7 دقیقه
تصور کنید یک هیولای تاریک در دل یک کهکشان شتاب میگیرد، نامرئی تا زمانی که گرانش آن مدار ستارگان مجاور را تغییر میدهد — گلولهای کیهانی که یک رد نورانی بر جای میگذارد. این دیگر داستانهای علمیتخیلی نیست. خطوط مشاهدهای متعدد و دههها کار نظری ایدهٔ "سیاهچالههای فراری" را از حد احتمال فرضی فراتر برده و به پدیدهای تبدیل کرده که اخترفیزیکدانان امروزه جدی میگیرند.
چگونه یک سیاهچاله پرتاب میشود
ریشهٔ این داستان در ریاضیات و انرژی نهفته است. در اوایل دههٔ ۱۹۶۰، روی کر (Roy Kerr) راهحلی چشمگیر برای معادلات میدان اینشتین ارائه داد که هندسهٔ یک سیاهچالهٔ چرخان را توصیف میکند. هندسهٔ کر دو واقعیت ساده اما مهم را به ما میآموزد: سیاهچالهها از نظر ظاهر بسیار سادهاند — با جرم، تکانهٔ زاویهای (اسپین) و بار مشخص میشوند — و یک سیاهچالهٔ چرخان مقدار زیادی انرژی را در دوران خود ذخیره میکند. در موارد افراطی، نزدیک به یکسومِ معادل جرمی آن میتواند به صورت انرژی دورانی نگهداری شود.
آن مخزن دورانی قابل دسترسی است. راجر پنروز و دیگران نشان دادند که بهطور اصولی میتوان انرژی دورانی استخراجشدنی را از یک سیاهچالهٔ چرخان بیرون کشید؛ مانند یک چرخفلای محکمکلاف در فضا. هنگام برخورد و ادغام دو سیاهچاله، برخوردی خشن و کوتاهمدت رخ میدهد. امواج گرانشی — فرورفتنها یا پیچوتابهایی در فضا-زمان — انرژی و تکانه را با خود میبرند. اگر این امواج نامتقارن تابش یابند، بر طبق بقاى تکانه، سیاهچالهٔ نوزای تشکیلشده یک پسرانش میگیرد؛ یک "پرتاب" گرانشی.
پسرانش ناشی از امواج گرانشی به زبان ساده
دو رقصنده را مجسم کنید که میچرخند و سپس برخورد میکنند. اگر اسپینها و جرمها کاملاً متعادل نباشند، موسیقی یکی از شرکا را در جهتی خاص به بیرون پرتاب میکند. در مورد سیاهچالهها، پیکربندیهای خاصی از اسپین میتواند تابش امواج گرانشی را به طور ترجیحی در امتداد یک محور متمرکز کند. نتیجه: جسم نهایی میتواند با سرعتهایی در حد صدها یا حتی هزاران کیلومتر بر ثانیه پرتاب شود — به اندازهای سریع که از چنگ گرانش یک کهکشان فرار کند.
با آغاز گوشدادن رصدخانههای LIGO و Virgo به صدای "چیرپ" ادغامهای سیاهچالهای در سال ۲۰۱۵، نظریه با داده روبهرو شد. این رصدخانهها "رینگداون" — ارتعاش تشدیدی سیاهچالههای نوپا — را ثبت کردند که اطلاعاتی دربارهٔ اسپین و جرم آشکار میسازد. در سالهای پسین، تحلیلها نشان داد بسیاری از جفتهای ادغامشونده دارای اسپینهای پیچیده و نامتوازن و انرژی دورانی قابلتوجهی بودهاند؛ شرایطی مساعد برای پسرانشهای قوی. آنچه زمانی محاسبهای مرتب روی تختهٔ سیاه بود، اکنون نتیجهای محتمل از رویدادهای واقعی کیهانی به شمار میآید.
رصد فراریها
سیاهچالههای فراری کوچک بهطور مستقیم تقریباً غیرقابل ردیابیاند. آنها نور منتشر نمیکنند و مگر اینکه گاز جذب کنند، اساساً نامرئی باقی میمانند. اما سیاهچالههای ابرپرجرم — آنهایی که جرمشان میلیونها تا میلیاردها برابر خورشید است — نمیتوانند از درون یک کهکشان عبور کنند بیآنکه نشانههایی برجای بگذارند. هنگامی که یک سیاهچالهٔ عظیم از میان محیط میانستارهای میگذرد، گاز را فشرده میکند، ازدیاد تشکیل ستاره را برمیانگیزد و میتواند یک رد خطی روشن از ستارههای جوان روشن کند که تا چندین دهها و صدها هزار سال نوری ادامه دارد.
در حوالی سال ۲۰۲۵، چندین مطالعه با انتشار تصاویر نوارهای ستارهای بسیار راست در داخل کهکشانها تیتر شدند. یکی از تحلیلهای پر سر و صدا به رهبری پیتر وان دوکوم (Pieter van Dokkum) با استفاده از دادههای تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ردّی به طول تقریباً ۲۰۰٬۰۰۰ سال نوری را شناسایی کرد. ویژگیهای آن مسیر — جبهههای فشاری، همراستایی و روشنایی — با انتظارهای مربوط به سیاهچالهای در حال حرکت همخوانی دارد؛ احتمالاً جرمی چند میلیون تا ده میلیون برابر خورشید و با سرعتی نزدیک به ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه.
نزدیکتر به خانه، در مطالعات مورفولوژیک کهکشان NGC 3627، پژوهشگران از ردّی راستتر اما کوتاهتر به طول حدود ۲۵٬۰۰۰ سال نوری گزارش دادند. مدلها نشان میدهند که سیاهچالهٔ مسئول در آن مورد جرمی در حدود دو میلیون جرم خورشیدی داشته و سرعتی نزدیک به ۳۰۰ کیلومتر بر ثانیه دارد. این اعداد برای تیتر شدن مناسباند، اما اهمیت واقعی در همراستایی میان نظریه، دادههای امواج گرانشی و تصویربرداری با وضوح بالا نهفته است.
بهطور طبیعی برای این پدیده یک سلسلهمراتب وجود دارد. اگر فراریهای در مقیاس کهکشانی وجود دارند، فراریهای با جرم کمتر نیز باید وجود داشته باشند. فهرستهای امواج گرانشی نشاندهندهٔ جفتهایی است که نامترازیهای اسپینی و انرژی لازم برای تولید پسرانشهای با سرعت بالا را دارند. این موضوع به وجود جمعیتی از سیاهچالههای سرگردان اشاره میکند که از میان فضای میانستارهای عبور میکنند و گاهبهگاه به فضای بینکهکشانی فرار میکنند.
یک سیاهچالهٔ فراری در پی خود ردی از ستارههای نو بر جای میگذارد.
چرا این موضوع اهمیت دارد
سیاهچالههای فراری نحوهٔ تفکر ما دربارهٔ رشد و تکامل کهکشانها را تغییر میدهند. بیرون کشیدن یک سیاهچالهٔ ابرپرجرم از هستهٔ یک کهکشان فرآیندهای بازخوردی را دگرگون میکند — تنظیم تشکیل ستاره و پویایی گاز که شکلدهندهٔ زندگی یک کهکشان است. چنین رویدادی میتواند یک هستهٔ زمانی کمفعال را بدون موتور مرکزی رها کند، یا در امتداد یک مسیر، تشکیل ستارهای را که پیشتر وجود نداشته، بذر بپاشد. در مقیاسهای کیهانشناختی، این اخراجها بر سرعت خاموششدن کهکشانها (quenching)، چگونگی تجمع جمعیت سیاهچالههای مرکزی و توزیع عناصر سنگین تأثیر میگذارند.
آیا امکان دارد یکی از اینها در سامانهٔ خورشیدی ما ظاهر شود؟ پاسخ کوتاه خیر است. احتمال وقوع چنین رویدادی بسیار ناچیز است. یک سیاهچالهٔ فراری برای ایجاد هرگونه اثر محلی باید بسیار کوچک، بهطرزی نگرانکننده دقیق هدفگیری شده و در مسیر برخورد با منظومهٔ ما قرار میگرفت. فراریهای بزرگ تنها از طریق آشفتگیهای گستردهای که در هنگام عبور از دیگر کهکشانها ایجاد میکنند رؤیت شدهاند — نشانهای روشن که چنین بازدیدکنندگانی نادر و دوردستاند.
دیدگاه کارشناسان
«این کشفیات حلقهای را بین نظریه و مشاهدات میبندند،» دکتر النا ریورا، اخترفیزیکدان رصدی در مؤسسهٔ اخترفیزیک کالیفرنیا میگوید. «نجوم امواج گرانشی مکانیزم را پیشبینی کرد. تصویربرداری با وضوح بالا اکنون جای زخمهای آن را بر کهکشانها نشان میدهد. ترکیب این دو به ما اجازه میدهد جمعیتی پنهان از سیاهچالهها را نقشهبرداری کنیم و مدلهای تکامل کهکشان را پالایش کنیم.»
دکتر ریورا میافزاید: «ما هنوز به بررسیهای چندطولیموجی بیشتری نیاز داریم تا همنماها — ویژگیهای کشندی خطی، اثرات پروجکشن و موارد مشابه — را رد کنیم، اما دادهها قانعکنندهاند. نظرسنجیهای آینده با JWST و آرایههای رادیویی نسل بعد یا این موارد را بهعنوان فراریهای واقعی تأیید خواهند کرد یا مجبورمان میکنند تبیینهای جایگزین را بازنویسی کنیم. هر دو نتیجه دانش ما را پیش میبرند.»
وجود یک سیاهچالهٔ فراری نمونهای پرهیجان از چگونگی پرانرژی و تصادفی بودن جهان است. فیزیکی که در آن رویدادهای ادغامی کوتاه و خشن رخ میدهد — استخراج اسپین، عدم تقارن تابش گرانشی، پسرانش — معادلات انتزاعی نسبیت را به کهکشانهایی وصل میکند که میتوانید در آسمان شب ببینید. نظرسنجیهای تازه نمونهٔ آماری را گسترش خواهند داد. رصدخانههای جدید امواج گرانشی فراوانیِ پسرانشهای مخرب را روشنتر خواهند کرد. و اخترشناسان همچنان آسمان را برای یافتن فراریهای کیهانی اسکن خواهند کرد.
منبع: sciencealert
ارسال نظر