10 دقیقه
یک اختلال ستارهای پرانرژی که در سال 2024 ثبت شد، شاید قویترین شواهد مستقیم را در اختیار اخترشناسان قرار داد که نشان میدهد یک سیاهچاله میتواند بهطرزی واقعی فضا-زمان را بهدور خود تاب دهد. با دنبال کردن نوسانات همزمان پرتو ایکس و امواج رادیویی از کهکشانی با شناسه LEDA 145386، پژوهشگران دیدند که یک دیسک برافزایشی همراه با یک جت رادیویی بهصورت جفتی میلرزد و این رفتار بهبهترین شکل با پدیدهٔ کشش چارچوب (frame-dragging) توجیه میشود — اثری نسبیتی که Lense و Thirring پیشبینی کردهاند.
رصدها نشاندهندهٔ پیشگردش یک سیاهچاله هستند
در ژانویهٔ 2024، دستگاه بررسی گذرا Zwicky Transient Facility (ZTF) یک درخشش ناگهانی را در LEDA 145386، کهکشانی در فاصلهٔ حدود 400 میلیون سال نوری از زمین، ثبت کرد. این سوسو یا فوران نوری با الگوی یک رویداد اختلال کشندی (TDE — tidal disruption event) مطابقت داشت: موقعی که ستارهای بسیار به یک سیاهچالهٔ اَبَرپرجرم نزدیک میشود و بهخاطر نیروهای کشندی پاره یا متلاشی میگردد. جرم این سیاهچاله در این کهکشان تقریباً پنج میلیون برابر جرم خورشید تخمین زده شده است — میزانی که باعث میشود اثرات نسبیتی که معمولاً خیلی ظریفاند، در این شرایط آشکار شوند وقتی آشفتگی و تغییرات شدید رخ میدهد.
پس از آشکارسازیِ نوری، جامعهٔ اخترشناسی سریعاً یک کمپین رصدی چندطولی را سازماندهی کرد. ابزارهای پرتو ایکس نوسانات درخشش شدیدی را با دورهٔ تکرار 19.6 روز ثبت کردند، که دامنهٔ تغییرات شار در آنها بیش از یک مرتبهٔ بزرگی بود. در همان بازهٔ زمانی، تابش رادیویی از منبع نیز بالا و پایین رفت — اما تغییرات در بخش رادیویی بیش از چهار مرتبهٔ بزرگی گسترده بود. نکتهٔ کلیدی این بود که مدولاسیونهای پرتو ایکس و رادیو همزمان بودند.
همزمانی این نوسانات همان مدرک قطعی است. پرتوهای ایکس عمدتاً از نواحی گرم و درونی دیسک برافزایشی سرچشمه میگیرند، جایی که بقایای ستارهای بهصورت مارپیچی به داخل میافتند، در حالی که امواج رادیویی ناشی از پراکنش سینکروترون در جتی نسبیتی هستند که نزدیک محورهای قطبی سیاهچاله پرتاب میشود. وقتی هر دو باند طی دورهٔ تکرارشوندهای با هم نوسان میکنند، این امر به سیستمی اشاره میکند که دیسک و جت آن بهصورت سختارتباط (rigidly coupled) با هم عمل میکنند و کل مجموعه پیشگردش (precession) دارد — بهگونهای که همچون فرفرهای در اطراف محور چرخش سیاهچاله میلرزد.
کشش چارچوب چیست و چرا اهمیت دارد
کشش چارچوب، که به آن اثر لنزه-تیرینگ (Lense–Thirring) نیز گفته میشود، ناشی از این است که جرمِ دوار بهنوعی فضا-زمان اطراف خود را میکشد و با خود میچرخاند. یک تمثیل ساده این است که عسل را با قاشق هم میزنید: هرچه به قاشق نزدیکتر باشید، جریان سریعتر میچرخد و این پیچش با فاصله کندتر میشود. برای زمین، کشش چارچوب با ماهوارههای دقیق اندازهگیری شده است اما مقدار آن بسیار کوچک است. در اطراف یک سیاهچالهٔ اَبَرجرم، با این حال، چرخش میتواند میدان گراویتو-مغناطیسی قدرتمندی ایجاد کند که بتواند به دیسک داخلی و مادهٔ اطراف گشتاور وارد کند و در مقیاسهای زمانی قابل رصد، آنها را به پیشگردش وادارد.
در این رویداد TDE، مدلهایی که دیسک پیشگردان را به جت متصل میکنند، دامنه و فاز نوسانات پرتو ایکس و رادیو را بازتولید میکنند. همانطور که یانان وانگ (Yanan Wang)، یکی از همنویسندگان اصلی از آکادمی علوم چین، توضیح میدهد: «چنین نوسانهای همزمان، با دامنهٔ بالا و تقریباً دورهای در دو باند، بهطور قوی نشاندهندهٔ یک اتصال سخت بین دیسک برافزایشی و جت است که مانند یک ژیروسکوپ حول محور چرخش سیاهچاله پیشگردش میکند.»
کوزیمو اینسرا (Cosimo Inserra) از دانشگاه کاردیف این نتیجه را در چارچوب تاریخی قرار میدهد: «این برای فیزیکدانان هدیهای واقعی است، زیرا پیشبینیهایی را که بیش از یک قرن پیش ارائه شده بود، تأیید میکنیم. علاوه بر این، این مشاهدات به ما دربارهٔ ذات رویدادهای اختلال کشندی نیز اطلاعات بیشتری میدهد — زمانی که یک ستاره توسط نیروهای گرانشی عظیم یک سیاهچاله پاره میشود.»
زمینهٔ علمی، روشها و مدلسازی
رویدادهای TDE نسبت به منابعی که پیوسته برافزایش میشوند، نادر و کوتاهمدت هستند، اما درخشندگی گذرای آنها آنها را به آزمایشگاههای ایدهآل برای بررسی فیزیک اکستریم تبدیل میکند. وقتی بقایای ستارهای یک دیسک برافزایشی تشکیل میدهند، بخشهایی از ماده به داخل سقوط کرده و در پرتو ایکس تابش میکنند، در حالی که میدانهای مغناطیسی میتوانند بخش دیگری از ماده را در قالب جتهای دو قطبی هدایت کنند که در باند رادیویی میدرخشند. رویداد LEDA 145386 با کشف نوری از ZTF آغاز شد و سپس با تلسکوپهای پرتو ایکس و رصدهای همآهنگ رادیویی دنبال شد؛ این برنامهٔ رصدی به محققان اجازه داد تا زمانبندی، دامنه و مشخصات طیفی را در بین باندها اندازهگیری کنند.
شبیهسازیهای عددی و مدلهای تحلیلی پیشگردش لنزه-تیرینگ نشان میدهند که یک دیسک نامتراصف (misaligned) پیرامون یک سیاهچالهٔ چرخان تحت شرایط معینی رفتاری شبیهِ جسم صلب خواهد داشت و پیشگردش خواهد کرد. دورهٔ 19.6 روزهٔ مشاهدهشده، اتصال بین دیسک و جت و نوسان شدید رادیویی، همگی با پیشبینیهایی سازگارند که نشان میدهند کشش چارچوب در حال اثرگذاری بر یک سیاهچاله با جرم حدود پنج میلیون جرم خورشیدی است. در این مدلها پارامترهایی مانند سرعت چرخش سیاهچاله (پارامتر اسپین)، فاصلهٔ درونی دیسک، و شدت و پیکربندی میدان مغناطیسی نقش مهمی ایفا میکنند.
سانتیاگو دل پالاسیو (Santiago del Palacio) از دانشگاه چالمرز خلاصهای از راهبرد رصدی ارائه کرد: «هرگاه یک TDE جدید توسط یک تلسکوپ نوری کشف میشد، ما فوراً رصد در طولموجهای مختلف را آغاز میکردیم تا بیشینهٔ اطلاعات را قبل از محو شدن سیگنال ثبت کنیم. همین پاسخ سریع بود که اجازه داد سیگنالِ تکرارشونده را قبل از از بین رفتن مشاهده کنیم.»
چرا این کشف برای فیزیک گرانش و اخترفیزیک پیشرفت ایجاد میکند
- آزمون نسبیت عام: این آشکارسازی نمایشِ زندهای از کشش چارچوب را در مقیاسها و رژیمهایی نشان میدهد که در آنها گرانش قوی حاکم است — ابزاری تکمیلی برای آزمایشهای موج گرانشی و تصاویرِ افق رویداد سیاهچاله.
- پیوند دیسک–جت: نوسانات همزمان نشان میدهد که یک پیوند دینامیکی نزدیک بین جریان درونیِ برافزایشی و منطقهٔ آغازین جت وجود دارد که مدلهای تشکیل جت و ساختار میدان مغناطیسی را آگاه میسازد.
- اندازهگیری اسپین سیاهچاله: پیشگردش به اسپین سیاهچاله و هندسهٔ دیسک وابسته است؛ با ثبت رویدادهای بیشتر از این نوع، پژوهشگران میتوانند حدودی برای مقادیر اسپین سیاهچالههایی که در حالت سکوناند ارائه دهند.
فراتر از علمِ مستقیم، این مطالعه نشان میدهد که قدرت رصدهای نوری تمام-آسمان (مانند ZTF و بهزودی رصدخانه ورا سی. روبین) در شناسایی زودهنگام TDEها و اهمیت پیگیری سریعِ چندطولی با استفاده از رصدخانههای پرتو ایکس و آرایههای رادیویی برای ثبت دینامیک گذرا تا چه حد حیاتی است. شبکههای رصدی هماهنگ و واکنش سریع به کشفیاتِ گذرا امکان ثبت مرحلههای مختلف توسعهٔ TDE و رفتارهای وابسته به اسپین سیاهچاله را فراهم میآورند.
دیدگاه کارشناسان
«مشاهدهٔ کشش چارچوب در عمل، یک پیشبینی نظری را به ابزارِ تجربی تبدیل میکند»، میگوید دکتر النا مارکونی (Dr. Elena Marconi)، اخترفیزیکدانی فرضی اما با صدا و توصیف واقعی که در پدیدههای پرانرژی تخصص دارد. «هر TDE که بهخوبی نمونهبرداری شود به ما نه تنها یک تصویر لحظهای از فیزیک نسبیتی میدهد، بلکه آزمایشگاهی است برای اندازهگیری چگونگی تولد جتها و پاسخ آنها به گرانشِ قوی.» نکتهٔ او بر اهمیت دادههای همزمان زمانی و طیفی تأکید میکند که توانایی نگاشت هندسه و عوامل فیزیکی محرک این انفجارها را فراهم میآورد.
نتیجهگیری
رویداد اختلال کشندی LEDA 145386 یکی از شفافترین نمونههای اخترفیزیکی را ارائه میدهد که در آن یک سیاهچالهٔ چرخان فضا-زمان را تاب میدهد و یک سامانهٔ دیسک–جت را ناچار به پیشگردش میکند. با همزمانسازی مشاهدات پرتو ایکس و رادیو، اخترشناسان نمایی پویا از عمل نسبیت عام بهدست آوردند و راهی عملی برای اندازهگیری اسپین سیاهچاله و فیزیک جتها با استفاده از رویدادهای گذرا گشودند. با بهکار افتادن تلسکوپهای نظرسنجی جدید و شبکههای چندطولی هماهنگ، انتظار میرود کشفیات مشابه بیشتری رخ دهد و آزمونهای غنیتری از گرانش در کیهان فراهم گردد.
تطبیق این مشاهدات با مدلهای نظری همچنین سوالات جدیدی مطرح میکند: چگونه پیکربندی میدانهای مغناطیسی بر انتقال تکانه و انرژی در مرز بین دیسک و پایهٔ جت تأثیر میگذارد؟ چه نرخهایی از TDEها در کهکشانهای مختلف رخ میدهد و چگونه این نرخها به تاریخچهٔ رشد سیاهچالهها مرتبطند؟ پاسخ دادن به این پرسشها نیازمند ترکیب دادههای طولانیمدت، شبیهسازیهای با رزولوشن بالا و توسعهٔ نظریههای کوپل دینامیک میدان-جت-دیسک است.
از دید روششناختی، این مورد نمونهای از تأثیر حیاتی هماهنگی بین رصدهای زمینی و فضایی بود: واکنش سریعِ تلسکوپهای نوری برای کشف اولیه، بهسرعت با رصدهای پرتو ایکس فضایی و آرایههای رادیویی زمینی تکمیل شد تا یک مجموعهٔ چندباندی کامل شکل گیرد. این رویکرد چندابزاری برای آیندهٔ اخترفیزیک گذرا ضروری بهنظر میرسد، بهویژه برای مطالعهٔ پدیدههایی که تنها در مقاطع زمانی کوتاه قابل رؤیتاند.
در مجموع، آنچه LEDA 145386 به ما آموخت این است که با ابزارهای امروزی میتوانیم اثرات نسبیت عام را در شرایط بسیار شدید مشاهده کنیم و این مشاهدات میتوانند به نحو ملموسی پارامترهای کلیدی سیاهچالهها، مانند اسپین و خواص میدان مغناطیسی، را محدود کنند. این رویداد بهعنوان یک نقطهعطف برای مطالعهٔ تعاملات دیسک-جت و آزمایش نسبیت در رژیم گرانشی قوی تلقی میشود و مسیر روشنی برای پژوهشهای آینده فراهم میآورد.
منبع: sciencealert
ارسال نظر