سیاهچالههای ممنوعه چگونه شکل می‌گیرند؟
تا چندی پیش به نظر می‌رسید که اندازه‌ی سیاهچاله‌ها، این کره‌های آسمانی بسیار چگال که حتی نور هم از گرانش آن‌ها فرار نمی‌کند، فقط کوچک یا خیلی بزرگ است. اما داده‌های امواج گرانشی نشان داد که سیاهچالههای جرم متوسط هم راهی برای تشکیل شدن دارند.
فیزیکدانان در گذشته از وجود سیاهچالههای کوچک ستاره‌ای با جرم نقریبا ۵۰ برابر خورشید و سیاهچالههای غول‌پیکر با جرمی میلیون‌ها یا میلیاردها برابر سنگین‌تر از خورشید که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند، آگاه بودند.
«پریاموادا ناتاراجان» (Priyamvada Natarajan) اخترفیزیکدان دانشگاه ییل گفت: «این مانند دیدن نوزادان و همچنین دیدن بزرگسالان است در حالی که نوجوانان دیده نمی‌شوند.»
اما در ۲۱ می ۲۰۱۹ (۳۱ اردیبهشت ۱۳۹۸) برای نخستین بار سیاهچالههای متوسط هم شناسایی شدند. هنگامی که رصدخانه‌ی امواج گرانشی تداخل لیزری مستقر در آمریکا «لایگو» (LIGO) و همتای اروپایی آن «ویرگو» (Virgo) لرزش یک جفت سیاهچاله را که در هم ادغام شدند، ثبت کردند. تجزیه‌وتحلیل داده‌ها وزن این دو سیاهچاله را به ترتیب ۶۶ و ۸۵ برابر خورشید تخمین می‌زد.
از زمان رسمی شدن این یافته در سال جاری، بحث درباره‌ی ابعاد سیاهچاله‌ها گسترش یافته است. پرسش اینجاست که این سیاهچالههای با اندازه‌ی متوسط چگونه به‌وجود آمده‌اند؟ ممکن است سیاهچالههای کوچکتر ممکن با غلیظ شدن گاز و گردوغبار به سیاهچاله‌هایی با جرم متوسط تبدیل شوند و یا شاید با مصرف یکدیگر رشد کنند و به صورت متوالی در هم ادغام شوند.
«ایمره بارتوس» (Imre Bartos) فیزیکدان دانشگاه فلوریدا خاطرنشان کرد: «اینکه آیا یکی از این فرآیند‌ها صادق است و یا هر دو، مشخص نیست.» درک فرآیند شکل‌گیری سیاهچالههای متوسط از این جهت مهم است که با برخی دیگر از تکامل‌های اخترفیزیکی تلاقی دارد.
آنچه روشن است این است که سیاهچاله‌هایی با جرم ۶۶ و ۸۵ برابر خورشید باید به گونه‌ای رشد کرده باشند زیرا با این ابعاد نمی‌توانند به طور مستقیم از رمبش گرانشی (فرو ریختن به درون بر اثر گرانش) ستاره‌ها تشکیل شده باشند.
شکل‌گیری عمومی سیاهچاله‌ها
در اواخر عمر ستاره‌های بزرگ، آن‌ها هیدروژن را در هسته‌های خود به عناصر سنگین و سنگین‌تر تبدیل می‌کنند. اما هنگامی که این تبدیل به آهن می‌رسد، انرژی حاصل از همجوشی هسته‌ای کمتر و همجوشی متوقف می‌شود.
این هسته‌ی چگال که توانایی نگه داشتن لایه‌های بیرونی سنگین ستاره را ندارد، دچار رمبش گرانشی شده و باعث انفجار فوق‌العاده شدید ابرنواختری می‌شود. این انفجار بقایای بسیار فشرده و سنگینی را بر جای می‌گذارد که سیاهچاله نام دارد.
حداقل این روندی است که برای ستاره‌هایی تا یک اندازه‌ی خاص وجود دارد. اگر هسته‌ی یک ستاره‌ی عظیم بین ۶۵ تا ۱۳۵ برابر جرم خورشید باشد، می‌تواند به دمای شدید نزدیک به ۳۰۰ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد برسد که باعث می‌شود ذرات نور خودبه‌خود به جفت الکترون و پوزیترون تبدیل شوند.
با از بین رفتن فشار تابشی، لایه‌های حجیم بیرونی غالب می‌شوند و حتی با شدت بیشتری نسبت به ابرنواخترهای معمولی به درون فرو می‌ریزند. کل هسته مانند یک بمب منفجر می‌شود، ستاره را کاملا می‌سوزاند و در پی آن چیزی باقی نمی‌ماند.
هسته‌های حدود ۵۰ تا ۶۵ برابر جرم خورشید نیز تحت یک سری انفجارهای جزئی قرار می‌گیرند تا زمانی که به زیر محدوده‌ای که تشکیل الکترون-پوزیترون روی می‌دهد، برسند و سپس به صورت گرانشی در سیاهچاله‌ها فرو می‌ریزند. این بدان معنی است که از نظر تئوری سیاهچاله‌هایی با ۵۰ تا ۱۳۵ برابر جرم خورشید، نمی‌توانند به طور مستقیم از ستاره‌ها ایجاد شوند.
با این وجود حتی پیش از کشف اخیر، بسیاری از اخترفیزیکدانان انتظار داشتند که سیاهچاله‌ها باید در این محدوده‌ی ممنوعه هم وجود داشته باشند. زیرا آن‌ها فرض می‌کردند که سیاهچالههای ستاره‌ای باید با گذر از یک مرحله‌ی میانی به سیاهچالههای عظیم مرکز کهکشان‌ها تبدیل شوند.
شکل‌گیری سیاهچالههای متوسط در خوشه‌های ستاره‌ای هسته‌ای
ناتاراجان که مدت‌ها درباره‌ی تکامل سیاهچالههای جرم متوسط تحقیق کرده است، آخرین دیدگاه‌های خود را در مقاله‌ای که ۱۹ سپتامبر (۲۹ شهریور) ارائه داد، بیان کرد. او از این نظریه که سیاهچالههای کوچک در خوشه‌های ستاره‌ای هسته‌ای که در مرکز کهکشان یافت می‌شوند حمایت می‌کند. این خوشه‌ها، مجموعه‌های متراکم ستاره‌ای است که در نزدیکی مرکز کهکشان‌ها یافت می‌شود.
این سیاهچالههای کم‌اهمیت با جابه‌جایی در خوشه گردوغبار را جمع می‌کنند و این فرآیند تا زمانی که در یک مکان واحد قرار بگیرند و از افزایش جرم جلوگیری شود، ادامه می‌یابد. بسته به میزان مواد موجود در خوشه و مدت زمان سرگردانی سیاهچاله، امکان شکل‌گیری سیاهچالههای جرم متوسط در طیف گسترده‌ای از توده‌ها وجود دارد که شامل هر دو ساهچاله‌ی شناسایی شده توسط لایگو و ویرگو هم می‌شود.
شکل‌گیری سیاهچالههای متوسط از ادغام سیاهچالههای کوچک
این نظریه در حالی است که برخی از دانشمندان دیدگاه متفاوتی دارند. بارتوس و دیگر پژوهشگران در حال کار بر روی مدل‌های ادغام سلسله مراتبی هستند که در آن به جای خوردن گردوغبار، سیاهچاله‌ها با خوردن یکدیگر رشد می‌کنند. مدلی که یکی از جزئیات مهم در داده‌های لایگو و ویرگو از آن پشتیبانی می‌کند.
سیاهچاله‌ها می‌توانند دارای یک حرکت زاویه‌ای یا چرخشی باشند که بازه‌ای بین ۰ و ۱ را دربر می‌گیرد. هنگامی که دو سیاهچاله با اندازه‌ی مشابه ترکیب می‌شوند، چرخش سیاهچاله‌ی حاصل به احتمال زیاد حدود ۰٫۷ خواهد بود. برای نمونه سیاهچاله‌ی نهایی آشکار شده در لایگو و ویرگو چرخشی برابر با ۰٫۷۲ داشت. اما به طور مشخص دو سیاهچاله‌ی ادغام شده با یکدیگر دارای چرخش‌های مشابه ۰٫۶۹ و ۰٫۷۳ بودند و این نشان می‌دهد که هر یک از آن‌ها در ادغام‌های قبلی شکل گرفته‌اند.
ابعاد سیاهچاله‌ها آن‌گونه که می‌شناسیم
Credit: Samuel Velasco/Quanta Magazine
«امانوئل برتی» (Emanuele Berti) اخترفیزیکدان دانشگاه جان هاپکینز که روی ادغام سلسله مراتبی مطالعه می‌کند، گفت: «به نظر می‌رسد که رویداد مشاهده شده با این ایده که سیاهچاله‌ها به طور مرتب با هم ادغام می‌شوند، سازگار است.»
او البته تأکید کرد که گاز و گردوغبار کشیده شده به درون سیاهچاله‌ها هم باید روی چرخش آن‌ها اثر بگذارد. ماده‌ای که به سیاهچاله فرو می‌ریزد از لحاظ نظری هنگام تخلیه به سمت نقطه‌ی مرکزی، یک دیسک چرخان را تشکیل می‌دهد و این چرخش دیسک می‌تواند به حفره انتقال یابد.
اگرچه جزئیات این فرآیند هنوز به طور کامل بررسی نشده است اما در اصل مواد فروریخته به درون سیاهچاله می‌توانند مسؤول چرخش‌های مشاهده شده باشند. برتی افزود: «ما نمی‌توانیم نتیجه بگیریم که این ادغام صددرصد ادغامی از نسل دوم بوده است.»
علامت احتمالی دیگری هم در برابر نظریه‌ی چند ادغام وجود دارد؛ وقتی دو سیاهچاله با جرم نابرابر به دور یکدیگر می‌چرخند، برخلاف امواج تابشی که به طور متقارن در همه‌ی جهات پراکنده می‌شوند، امواج گرانشی مشابه یک آبپاش چرخشی در فضا پراکنده می‌شود. برتی خاطرنشان کرد: «سپس تصور کنید که در لحظه‌ی ادغام آب را می‌بندید. امواج گرانشی به یک سمت و سیاهچاله‌ی حاصل به سمتی دیگر می‌رود.»
با این توضیح برتی، سیاهچاله‌ها در نهایت می‌توانند با سرعت ده‌ها میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت کنند و خیلی سریع از هر محیطی که در آن هستند، فرار کنند. در این صورت، کاهش سرعت سیاهچاله برای آغاز یک ادغام دیگر دشوار است.
اما در مدل دیگر که ناتاراجان از آن پشتیبانی می‌کند، سیاهچاله‌هایی که در خوشه‌های ستاره‌ای هسته‌ای شکل می‌گیرند، کمتر در معرض شتاب گرفتن بر اثر امواج گرانشی هستند. به این دلیل که چنین خوشه‌هایی در مجاورت سیاهچالههای غول‌پیکر قرار دارند که اثر عظیم آن‌ها می‌تواند اجسام سریع را مهار کند و به طور بالقوه اجازه دهد تا سیاهچالههای کوچکتر با همتایان خود برخورد کنند.
بررسی‌های آینده
این فرضیه‌ها و تحلیل‌ها نشان می‌دهد که رصد تنها یک رویداد ادغام، نمی‌توان موضوع را حل کند. «لورا بلوچا» (Laura Blecha) اخترفیزیکدان نظری دانشگاه فلوریدا در این‌باره گفت: «من فکر می‌کنم که اکنون مدل‌های زیادی برای شکل‌گیری این نوع سیاهچاله‌ها وجود دارد. اما ممکن است حتی شش ماه دیگر با مدل‌های جدید یا با تشخیص‌های جدید لایگو، موضوع کاملا متفاوت باشد.»
اگرچه رصدخانه‌ی امواج گرانشی هم‌اکنون به دلیل همه‌گیری کرونا غیرفعال است اما در چند سال آینده باید به‌روزرسانی شود و میزان تشخیص آن از یک سیاهچاله در هر هفته باید به یک نمونه در هر ساعت افزایش یابد. میزانی که بارتوس درباره‌ی آن می‌گوید: «یک انفجار از این رویدادها خواهیم داشت.»
در همین حال داده‌های فعلی همچنان توسط جوامع نجومی استفاده می‌شوند. در اواخر ماه اکتبر (اوایل آبان) تجزیه‌وتحلیل دوباره‌ی داده‌های لایگو و ویرگو توسط گروهی از ستاره‌شناسان نشان داد که ادغام مورد نطر ممکن است شامل دو سیاهچاله با وزن بسیار نابرابر باشد.
چیزی که به جای ۶۶ و ۸۶ در حدود ۱۶ و ۱۶۶ برابر جرم خورشید است. در این صورت امکان دارد که هر دو سیاهچاله از فروپاشی ستاره‌ها ایجاد شده باشند. زیرا توده‌های آن‌ها در محدوده‌ی ممنوعه قرار ندارد. هرچند چنین احتمالی هنوز به توضیحات بیشتری نیاز دارد زیرا سیاهچاله‌ی بزرگتر در اندازه‌ای است که شریک باید از یک ستاره‌ی عظیم غیرمعمول به وجود آمده باشد.
در عین حال همه‌ی این تردیدها و بررسی‌ها نشان می‌دهد که پژوهشگران بازه‌ای را کاوش می‌کنند که پیش از این دیدی نسبت به آن وجود نداشت.
عکس کاور: طرحی نمادین از سیاهچالههای بزرگ، متوسط و کوچک
Credit: Samuel Velasco/Quanta Magazine
منبع: Quanta Magazine
عالی بود ممنون از شما که دانسته های ما را زیاد تر می کنید