رکوردشکنی در ادغام سیاه چاله ها: کشف بزرگ در نجوم امواج گرانشی

مشاهده بی‌سابقه ادغام سیاه‌چاله‌ها

اخترشناسان موفق به ثبت ادغامی از سیاه‌چاله‌ها با ابعادی بی‌سابقه شده‌اند، رخدادی که می‌تواند درک ما از تحول و رشد سیاه‌چاله‌ها در سراسر جهان هستی را متحول کند. این رویداد با نام GW 231123، که در تاریخ ۲۳ نوامبر ۲۰۲۳ کشف شد، سنگین‌ترین ادغام سیاه‌چاله تاکنون ثبت‌شده توسط رصدخانه‌های امواج گرانشی به شمار می‌آید. پس از این فاجعه کیهانی، سیاه‌چاله حاصل، جرمی بیش از ۲۲۵ برابر جرم خورشید ما دارد که بالاترین جرم مشاهده‌شده در چنین رویدادهایی است.

به چالش کشیدن نظریه‌های فعلی شکل‌گیری سیاه‌چاله

پیش از GW 231123، بزرگ‌ترین ادغام سیاه‌چاله منجر به جرمی معادل ۱۴۲ برابر خورشید شده بود. ویژگی منحصربه‌فرد این رویداد این است که هر دو سیاه‌چاله ادغام‌شونده خودشان فراتر از حد بالای نظری برای جرم سیاه‌چاله‌های ناشی از فروریزش ستارگان (سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای) بوده‌اند. بر اساس مدل‌های رایج تحول ستاره‌ای، چنین اجرامی نباید وجود داشته باشند زیرا ستارگان پرجرم هنگام مرگ باید در انفجار ابرنواختر جفت‌نابودی کاملاً نابود شوند و هیچ هسته‌ای برجای نگذارند.

مارک هانام، اخترفیزیکدان دانشگاه کاردیف می‌گوید: «این سنگین‌ترین سامانه سیاه‌چاله دوتایی است که تاکنون از طریق امواج گرانشی رصد شده. این پدیده چالشی جدی برای درک ما از پیدایش سیاه‌چاله‌هاست. سیاه‌چاله‌ای با این جرم بر اساس مدل‌های فعلی ما غیرممکن است. یکی از احتمالات مطرح این است که این اجرام از ادغام‌های قبلی سیاه‌چاله‌ها به وجود آمده‌اند و با تکرار چنین رخدادهایی جرم خود را افزایش داده‌اند.»

نقش نجوم امواج گرانشی

آغاز عصر نجوم امواج گرانشی به سال ۲۰۱۵ و کشف نخستین امواج ناشی از ادغام دوردست توسط رصدخانه تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی (LIGO) بازمی‌گردد. از آن زمان، LIGO به همراه رصدخانه‌های ویرگو و کاگرا حدود ۳۰۰ سیگنال امواج گرانشی از ادغام سیاه‌چاله‌ها در سراسر کیهان ثبت کرده‌اند. از طریق تحلیل این موج‌ها، اخترشناسان به اطلاعات مهمی درباره جرم و چرخش سیاه‌چاله‌ها دست می‌یابند.

شناسایی سیاه‌چاله‌های با جرم کم یا سیاه‌چاله با جرم ستاره‌ای بسیار دشوار است زیرا هیچ نوری از خود ساتع نمی‌کنند. اما سیگنال امواج گرانشی ناشی از ادغام آن‌ها، شواهد مستقیمی از وجود و ویژگی‌هایشان فراهم می‌کند و به دانشمندان کمک می‌کند نظریه‌های خود درباره جمعیت و منشأ سیاه‌چاله‌ها را اصلاح و تکمیل کنند.

درک محدودیت‌های جرم سیاه‌چاله

سیاه‌چاله‌هایی با جرمی بسیار بیشتر از بقایای معمول ستاره‌ای - موسوم به سیاه‌چاله‌های میان‌جرم - برای منجمان از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. مدل‌های نظری جدید نشان می‌دهد سیاه‌چاله‌هایی با جرمی بالاتر از حدود ۴۰ تا ۶۰ برابر خورشید، به علت فرآیند جفت‌نابودی نمی‌توانند مستقیماً از فروپاشی یک ستاره منفرد تشکیل شوند زیرا ستاره به طور کامل نابود می‌شود. رخدادهایی مانند GW 231123 که هر دو سیاه‌چاله ورودی بالاتر از این حد بوده‌اند، نشانگر فرم‌گیری چندنسلی سیاه‌چاله‌هاست.

نقش چرخش در رمزگشایی تاریخچه سیاه‌چاله‌ها

پژوهشگران با بررسی رویداد GW 231123 متوجه شدند هر دو سیاه‌چاله شرکت‌کننده با سرعتی نزدیک به حد نظری در حال چرخش بوده‌اند؛ عاملی که تحلیل سیگنال‌های امواج گرانشی را پیچیده‌تر می‌کند. چرخش سریع می‌تواند نشانه‌ای از تشکیل سیاه‌چاله در نتیجه ادغام قبلی باشد، زیرا حاصل ادغام سیاه‌چاله‌ها معمولاً با نرخ چرخش بالایی به وجود می‌آید. با بررسی این ویژگی‌ها، اخترشناسان می‌توانند بین سیاه‌چاله‌های ناشی از فروریزش ستاره و آن‌هایی که از ادغام‌های متوالی شکل گرفته‌اند، تمایز قائل شوند.

گرگوریو کارولو، فیزیکدان دانشگاه بیرمنگام، خاطرنشان می‌کند: «افشای کامل رمز و راز این سیگنال پیچیده و بررسی همه ابعاد آن به سال‌ها زمان نیاز دارد. اگرچه احتمالاً بهترین توضیح همان ادغام سیاه‌چاله‌هاست، سناریوهای پیچیده‌تری نیز می‌تواند عامل ویژگی‌های غیرمنتظره این رویداد باشد. دوران هیجان‌انگیزی در پیش رو داریم!»

ابعاد جدیدی درباره رشد سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم

ادغام رکوردشکن GW 231123 افق تازه‌ای در پاسخ به راز قدیمی چگونگی شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم – با جرمی میلیون‌ها تا میلیاردها برابر خورشید در مراکز کهکشان‌ها – گشوده است. دانشمندان مدتها درباره اینکه این اجرام عظیم از رخدادهای منفرد بزرگ به سرعت رشد می‌کنند یا از ادغام‌های پی‌درپی سیاه‌چاله‌های کوچکتر، بحث کرده‌اند. این مشاهده جدید، فرضیه دوم را تقویت می‌کند و نشان می‌دهد ادغام‌های مکرر سیاه‌چاله‌ها نقش کلیدی در رشد و تحول طولانی‌مدت این غول‌های گرانشی دارند.

جمع‌بندی

کشف GW 231123 نقطه عطفی در نجوم امواج گرانشی به شمار می‌آید و دانشمندان را وادار به بازنگری و اصلاح مدل‌های مربوط به شکل‌گیری و رشد سیاه‌چاله‌ها کرده است. جرم استثنایی و چرخش بالای سیاه‌چاله‌های ادغام‌شونده محدودیت‌های موجود را به چالش می‌کشد و نشانه‌ی تاریخچه‌ای پیچیده و پویا از ادغام‌ها در جمعیت سیاه‌چاله‌های کیهان است. پژوهشگران با تحلیل داده‌های دقیق این رویداد، انتظار دارند به کشفیات جدیدی دست یابند که به درک بهتر از تاریک‌ترین اجرام کیهان و فرآیندهای موثر در تحول کهکشان‌ها کمک خواهد کرد.