چرا جهان مملو از سیاهچالههای غیرممکن است؟ دانشمندان بالاخره پاسخ را یافتهاند
خلاصه مقاله:
- پژوهشی تازه نشان میدهد برخی از سیاهچالههای بسیار سنگین جهان احتمالاً از ادغام چندین سیاهچاله کوچکتر شکل گرفتهاند، نه مستقیماً از مرگ یک ستاره.
- دانشمندان با بررسی ۱۵۳ سیگنال امواج گرانشی دریافتند گروهی از سیاهچالهها ویژگیهایی دارند که نشان میدهد قبلاً در برخوردهای دیگری شرکت کردهاند.
- سیاهچالههایی با جرم بین ۴۰ تا ۱۰۰ برابر خورشید مدتها غیرممکن تلقی میشدند، زیرا مدلهای رایج ستارهای تشکیل مستقیم آنها را توضیح نمیدهند.
- پژوهشگران میگویند محیطهای بسیار متراکم مانند خوشههای ستارهای میتوانند محل برخورد و ادغام پیاپی سیاهچالهها باشند.
گروهی بینالمللی از اخترفیزیکدانان شواهد تازهای پیدا کردهاند که نشان میدهد جهان میتواند سیاهچالهها را بارها با یکدیگر ادغام کند و از دل این برخوردها، سیاهچالههای بزرگتر و سنگینتر بسازد.
پژوهشگران با بررسی دادههای امواج گرانشی به این نتیجه رسیدهاند که برخی از سنگینترین سیاهچالههای شناختهشده در واقع «سیاهچالههای نسل دوم» هستند؛ یعنی اجرامی که خود از برخورد و ادغام سیاهچالههای قدیمیتر شکل گرفتهاند و مستقیماً از مرگ یک ستاره بهوجود نیامدهاند.
درک این کشف نیازمند آشنایی با نحوه شکلگیری سیاهچالهها است. بر اساس نظریه تکامل ستارهای، زمانی که ستارگان بسیار پرجرم سوخت هستهای خود را مصرف میکنند، دیگر نیرویی برای مقابله با گرانش باقی نمیماند. در نتیجه هسته ستاره تحت فشار شدید فرو میریزد و به ناحیهای فوقالعاده متراکم تبدیل میشود. گرانش آن ناحیه چنان قوی است که حتی نور نیز نمیتواند از آن فرار کند؛ همان چیزی که سیاهچاله نامیده میشود.
چنین سیاهچالههایی معمولاً جرمی حدود ۱۰ تا ۴۰ برابر خورشید دارند. در سوی دیگر، سیاهچالههای کلانجرم قرار دارند که در مرکز بسیاری از کهکشانها، از جمله کهکشان راه شیری، دیده میشوند. جرم این غولهای کیهانی میتواند به میلیونها یا حتی میلیاردها برابر جرم خورشید برسد. دانشمندان تصور میکنند منشأ این اجرام به فرایندهای بسیار اولیه کیهان، اندکی پس از بیگبنگ مربوط باشد.
اما میان این دو گروه، دستهای عجیب از سیاهچالهها وجود دارد که جرمشان بین ۴۰ تا ۱۰۰ برابر خورشید است. این اجرام بیش از حد سنگین هستند که بتوانند مستقیماً از فروپاشی یک ستاره معمولی شکل گرفته باشند، اما در عین حال آنقدر بزرگ نیستند که در گروه سیاهچالههای کلانجرم قرار بگیرند. به همین دلیل برخی پژوهشگران از آنها با عنوان «سیاهچالههای غیرممکن» یاد میکنند.
دلیل این موضوع به فرایندی در فیزیک ستارهای بازمیگردد که «ناپایداری جفتی» نام دارد. در ستارگان بسیار پرجرم، تولید ذراتی به نام جفت الکترون-پوزیترون میتواند باعث بیثباتی شدید در هسته ستاره شود و در نهایت ستاره را به انفجاری عظیم و کامل دچار کند که چیزی برای تبدیلشدن به سیاهچاله باقی نمیگذارد. به همین علت، نظریههای کلاسیک پیشبینی میکنند که تشکیل مستقیم سیاهچالههایی در این بازه جرمی بسیار دشوار یا حتی غیرممکن است.
سنگینترین سیاهچالههای شناساییشده نه در یک مرحله، بلکه درطول چندین نسل از برخوردها ساخته شدهاند
بااینحال، آشکارسازهای امواج گرانشی در سالهای اخیر بارها چنین اجرامی را ثبت کردهاند. امواج گرانشی، لرزشهای بسیار ضعیفی در بافت فضا-زمان هستند که نخستین بار آلبرت اینشتین وجود آنها را در نظریه نسبیت عام پیشبینی کرده بود. این امواج زمانی ایجاد میشوند که اجرام بسیار سنگین مانند سیاهچاله یا ستاره نوترونی با سرعت زیاد به دور یکدیگر بچرخند و سرانجام با هم برخورد کنند.
دانشمندان برای آشکارسازی امواج گرانشی، از رصدخانههایی بسیار حساس استفاده میکنند که با کمک لیزر میتوانند تغییراتی بسیار کوچکتر از قطر یک اتم را در فضا اندازهگیری کنند. نخستین آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵ انجام شد و برخورد دو سیاهچاله را تأیید کرد؛ رویدادی تاریخی که بعداً جایزه نوبل فیزیک را نیز به همراه داشت.
از آن زمان تاکنون، تعداد زیادی از برخوردهای سیاهچالهای ثبت شده است و هر سیگنال جدید اطلاعات بیشتری درباره این اجرام مرموز در اختیار اخترفیزیکدانان قرار داده است. اکنون پژوهشی تازه به بررسی جامع این دادهها پرداخته است.
پژوهشگران دادههای ثبتشده توسط سه رصدخانه اصلی امواج گرانشی جهان را تحلیل کردند. این دادهها شامل ۱۵۳ آشکارسازی قابل اعتماد از ادغام سیاهچالهها بود که در میان آنها، ۳۴ مورد به سیاهچالههایی کلانجرم مربوط میشد.
تیم تحقیقاتی با مقایسه ویژگیهای این سیگنالها متوجه شد سیاهچالههای سبکتر، یعنی اجرامی با جرم کمتر از حدود ۴۰ برابر خورشید، معمولاً چرخشهایی آرام و همراستا دارند. اما از حدود ۴۵ برابر جرم خورشید به بالا، الگوی متفاوتی ظاهر شد. این سیاهچالههای سنگینتر با سرعت زیادی میچرخیدند و محور چرخش آنها نیز نامنظم و آشفته بود.
- سیاهچالههای نخستین نمردهاند؛ یادگارهای بیگ بنگ احتمالاً همان ماده تاریک هستند01 اسفند 04مطالعه '3
- براساس پژوهشی جدید سیاهچالهها میتوانند به بزرگی یک کهکشان باشند06 بهمن 99مطالعه '2
- برخورد سیاهچالههای کلانجرم چقدر انرژی آزاد میکند؟ نمیتوانید تصور کنید29 بهمن 04مطالعه '4
پژوهشگران میگویند چنین الگویی معمولاً زمانی ایجاد میشود که سیاهچاله قبلاً در برخورد یا ادغامی دیگر شرکت کرده باشد. ایزوبل ام. رومرو-شاو، از پژوهشگران مطالعه، در بیانیهای توضیح داد: «این دقیقاً همان نشانهای است که انتظار داریم درصورت ادغام مکرر سیاهچالهها در خوشههای متراکم ستارهای با یکدیگر، مشاهده کنیم.»
خوشههای ستارهای متراکم محیطهایی هستند که در آنها هزاران یا حتی میلیونها ستاره در فاصلهای نسبتاً کوچک کنار هم قرار گرفتهاند. در چنین محیطهایی احتمال برخورد و تعامل گرانشی میان اجرام سنگین بسیار بیشتر از نواحی عادی کهکشان است. اگر دو سیاهچاله در این محیطها به یکدیگر نزدیک شوند، ممکن است در اثر تابش امواج گرانشی انرژی خود را از دست بدهند و در نهایت با هم ادغام شوند. سیاهچاله حاصل میتواند دوباره با سیاهچاله دیگری برخورد کند و بهتدریج جرم بیشتری به دست آورد.
دانشمندان تاکنون نتوانستهاند سیاهچالههای «غیرممکن» را بهطور مستقیم مشاهده کنند
یافتههای جدید نشان میدهد سنگینترین سیاهچالههای شناساییشده نه در یک مرحله، بلکه درطول چندین نسل از برخوردها ساخته شدهاند. به بیان دیگر، این اجرام بیشتر شبیه سازههایی هستند که بهمرور مونتاژ شدهاند تا اجرامی که تنها در اثر مرگ یک ستاره متولد شده باشند.
دانشمندان تاکنون نتوانستهاند این سیاهچالههای «غیرممکن» را بهطور مستقیم مشاهده کنند. برخلاف سیاهچالههای کلانجرم که گاهی با تابش پرتو ایکس یا اثرشان بر ماده اطراف شناسایی میشوند، این اجرام تقریباً نامرئی هستند. بااینحال، برخورد آنها باعث ایجاد لرزش در فضا-زمان میشود و همین لرزشها اطلاعات ارزشمندی درباره جرم و ویژگیهایشان در اختیار پژوهشگران قرار میدهد.
نتایج مطالعه جدید نهتنها توضیحی برای منشأ این سیاهچالههای مرموز ارائه میدهد، بلکه نشان میدهد جهان ممکن است بسیار پویاتر و خشنتر از چیزی باشد که پیشتر تصور میشد.
پژوهش در ژورنال Nature Astronomy منتشر شده است.