نخستین سیاهچاله‌ی سرگردان در راه شیری با کمک محققان ایرانی کشف شد

پژوهشگرانی از سراسر جهان از جمله دانشگاه صنعتی شریف با روشی ابتکاری به یک کشف شگفت‌انگیز دست یافتند و برای نخستین بار یک سیاهچاله‌ی تنها را شناسایی کردند.

به‌نظر می‌رسد کهکشان راه شیری مانند یک ژاکت کش‌باف پشمی باستانی، باید پر از سیاهچاله باشد. بر اساس بهترین تخمین‌ها، باید بین ۱۰ میلیون تا ۱ میلیارد سیاهچاله با جرم ستاره‌ای وجود داشته باشد که آرام و بی‌سروصدا در کهکشان حرکت می‌کنند. هنگام شمارش آن‌ها فقط یک مشکل وجود دارد؛ این اجرام باید مقداری از مواد عبوری را در میدان گرانشی خود به دام بیندازند، زیرا اساسا نامرئی هستند.

نامرئی بودن به معنای غیرقابل تشخیص بودن آن‌ها نیست. طبق مقاله‌ای که در «استروفیزیکال ژورنال» (Astrophysical Journal) داوری همتا خواهد شد، برای نخستین بار یک تیم بین‌المللی پژوهشی از جمله با همکاری پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف شامل دکتر «سهراب راهوار» (Sohrab Rahvar) و دکتر «صدیقه سجادیان» (Sedighe Sajadian) موفق به کشف سیاهچاله‌ای تنها و خاموش در فاصله‌ی کمتر از ۵۲۰۰ سال نوری از زمین شده‌اند.

• سیاره‌های سرکش؛ شکار مرموزترین قلمروهای کهکشان

چگونگی کشف سیاهچاله‌ی تنها

با توجه به اینکه هم‌اکنون و شاید هرگز، ابزاری برای کاوش مستقیم سیاهچاله نداریم، باید اثراتش را بر فضای اطراف آن مشاهده کنیم. اغلب سیاهچاله‌ها توسط جذب مواد ستاره‌ی همدم خود و درخشش مواد جذب شده به درون آن شناسایی می‌شوند. برای یک سیاهچاله‌ی خاموش اما این اثر بر محیط اطراف، به‌صورت گرانشی است و چون میدان گرانشی سیاهچاله بسیار شدید است، هر نوری را که ممکن است از آن بگذرد را تاب می‌دهد و می‌پیچاند.

بنابراین هنگامی که جرمی نامرئی نور یک ستاره‌ی دوردست را بزرگنمایی و به‌طرز عجیبی درخشان‌تر می‌کند، ستاره‌شناسان می‌دانند که احتمالا یک میدان گرانشی قوی وجود دارد که نور ستاره از آن گذشته است. این پدیده «ریزعدسی گرانشی» یا «میکرولنزینگ گرانشی» (Gravitational Microlensing) نام دارد و دانشمندان از آن برای شناسایی اجرام کوچک و کم‌نوری استفاده کرده‌اند که به جز این، تشخیص آن‌ها توسط تلسکوپ‌ها بسیار دشوار است. اما اکنون نخستین بار است که یک سیاهچاله‌ی تنها را از این روش می‌بینیم.

این تیم از اخترشناسان به سرپرستی «کایلاش ساهو» (Kailash Sahu) از مؤسسه‌ی علمی تلسکوپ فضایی در تشریح این یافته نوشت: «ما نخستین کشف و اندازه‌گیری جرم یک سیاهچاله‌ی تنها با جرم ستاره‌ای را انجام و نشان دادیم که این عدسی نور قابل تشخیصی از خود ساطع نمی‌کند و داشتن جرمی بالاتر از حد ممکن برای یک کوتوله‌ی سفید یا ستاره‌ی نوترونی، نشان می‌دهد یک سیاهچاله است.»

پدیده‌ی ریزعدسی گرانشی در MOA-11-191/OGLE-11-0462 بین سال‌های ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۷
Credit: Sahu et al./ arXiv 2022

ریزعدسی گرانشی زمانی روی می‌دهد که جرمی با میدان گرانشی، تقریبا به‌صورت خیلی دقیق از مقابل یک ستاره‌ی دوردست می‌گذرد. میدان گرانشی باعث انحنای فضا-زمان می‌شود و هنگامی که نور از میان میدان گرانشی می‌گذرد، همان انحنا را دنبال می‌کند و مسیر آن به‌طور قابل توجهی خم می‌شود. این انحراف، نور را بزرگنمایی می‌کند و همچنین موقعیت ظاهری ستاره‌ی دوردست را کمی تغییر می‌دهد.

رویدادهای میکرولنزینگ قبلی باعث کشف سیاره‌های فراخورشیدی و ستارگانی شده‌اند که برای رصد بسیار کم‌نور هستند. آزمایش‌هایی که برای پایش آسمان تنظیم شده‌اند، هر سال هزاران رویداد ریزعدسی را شناسایی می‌کنند و اکثر آن‌ها ستارگانی هستند که در مقابل ستاره‌های دیگر حرکت می‌کنند، که با توجه به شمار زیاد ستاره‌های کیهان، تعجب‌آور نیست.

در ۲ ژوئن ۲۰۱۱ (۱۲ خرداد ۱۳۹۰) دو بررسی جداگانه‌ی میکرولنزی، شامل آزمایش لنز گرانشی نوری (OLGE) و مشاهدات میکرولنزینگ در اخترفیزیک (MAO) به‌طور مستقل رویدادی را ثبت کردند که در ۲۰ جولای ()۲۹ تیر به اوج خود رسید.

این رویداد با نام MOA-2011-BLG-191/OGLE-2011-BLG-0462 یا به شکل کوتاه‌تر MOA-11-191/OGLE-11-0462 بسیار قابل توجه بود زیرا نه تنها به‌طور غیرمعمول طولانی بود و حدود ۲۷۰ روز طول کشید، بلکه بزرگنمایی غیرعادی زیادی را هم نشان داد. با توجه به اینکه رویدادهای با بزرگنمایی بالا به آشفتگی‌ها حساس هستند، مانند آنچه ممکن است از سیاره‌ای که به دور یک جرم عدسی‌شده می‌چرخد دیده شود، دانشمندان برای انجام مشاهدات بعدی و انجام تجزیه‌وتحلیل‌ها، گرد هم آمدند.

رصدهای این محدوده در هشت موقعیت جداگانه با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل تا سال ۲۰۱۷ انجام شد. ساهو و تیمش این داده‌ها را بررسی کردند و دریافتند که بهترین تشخیص برای آن‌ها یک سیاهچاله و نه یک ستاره است.

• چرا سیاهچاله‌ها ترسناک‌ترین اجرام کیهان هستند؟

سیاهچاله‌های سرگردان دیگر

اگرچه این نخستین کشف سیاهچاله‌های تنها در کهکشان راه شیری است اما دانشمندان پیش از این هم شواهدی از آن‌ها را در کهکشان‌های دیگر دیده‌ند. ازجمله در سال ۲۰۱۶ دانشمندان از کشف یک کهکشان سرگردان به نام XJ1417+52 با جرم ۱۰۰ هزار برابر خورشید در لبه‌ی یک کهکشان عدسی-مانند با فاصله‌ی ۴٫۵ میلیارد سال نوری خبر دادند.

در سال ۲۰۲۰ هم ستاره‌شناسان اعلام کردند که ۱۳ سیاهچاله‌ی عظیم را در برخی دیگر از کهکشان‌های کوتوله یافته‌اند. در حالی که برخی از سیاهچاله‌ها در مرکز این کهکشان‌ها قرار داشتند، اما حدود نیمی از آن‌ها چنین نبودند و به‌نظر می‌رسید که در اطراف کهکشان‌هایشان سرگردان هستند. این سیاهچاله‌ها ۴۰۰ هزار برابر خورشید جرم داشتند.

طرحی گرافیکی از یک کهکشان کوتوله
Credit: Sophia Dagnello/ NRAO/ AUI/ NSF

مطالعات دقیق‌تر

پژوهشگران حتی موفق به اندازه‌گیری سیاهچاله هم شدند. تغییرات مشاهده شده در پرتو ستاره‌ی دوردست به تیم امکان داد تا جرم و حرکت آن را محاسبه کنند. بدین ترتیب آن‌ها دریافتند که سیاهچاله جرمی حدود ۷٫۱ برابر جرم خورشید دارد که باعث می‌شود که افق رویداد آن در حدود ۴۲ کیلومتر عرض داشته باشد.

برای درک شگفت‌آور بودن این کشف باید اشاره کرد که دانشمندان موفق شده‌اند جرمی نامرئی با ابعاد کمتر از یک‌دهم طول دره‌ی گرند کانیون را از فاصله‌ی بیش از ۵۰۰۰ سال نوری به کمک مطالعه‌ی نور متغیر ستاره‌ای دورتر، شناسایی کنند.

این یافته زمانی هیجان‌انگیزتر می‌شود که بدانیم تیم سرعت حرکت سیاهچاله در کهکشان راه شیری را هم محاسبه کرد و آن را ۴۵ کیلومتر بر ثانیه تخمین زد. این سرعت نشان می‌دهد که این سیاهچاله نه یک سیاهچاله‌ی قدیمی، بلکه یک سیاهچاله‌ی فراری باشد.

این سیاهچاله احتمالا زمانی که ستاره‌ی پیشین آن با یک انفجار ابرنواختری منفجر شده، به فضا پرتاب شده است. اگر انفجار ابرنواختری یکنواخت و متقارن نباشد، نیروی ناهموار آن می‌تواند هسته‌ی فروپاشیده‌ی ستاره را به فضا پرتاب کند. چیزی که با عنوان «ضربه‌ی ناتال» (Natal Kick) شناخته می‌شود. ازجمله‌ی این نمونه‌ها می‌توان به کوتوله‌ی سفید LP 40-365 و تپ‌اختر PSR J0002+6216 اشاره کرد.

یک مطالعه در سال ۲۰۱۹ نشان داد که ممکن است میلیون‌ها سیاهچاله با ضربه‌ی ناتال در اطراف کهکشان راه شیری با سرعت زیاد در حال گذر باشند. اگر MOA-11-191/OGLE-11-0462 یکی از آن‌ها باشد، بسیار جالب خواهد بود.

این امکان وجود دارد که این جرم در یک منطقه با چگالی بالا از فضا در حال حرکت باشد. به گفته‌ی پژوهشگران، مطالعات آینده در این زمینه می‌تواند شامل استفاده از تلسکوپ‌های حساس پرتو ایکس برای تعیین این موضوع باشد که آیا سیاهچاله‌ی احتمالی در حال حذب موادی از محیط میان‌ستاره‌ای اطراف خود است یا خیر.

علاوه بر این، ابزارهای آینده می‌توانند سیاهچاله‌های با جرم ستاره‌ای تنهای بیشتری را شناسایی کنند. زمانی که شمار مناسبی کشف و مطالعه شد، می‌توان از آن داده‌ها برای کسب اطلاعات بیشتر درباره‌ی MOA-11-191/OGLE-11-0462 و سیاهچاله‌هایی که به‌طور کلی در کهکشان راه شیری زندگی می‌کنند، استفاده کرد.

عکس کاور: محدوده‌ی سیاهچاله‌ی MOA-11-191/OGLE-11-0462 از نگاه هابل در سال ۲۰۱۷
Credit: Sahu et al

منابع: Science Alert, EarthSky, ISNA