که صرفاً با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای مرسوم به‌دست نمی‌آید.

برای درک چگونگی عملکرد بازپیوند میدان گرانشی، بهتر است از پدیده آشناتری آغاز کنیم: بازپیوند مغناطیسی. بیشتر مردم دستِ‌کم یک تصویر از خطوط میدان مغناطیسی دیده‌اند: قوس‌های براده‌های آهن در اطراف آهن‌ربای میله‌ای یا حلقه‌هایی که از سطح خورشید فوران می‌کنند. این خطوط در پلاسما کشیده و جابه‌جا می‌شوند و پیچ‌وتاب می‌خورند. گاهی اوقات فشار ایجادشده بیش از حد افزایش می‌یابد.

کومیسو گفت: «بازپیوند مغناطیسی زمانی رخ می‌دهد که این خطوط میدان، که در پیکربندی خاصی قرار دارند، شکسته شده و در پیکربندی متفاوتی دوباره به یکدیگر متصل می‌شوند. وقتی خطوط میدان می‌شکنند و دوباره به هم می‌پیوندند، انرژی آزاد می‌کنند». این فرایندی است که در شراره‌های خورشیدی رخ می‌دهد و یکی از مهم‌ترین سازوکارهای آزادسازی انرژی در تمام دانش اخترفیزیک است. «این فرایند انرژی را از میدان مغناطیسی گرفته و آن را به ذرات موجود در پلاسما منتقل می‌کند و در نتیجه انفجار و رویدادهای پرانرژی پدید می‌آیند.»

پژوهشگران استدلال می کنند که گرانش نیز می‌تواند پدیده مشابهی ایجاد کند. اما هندسه آن متفاوت است، زیرا فضا-زمان اینشتین چهار بعد دارد،‌ در حالی که فضای توصیف‌کننده مکان صرفاً سه بعد دارد.

کومیسو توضیح داد: «از آنجا که فضا-زمان چهاربعدی است نه سه‌بعدی، گرانش به جای خطوط میدان شامل چیزی شبیه به «صفحات» میدان است. افزودن یک بعد به خط به شما صفحه می‌دهد. می‌توان تصور کرد که از کنار هم قرار دادن خطوط بسیار، یک «صفحه» تشکیل می‌شود.»

بنابراین به جای خطوط میدان که کشده می‌شوند، دوباره به هم می‌پیوندند و انرژی آزاد می‌کنند، میدان گرانشی به شکل صفحاتی است که حرکت می‌کنند، دوباره به هم می‌پیوندند و انرژی آزاد می‌کنند. این صفحات ساختارهای ریاضیاتی‌اند،‌ نه اشیاء فیزیکی، اما بازپیوند آنها فرایندی را توصیف می‌کند که انرژی از طریق آن می‌تواند از میدان گرانشی به ماده منتقل شود.

نویسندگان مقاله استدلال می‌کنند که میدان گرانشی به شکل صفحاتی است که حرکت می‌کنند، دوباره به هم می‌پیوندند و انرژی آزاد می‌کنند. تصویر: Luca Comisso and Felipe A. Asenjo/APS 2026.

این کشف از رویکردی نامتعارف در بررسی معادلات اینشتین حاصل شده است؛ رویکردی که بر پژوهش‌های پیشین درباره قوانین بنیادی حاکم بر چگونگی تحول فضا-زمان استوار بود.

مقاله کومیسو و آسنجو با عنوان «بازپیوند میدان‌های گرانشی» که امروز در مجله فیزیکال ریویو D (Physical Review D) منتشر شد، از سوی انجمن فیزیک آمریکا به چاپ رسید، بر پایه مقاله پیشین آنها با ماری‌کارمن آ. وینکلر انجام شده است؛ پژوهشی که در آن مجموعه قواعدی شناسایی شده است که پیش‌تر شناخته نشده بودند و محدودیت‌هایی بر چگونگی خمیده شدن،‌ کشیده شدن و تحول فضا-زمان اعمال می‌کنند.

آسنجو گفت: «معادلات اینشتین دربردارنده قیدهایی درباره چگونگی تحول فضا-زمان است که در نگاه نخست آشکار نیست. با آشکار کردن این ویژگی‌های جدید می‌توانیم درک قوانین بنیادی حاکم بر چگونگی عملکرد فرایند بازپیوند میدان گرانشی را آغاز کنیم.»

کومیسو و آسنجو در مقاله اخیر خود نشان می‌دهند که چه‌طور پیوندهای میدان گرانشی می‌تواند با از بین رفتن شرایط آرمانی‌ای که آنها را نگه می‌دارند، تغییر کند؛ فرایندی که آنها آن را بازپیوند گرانشی نامیدند.

کومیسو گفت: «برخی مفاهیم در معادلات پنهان شده‌اند و صرفاً با نگاه کردن به معادلات نمی‌توان آنها را درک کرد. باید معادلات را به شیوه متفاوتی بازنویسی کنید؛ آن‌گاه می‌توانید از این ویژگی بهره ببرید.»

اصل کار همین بازنویسی است. فیزیک‌دان‌ها طی چند سال گذشته، فرمول‌بندی جدیدی از معادلات اینشتین ارائه کرده‌اند – که از نظر ریاضیاتی معادل معادلات اصلی است اما با متغیرهای متفاوتی بیان می‌شود. با نوشتن معادلات گرانشی با این شیوه، این معادلات بسیار زیاد شبیه به معادلات حاکم بر پلاسما می‌شود: پلاسما، گاز تشکیل‌دهنده خورشید است که سوخت آزمایش‌های همجوشی را فراهم می‌کند و بخش بزرگی از فضای میان ستارگان را پر کرده است.

کومیسو بخش عمده دوران فعالیت علمی خود را صرف مطالعه پلاسما کرده است. او و همکارانش با تشخیص این شباهت روش‌های فیزیک پلاسما را برای بررسی گرانش به‌کار گرفتند.

کومیسو گفت: «این کار به ما کمک می‌کند تا برخی از الگوهای فضا-زمان را پیش‌بینی کنیم. حتی بدون انجام محاسبات کامل هم می‌دانیم که فضا-زمان باید به شیوه خاصی رفتار کند تا آن قیدها برآورده شود.»

اهمیت این موضوع از آنجا ناشی می‌شود که معمولاً فیزیک‌دان‌ها این نوع پژوهش را چگونه انجام می‌دهند. وقتی اخترفیزیک‌دان‌ها بخواهند بدانند که هنگام برخورد دو سیاه‌چاله چه اتفاقی رخ می‌دهد، شبیه‌سازی‌های عظیمی را با ابررایانه‌ها اجرا می‌کنند: مجموعه‌ای از شرایط اولیه را در نظر می‌گیرند و می‌گذارند تا رایانه پیش رود و سپس نتایج حاصل را بررسی می‌کنند.

از این نتایج برای پیش‌بینی شکل سیگنال موج گرانشی استفاده می‌شود که آشکارسازهایی مانند رصدخانه موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) برای اندازه‌گیری آن طراحی شده است. لایگو رصدخانه‌ای است که برای آشکارسازی موج‌های ناشی از رخدادهایی همچون برخورد دو سیاه‌چاله در فضا زمان، طراحی شده است.

اکنون بازپیوند گرانشی همچنان یک کشف نظری است. گام بعدی بررسی این موضوع است که چگونه ممکن است این فرایند در محیط‌های اخترفیزیکی خاصی، مانند ادغام دو سیاه‌چاله، رخ دهد و آیا آثار قابل اندازه‌گیری از خود بر جای می‌گذارد یا خیر. کومیسو امیدوار است که این رویکرد در نهایت به پژوهش‌گران کمک کند تا بتوانند پیش‌بینی کنند که چنین رخدادهایی چه مقدار انرژی آزاد می‌کند و چه نشانه‌هایی ممکن است در امواج گرانشی به جا بگذارند.

منبع:

Can Gravitational Fields Break and Reconnect? Einstein’s Equations Suggest They Can.