برخورد سیاهچالههای کلان جِرم چقدر انرژی آزاد میکند؟ نمیتوانید تصور کنید
زومیت: برخورد سیاهچاله های بسیار پرجرم یکی از پرانرژی ترین رویدادهای جهان است که میلیون ها برابر انرژی کل ستارگان قابل مشاهده در لحظه ادغام آزاد می کند.
برخورد سیاهچاله های کلان پرجرم یکی از پرجرم ترین و هیجان انگیزترین پدیده های جهان است و در صورت وقوع می تواند کل ساختار فضا و زمان را به لرزه درآورد. سیاهچاله ها اجسامی به شدت سنگین و متراکم هستند که حتی نور هم نمی تواند از آنها فرار کند و این ویژگی باعث می شود فکر کنیم آنها فقط همه چیز را می بلعند و چیزی از آنها بیرون نمی آید. اما هنگامی که دو سیاهچاله با هم برخورد می کنند، انرژی زیادی آزاد می شود که تصور آن سخت است.
برای اینکه بفهمیم این انرژی از کجا می آید، ابتدا به سیاهچاله های دوتایی با جرم ستاره ای نگاه می کنیم. این نوع سیاهچاله ها از جفت ستاره های بسیار سنگینی که به دور یکدیگر می چرخند تشکیل شده اند. زمانی که این ستارگان به پایان عمر خود می رسند، منفجر می شوند (ابرنواختر)، هسته آنها فرو می ریزد و سیاهچاله هایی با حداکثر جرم حدود ۱۰۰ برابر خورشید ایجاد می کند.
اما به ندرت پیش می آید که دو سیاهچاله به اندازه ای نزدیک باشند که ادغام شوند. اگر دو سیاهچاله میلیاردها کیلومتر از هم فاصله داشته باشند، ممکن است ادغام آنها بیشتر از عمر ۱۴ میلیارد ساله کیهان طول بکشد.
اگر شرایط مناسب باشد و سیاهچاله ها به اندازه کافی به هم نزدیک شوند، اتفاق جالبی می افتد: آنها به دلیل امواج گرانشی که ایجاد می کنند به سمت یکدیگر مارپیچ می شوند. امواج گرانشی امواجی هستند که در ساختار فضا و زمان ایجاد می شوند و با سرعت نور حرکت می کنند. هر جرمی که در حال شتاب است، امواج گرانشی تولید می کند، حتی زمانی که ما ایستاده ایم. اما امواج ایجاد شده توسط انسان بسیار ضعیف و غیرقابل تشخیص هستند. اما سیاهچاله ها آنقدر سنگین هستند و با سرعت نور به دور خود می چرخند که امواج گرانشی بسیار قدرتمند و چشمگیری تولید می کنند. این امواج خارج از افق رویداد تشکیل می شوند. بنابراین، آنها می توانند در کیهان رها شوند.
همانطور که اخترشناس فیل پلات در Scientific American توضیح می دهد، وقتی دو سیاهچاله امواج گرانشی تولید می کنند، انرژی مداری آنها کاهش می یابد و به هم نزدیکتر می شوند. این باعث می شود شتاب آنها افزایش یابد و امواج قوی تری تولید کنند. در آخرین ثانیهها قبل از ادغام، سیاهچالهها با سرعت نزدیک به نور به دور یکدیگر میچرخند و امواج گرانشی عظیمی ایجاد میکنند تا اینکه در نهایت با هم ادغام میشوند و سیاهچاله بزرگتری را تشکیل میدهند. تاکنون ستاره شناسان توانسته اند حدود ۳۰۰ مورد از این ادغام ها را از طریق امواج گرانشی ثبت کنند.
مقدار انرژی آزاد شده شگفت انگیز است. طبق نظریه نسبیت انیشتین، وقتی دو سیاهچاله با هم ادغام می شوند، حدود ۵ درصد از جرم کل آنها ناپدید نمی شود، بلکه مستقیماً به انرژی تبدیل می شود. این موضوع با معادله معروف «انرژی = جرم x مربع سرعت نور» توضیح داده می شود. یعنی حتی مقدار کمی از جرم را می توان به مقدار بسیار زیادی انرژی تبدیل کرد، زیرا سرعت نور از نظر عددی بسیار زیاد است. به همین دلیل برخورد سیاهچاله ها در مدت زمان بسیار کوتاهی انرژی فوق العاده ای آزاد می کند.
به عنوان مثال، برخورد دو سیاهچاله با جرم پنج برابر خورشید، انرژی را در کمتر از یک ثانیه معادل انرژی تابشی خورشید در طول هفت تریلیون سال آزاد می کند. یعنی برای لحظه ای کوتاه، این دو سیاهچاله انرژی فراتر از نور یک میلیارد کهکشان پر از ستاره منتشر می کنند.
سیاهچاله های کلان جرم بسیار بزرگتر هستند. جرم آنها از صدها هزار تا میلیاردها برابر خورشید است و در مرکز همه کهکشان های بزرگ از جمله کهکشان راه شیری قرار دارند. هنوز مشخص نیست که چگونه این سیاهچاله ها به چنین جرم عظیمی رسیده اند. شاید آنها از ابتدا بزرگ به دنیا آمده اند و بزرگتر شده اند یا از کوچکی شروع کرده اند و در طول شکل گیری کهکشان رشد کرده اند.
سیاهچاله های کلان جرم معمولا تنها و منزوی هستند. اما وقتی کهکشان ها با هم برخورد می کنند و ادغام می شوند، وضعیت تغییر می کند. دو سیاهچاله در مرکز هر کهکشان به دور یکدیگر می چرخند و مانند سیاهچاله های ستاره ای در نهایت می توانند ادغام شوند. انرژی حاصل از ادغام سیاهچاله های پرجرم بسیار بسیار بیشتر است. اگر دو سیاهچاله با جرم ۱۰۰ میلیون برابر خورشید با هم برخورد کنند، انرژی آزاد شده در آخرین لحظه هزاران برابر انرژی کل ستارگان جهان مرئی در آن واحد خواهد بود.
اگرچه این انفجارها عظیم و شگفت انگیز هستند، اما قابل مشاهده نیستند. امواج گرانشی خود نور تولید نمی کنند و می توانند بدون هیچ نوری منتشر شوند. همچنین، این امواج با فاصله کاهش مییابند و ادغامهای بسیار پرجرم معمولاً میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند و وقتی به زمین میرسند تقریباً غیرقابل شناسایی هستند. شواهدی وجود دارد که نشان می دهد ممکن است ادغام را ثبت کرده باشیم، اما هنوز تایید نشده است. در طول دهه آینده، ماموریت آنتن تداخل سنج لیزری آژانس فضایی اروپا (LISA) داده های بیشتری را برای نشان دادن اینکه این رویدادهای عظیم واقعاً رخ می دهند ارائه خواهد کرد.
حتی در حال حاضر، امواج گرانشی ناشی از برخورد سیاهچاله های فوق پرانرژی از بدن ما عبور می کند. اما آنها ضعیف هستند و تقریباً زمزمه می کنند. با توجه به قدرت آنها، این خبر خوبی است. فکر کردن به آنها حتی از راه دور آدم را می لرزاند.
