چرا جهان مملو از سیاه چالههای غیرممکن است؟ دانشمندان بالاخره پاسخ را یافتهاند
زومیت: اخترفیزیکدانان پس از مطالعه 153 برخورد کیهانی دریافتند که گروهی از سیاهچاله های غیرممکن در واقع محصول نسل های متوالی ادغام در اعماق فضا هستند.
تحقیقات جدید نشان می دهد که برخی از سیاهچاله های کلان پرجرم در کیهان احتمالاً از ادغام چندین سیاهچاله کوچکتر شکل گرفته اند، نه مستقیماً از مرگ یک ستاره.
با بررسی 153 سیگنال امواج گرانشی، دانشمندان دریافتند که گروهی از سیاهچاله ها دارای ویژگی هایی هستند که نشان می دهد قبلاً در برخوردهای دیگری شرکت داشته اند.
سیاهچالههایی با جرم بین 40 تا 100 برابر خورشید، مدتهاست که غیرممکن تلقی میشوند، زیرا مدلهای ستارهای رایج شکلگیری مستقیم آنها را توضیح نمیدهند.
محققان می گویند که محیط های بسیار متراکم مانند خوشه های ستاره ای می توانند محل برخورد و ادغام سیاهچاله ها باشند.
یک تیم بین المللی از اخترفیزیکدانان شواهد جدیدی یافته اند که نشان می دهد جهان می تواند به طور مکرر سیاهچاله ها را ادغام کند و سیاهچاله های بزرگتر و سنگین تری را از این برخوردها ایجاد کند.
با بررسی داده های امواج گرانشی، محققان به این نتیجه رسیده اند که برخی از سنگین ترین سیاهچاله های شناخته شده در واقع “سیاهچاله های نسل دوم” هستند. یعنی اجرامی که خود از برخورد و ادغام سیاهچاله های قدیمی تر به وجود آمده اند و مستقیماً از مرگ یک ستاره به وجود نیامده اند.
درک این کشف مستلزم آشنایی با نحوه شکل گیری سیاهچاله ها است. بر اساس تئوری تکامل ستارگان، وقتی ستارگان بسیار پرجرم سوخت هسته ای خود را مصرف می کنند، نیرویی برای مقابله با گرانش باقی نمی ماند. در نتیجه، هسته ستاره تحت فشار شدید فرو می ریزد و به منطقه ای بسیار متراکم تبدیل می شود. گرانش آن ناحیه چنان قوی است که حتی نور نیز نمی تواند از آن بگریزد. همان چیزی است که سیاهچاله نامیده می شود.
چنین سیاهچاله هایی معمولاً جرمی در حدود 10 تا 40 برابر جرم خورشید دارند. از سوی دیگر، سیاهچالههای بسیار پرجرم وجود دارند که میتوان آنها را در مرکز بسیاری از کهکشانها از جمله کهکشان راه شیری دید. جرم این غول های کیهانی می تواند به میلیون ها یا حتی میلیاردها برابر جرم خورشید برسد. دانشمندان بر این باورند که منشأ این اجرام مربوط به فرآیندهای اولیه جهان، اندکی پس از انفجار بزرگ است.
اما بین این دو گروه، گروه عجیبی از سیاهچاله ها وجود دارد که جرم آنها بین 40 تا 100 برابر خورشید است. این اجرام آنقدر پرجرم هستند که مستقیماً از فروپاشی یک ستاره معمولی به وجود آمده باشند، اما در عین حال آنقدر جرم ندارند که بتوان آنها را در زمره سیاهچاله های کلان پرجرم طبقه بندی کرد. به همین دلیل برخی از محققان از آنها به عنوان «سیاهچاله های غیرممکن» یاد می کنند.
دلیل این امر به دلیل فرآیندی در فیزیک ستارگان به نام “ناپایداری جفت” است. در ستارگان بسیار پرجرم، تولید ذراتی به نام جفت الکترون-پوزیترون می تواند باعث ناپایداری شدید در هسته ستاره شود و در نهایت ستاره را به طور کامل منفجر کند و چیزی برای تبدیل شدن به سیاهچاله باقی نماند. به همین دلیل، نظریه های کلاسیک پیش بینی می کنند که تشکیل مستقیم سیاهچاله ها در این محدوده جرمی بسیار دشوار یا حتی غیرممکن است.
عظیم ترین سیاهچاله های کشف شده نه در یک مرحله، بلکه در طی چندین نسل از برخورد ایجاد شده اند.
با این حال، آشکارسازهای امواج گرانشی بارها چنین اجسامی را در سال های اخیر شناسایی کرده اند. امواج گرانشی ارتعاشات بسیار ضعیفی در تار و پود فضا-زمان هستند که وجود آنها برای اولین بار توسط آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام پیش بینی شد. این امواج زمانی ایجاد می شوند که اجرام بسیار سنگین مانند سیاهچاله ها یا ستارگان نوترونی با سرعت زیاد به دور یکدیگر می چرخند و در نهایت با هم برخورد می کنند.
برای تشخیص امواج گرانشی، دانشمندان از رصدخانه های بسیار حساسی استفاده می کنند که با کمک لیزر می توانند تغییرات بسیار کوچکتر از قطر یک اتم در فضا را اندازه گیری کنند. اولین تشخیص مستقیم امواج گرانشی در سال 2015 انجام شد و برخورد دو سیاهچاله را تایید کرد. رویدادی تاریخی که بعدها جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کرد.
از آن زمان، تعداد زیادی برخورد سیاهچاله ثبت شده است و هر سیگنال جدید اطلاعات بیشتری در مورد این اجرام مرموز در اختیار اخترفیزیکدانان قرار داده است. اکنون یک تحقیق جدید به طور جامع این داده ها را بررسی کرده است.
محققان داده های ثبت شده توسط سه رصدخانه اصلی امواج گرانشی جهان را تجزیه و تحلیل کردند. این داده ها شامل 153 تشخیص قابل اعتماد از ادغام سیاهچاله ها بود که از میان آنها 34 مورد مربوط به سیاهچاله های عظیم بود.
با مقایسه ویژگیهای این سیگنالها، تیم تحقیقاتی دریافتند که سیاهچالههای سبکتر، یعنی اجرام با جرم کمتر از حدود 40 برابر خورشید، معمولاً دارای چرخش کند و همسو هستند. اما از حدود 45 برابر جرم خورشید، الگوی متفاوتی ظاهر شد. این سیاهچالههای سنگینتر با سرعت بالایی در حال چرخش بودند و محور چرخش آنها نیز نامنظم و آشفته بود.
به گفته محققان، چنین الگویی معمولاً زمانی رخ می دهد که سیاهچاله قبلاً در برخورد یا ادغام دیگری شرکت کرده باشد. ایزوبل ام. رومرو شاو، یکی از محققان این مطالعه، در بیانیه ای توضیح داد: «این دقیقاً همان نشانه ای است که ما انتظار داریم زمانی که سیاهچاله ها به طور مکرر در خوشه های ستاره ای متراکم ادغام می شوند، ببینیم.
خوشه های ستاره ای متراکم محیط هایی هستند که در آن هزاران یا حتی میلیون ها ستاره در فاصله نسبتاً کمی در کنار هم قرار گرفته اند. در چنین محیط هایی، احتمال برخورد و تعامل گرانشی بین اجرام سنگین بسیار بیشتر از مناطق عادی کهکشان است. اگر دو سیاهچاله در این محیط ها به یکدیگر نزدیک شوند، ممکن است در اثر تابش امواج گرانشی انرژی خود را از دست بدهند و در نهایت با هم ادغام شوند. سپس سیاهچاله حاصل می تواند با سیاهچاله دیگری برخورد کند و به تدریج جرم بیشتری به دست آورد.
تا به حال، دانشمندان قادر به مشاهده مستقیم سیاهچاله های “غیرممکن” نبوده اند
یافتههای جدید نشان میدهد که عظیمترین سیاهچالههای کشفشده در یک مرحله ایجاد نشدهاند، بلکه طی چندین نسل از برخوردها ایجاد شدهاند. به عبارت دیگر، این اجرام بیشتر شبیه سازه هایی هستند که در طول زمان جمع شده اند تا اجرامی که فقط از مرگ یک ستاره متولد شده اند.
تا به حال، دانشمندان قادر به مشاهده مستقیم این سیاهچاله های “غیر ممکن” نبوده اند. برخلاف سیاهچالههای کلان پرجرم که گاهی با گسیل اشعه ایکس یا تأثیر آنها بر مواد اطراف شناسایی میشوند، این اجرام تقریباً نامرئی هستند. با این حال، برخورد آنها باعث ایجاد ارتعاش در فضا-زمان می شود و این ارتعاشات اطلاعات ارزشمندی در مورد جرم و ویژگی های آنها در اختیار محققان قرار می دهد.
نتایج مطالعه جدید نه تنها توضیحی برای منشا این سیاهچاله های مرموز ارائه می دهد، بلکه نشان می دهد که جهان ممکن است بسیار پویاتر و خشن تر از آن چیزی باشد که قبلا تصور می شد.
