سیاهچاله های ممنوعه چگونه شکل می گیرند؟ - وبلاگ لین هوان

به گزارش وبلاگ لین هوان، تا چندی پیش به نظر می رسید که اندازه سیاهچاله ها، این کره های آسمانی بسیار چگال که حتی نور هم از گرانش آن ها فرار نمی کند، فقط کوچک یا خیلی عظیم است. اما داده های امواج گرانشی نشان داد که سیاهچاله های جرم متوسط هم راهی برای تشکیل شدن دارند.

فیزیکدانان در گذشته از وجود سیاهچاله های کوچک ستاره ای با جرم نقریبا 50 برابر خورشید و سیاه چاله های غول پیکر با جرمی میلیون ها یا میلیاردها برابر سنگین تر از خورشید که در مرکز کهکشان ها قرار دارند، مطلع بودند.

پریاموادا ناتاراجان (Priyamvada Natarajan) اخترفیزیکدان دانشگاه ییل گفت: این مانند دیدن نوزادان و همچنین دیدن بزرگسالان است در حالی که نوجوانان دیده نمی شوند.

اما در 21 می 2019 (31 اردیبهشت 1398) برای نخستین بار سیاهچاله های متوسط هم شناسایی شدند. هنگامی که رصدخانه 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. تجزیه وتحلیل داده ها وزن این دو سیاهچاله را به ترتیب 66 و 85 برابر خورشید تخمین می زد.

• ثبت امواج گرانشی حاصل از برخورد دو سیاهچاله با جرم های متفاوت

از زمان رسمی شدن این یافته در امسال، بحث درباره ابعاد سیاهچاله ها گسترش یافته است. پرسش اینجاست که این سیاهچاله های با اندازه متوسط چگونه به وجود آمده اند؟ ممکن است سیاهچاله های کوچکتر ممکن با غلیظ شدن گاز و گردوغبار به سیاهچاله هایی با جرم متوسط تبدیل شوند و یا شاید با مصرف یکدیگر رشد نمایند و به صورت متوالی در هم ادغام شوند.

ایمره بارتوس (Imre Bartos) فیزیکدان دانشگاه فلوریدا اعلام نمود: اینکه آیا یکی از این فرآیند ها صادق است و یا هر دو، تعیین نیست. درک فرآیند شکل گیری سیاهچاله های متوسط از این جهت مهم است که با بعضی دیگر از تکامل های اخترفیزیکی تلاقی دارد.

آنچه روشن است این است که سیاهچاله هایی با جرم 66 و 85 برابر خورشید باید به گونه ای رشد نموده باشند زیرا با این ابعاد نمی توانند به طور مستقیم از رمبش گرانشی (فرو ریختن به درون بر اثر گرانش) ستاره ها تشکیل شده باشند.

شکل گیری عمومی سیاهچاله ها

در اواخر عمر ستاره های بزرگ، آن ها هیدروژن را در هسته های خود به عناصر سنگین و سنگین تر تبدیل می نمایند. اما هنگامی که این تبدیل به آهن می رسد، انرژی حاصل از هم جوشی هسته ای کمتر و همجوشی متوقف می گردد.

این هسته چگال که توانایی نگه داشتن لایه های بیرونی سنگین ستاره را ندارد، دچار رمبش گرانشی شده و باعث انفجار فوق العاده شدید ابرنواختری می گردد. این انفجار بقایای بسیار فشرده و سنگینی را بر جای می گذارد که سیاهچاله نام دارد.

• اطلاعات قفل شده در سیاهچاله ها به یاری امواج گرانشی قابل تشخیص است

حداقل این روندی است که برای ستاره هایی تا یک اندازه خاص وجود دارد. اگر هسته یک ستاره بزرگ بین 65 تا 135 برابر جرم خورشید باشد، می تواند به دمای شدید نزدیک به 300 میلیون درجه سانتی گراد برسد که باعث می گردد ذرات نور خودبه خود به جفت الکترون و پوزیترون تبدیل شوند.

با از بین رفتن فشار تابشی، لایه های حجیم بیرونی غالب می شوند و حتی با شدت بیشتری نسبت به ابرنواخترهای معمولی به درون فرو می ریزند. کل هسته مانند یک بمب منفجر می گردد، ستاره را کاملا می سوزاند و در پی آن چیزی باقی نمی ماند.

هسته های حدود 50 تا 65 برابر جرم خورشید نیز تحت یک سری انفجارهای جزئی قرار می گیرند تا زمانی که به زیر محدوده ای که تشکیل الکترون-پوزیترون روی می دهد، برسند و سپس به صورت گرانشی در سیاهچاله ها فرو می ریزند. این بدان معنی است که از نظر تئوری سیاهچاله هایی با 50 تا 135 برابر جرم خورشید، نمی توانند به طور مستقیم از ستاره ها ایجاد شوند.

با این وجود حتی پیش از کشف اخیر، بسیاری از اخترفیزیکدانان انتظار داشتند که سیاهچاله ها باید در این محدوده ممنوعه هم وجود داشته باشند. زیرا آن ها فرض می کردند که سیاهچاله های ستاره ای باید با گذر از یک مرحله میانی به سیاهچاله های بزرگ مرکز کهکشان ها تبدیل شوند.

شکل گیری سیاهچاله های متوسط در خوشه های ستاره ای هسته ای

ناتاراجان که مدت ها درباره تکامل سیاهچاله های جرم متوسط تحقیق نموده است، آخرین دیدگاه های خود را در مقاله ای که 19 سپتامبر (29 شهریور) ارائه داد، اعلام کرد. او از این نظریه که سیاهچاله های کوچک در خوشه های ستاره ای هسته ای که در مرکز کهکشان یافت می شوند حمایت می نماید. این خوشه ها، مجموعه های متراکم ستاره ای است که در نزدیکی مرکز کهکشان ها یافت می گردد.

این سیاهچاله های کم اهمیت با جابه جایی در خوشه گردوغبار را جمع می نمایند و این فرآیند تا زمانی که در یک مکان واحد قرار بگیرند و از افزایش جرم جلوگیری گردد، ادامه می یابد. بسته به میزان مواد موجود در خوشه و مدت زمان سرگردانی سیاهچاله، امکان شکل گیری سیاهچاله های جرم متوسط در طیف گسترده ای از توده ها وجود دارد که شامل هر دو ساهچاله شناسایی شده توسط لایگو و ویرگو هم می گردد.

شکل گیری سیاهچاله های متوسط از ادغام سیاهچاله های کوچک

این نظریه در حالی است که بعضی از دانشمندان دیدگاه متفاوتی دارند. بارتوس و دیگر پژوهشگران در حال کار بر روی مدل های ادغام سلسله مراتبی هستند که در آن به جای خوردن گردوغبار، سیاهچاله ها با خوردن یکدیگر رشد می نمایند. مدلی که یکی از جزئیات مهم در داده های لایگو و ویرگو از آن پشتیبانی می نماید.

سیاهچاله ها می توانند دارای یک حرکت زاویه ای یا چرخشی باشند که بازه ای بین 0 و 1 را دربر می گیرد. هنگامی که دو سیاهچاله با اندازه مشابه ترکیب می شوند، چرخش سیاهچاله حاصل به احتمال زیاد حدود 0.7 خواهد بود. برای نمونه سیاهچاله نهایی آشکار شده در لایگو و ویرگو چرخشی برابر با 0.72 داشت. اما به طور تعیین دو سیاهچاله ادغام شده با یکدیگر دارای چرخش های مشابه 0.69 و 0.73 بودند و این نشان می دهد که هر یک از آن ها در ادغام های قبلی شکل گرفته اند.

امانوئل برتی (Emanuele Berti) اخترفیزیکدان دانشگاه جان هاپکینز که روی ادغام سلسله مراتبی مطالعه می نماید، گفت: به نظر می رسد که رویداد مشاهده شده با این ایده که سیاهچاله ها به طور مرتب با هم ادغام می شوند، سازگار است.

او البته تأکید کرد که گاز و گردوغبار کشیده شده به درون سیاهچاله ها هم باید روی چرخش آن ها اثر بگذارد. ماده ای که به سیاهچاله فرو می ریزد از لحاظ نظری هنگام تخلیه به سمت نقطه مرکزی، یک دیسک چرخان را تشکیل می دهد و این چرخش دیسک می تواند به حفره انتقال یابد.

اگرچه جزئیات این فرآیند هنوز به طور کامل آنالیز نشده است اما در اصل مواد فروریخته به درون سیاهچاله می توانند مسؤول چرخش های مشاهده شده باشند. برتی اضافه کرد: ما نمی توانیم نتیجه بگیریم که این ادغام صددرصد ادغامی از نسل دوم بوده است.

علامت احتمالی دیگری هم در برابر نظریه چند ادغام وجود دارد؛ وقتی دو سیاهچاله با جرم نابرابر به دور یکدیگر می چرخند، برخلاف امواج تابشی که به طور متقارن در همه جهات پراکنده می شوند، امواج گرانشی مشابه یک آبپاش چرخشی در فضا پراکنده می گردد. برتی اعلام نمود: سپس تصور کنید که در لحظه ادغام آب را می بندید. امواج گرانشی به یک سمت و سیاهچاله حاصل به سمتی دیگر می رود.

با این شرح برتی، سیاهچاله ها در نهایت می توانند با سرعت ده ها میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت نمایند و خیلی سریع از هر محیطی که در آن هستند، فرار نمایند. در این صورت، کاهش سرعت سیاهچاله برای شروع یک ادغام دیگر سخت است.

اما در مدل دیگر که ناتاراجان از آن پشتیبانی می نماید، سیاهچاله هایی که در خوشه های ستاره ای هسته ای شکل می گیرند، کمتر در معرض شتاب دریافت بر اثر امواج گرانشی هستند. به این دلیل که چنین خوشه هایی در مجاورت سیاهچاله های غول پیکر قرار دارند که اثر بزرگ آن ها می تواند اجسام سریع را مهار کند و به طور بالقوه اجازه دهد تا سیاهچاله های کوچکتر با همتایان خود برخورد نمایند.

آنالیز های آینده

این فرضیه ها و تحلیل ها نشان می دهد که رصد تنها یک رویداد ادغام، نمی توان موضوع را حل نماید. لورا بلوچا (Laura Blecha) اخترفیزیکدان نظری دانشگاه فلوریدا در این باره گفت: من فکر می کنم که اکنون مدل های زیادی برای شکل گیری این نوع سیاهچاله ها وجود دارد. اما ممکن است حتی شش ماه دیگر با مدل های جدید یا با تشخیص های جدید لایگو، موضوع کاملا متفاوت باشد.

اگرچه رصدخانه امواج گرانشی هم اکنون به دلیل همه گیری کرونا غیرفعال است اما در چند سال آینده باید به روزرسانی گردد و میزان تشخیص آن از یک سیاهچاله در هر هفته باید به یک نمونه در هر ساعت افزایش یابد. میزانی که بارتوس درباره آن می گوید: یک انفجار از این رویدادها خواهیم داشت.

در همین حال داده های فعلی همچنان توسط جوامع نجومی استفاده می شوند. در اواخر ماه اکتبر (اوایل آبان) تجزیه وتحلیل دوباره داده های لایگو و ویرگو توسط گروهی از ستاره شناسان نشان داد که ادغام مورد نطر ممکن است شامل دو سیاهچاله با وزن بسیار نابرابر باشد.

• سیاهچاله ها چقدر می توانند بزرگ باشند؟

چیزی که به جای 66 و 86 در حدود 16 و 166 برابر جرم خورشید است. در این صورت امکان دارد که هر دو سیاهچاله از فروپاشی ستاره ها ایجاد شده باشند. زیرا توده های آن ها در محدوده ممنوعه قرار ندارد. هرچند چنین احتمالی هنوز به شرحات بیشتری احتیاج دارد زیرا سیاهچاله بزرگتر در اندازه ای است که شریک باید از یک ستاره بزرگ غیرمعمول به وجود آمده باشد.

در عین حال همه این تردیدها و آنالیز ها نشان می دهد که پژوهشگران بازه ای را کاوش می نمایند که پیش از این دیدی نسبت به آن وجود نداشت.

عکس کاور: طرحی نمادین از سیاهچاله های بزرگ، متوسط و کوچک

Credit: Samuel Velasco/Quanta Magazine

منبع: Quanta Magazine