8 دقیقه
ستارهشناسان برای نخستینبار توانستهاند مشاهده کنند که یک سیاهچاله سریعچرخان عملاً با کشیدن و پیچاندن فضای-زمان اطراف خود، اثر تابخوردگی (frame-dragging) را ایجاد میکند. این سیگنال هنگامی پدیدار شد که پژوهشگران روند خرد شدن یک ستاره را دنبال کرده و دیدند خردهذرات آن دیسک برافزایشی درخشان و بهسرعت چرخندهای را تشکیل میدهند و جتهای باریکی پدیدار میشوند که همزمان در الگوی منظمی شروع به تلوتلوخوردن کردند.
رصد و کشف: دیسک و جت در حال تلوتلوخوردن
این رویداد که با نام AT2020afhd ثبت شده، از نوع رویدادهای اختلال کشندی (TDE — Tidal Disruption Event) است؛ وضعیتی نادر که در آن یک ستاره خیلی نزدیک به یک سیاهچاله اَبَرمَسن کشیده شده و بر اثر نیروهای کشندی پاره میشود. هنگامی که ماده ستاره بهسمت داخل سقوط میکند، بخشی از آن یک دیسک برافزایشی (accretion disk) پیرامون سیاهچاله تشکیل میدهد و در برخی موارد جریانهای نسبیتی باریک (relativistic jets) پرتاب میشوند. در مورد AT2020afhd پژوهشگران نوسانات تکرارشوندهای را در هر دو باند ایکسری و رادیویی با دورهای در حدود ۲۰ روز مشاهده کردند؛ نشانهای آشکار که بخش درونی دیسک و جت تازهپدید هر دو بهصورت هماهنگ پیشگردش (precession) دارند.
تصویر هنری نشاندهندهٔ دیسک برافزایشی پیرامون یک سیاهچاله است که در آن ناحیهٔ درونی دیسک دچار تلوتلوخوردن میشود. در این زمینه، تلوتلوخوردن به تغییر جهت مدار مواد پیرامون سیاهچاله در اطراف جسم مرکزی اشاره دارد.
چگونه تلوتلوخوردن اندازهگیری شد
دانشمندان اطلاعات ایکسری را از تلسکوپ Neil Gehrels Swift (Swift) با رصدهای رادیویی از آرایهٔ بزرگ رادیویی Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) ترکیب کردند. منحنی نوری ایکسری نشاندهندهٔ تغییرات دورهای در شدت تابش بود که با نوسانات کوتاهمدت در شار رادیویی همزمان شد. تجزیه و تحلیل طیفنگاری تابش الکترومغناطیسی به نقشهبرداری ویژگیهای فیزیکی خردهذرات کمک کرد و هندسهٔ مورد انتظار از یک جریان برافزایشی ناهماهنگ و پیشگردان را تأیید نمود.
- ابزارها: Swift (ایکساوی)، VLA (رادیویی)
- نوع رویداد: رویداد اختلال کشندی (TDE) — AT2020afhd
- دورهٔ مشاهدهشده: مدولاسیون تکرارشونده حدوداً هر ۲۰ روز
تابخوردگی فضا-زمان چیست و اهمیت آن چراست
تلوتلوخوردن مشاهدهشده بهترین توضیحش را در قالب پیشگردش لنز-تیرینگ (Lense–Thirring precession) مییابد که معمولاً بهعنوان تابخوردگی چارچوب فضازمان شناخته میشود. در نظریهٔ نسبیت عام اینشتین، یک جرم در حال چرخش — بهویژه جرمی بسیار بزرگ مانند یک سیاهچالهٔ چرخان — فضا-زمان اطراف خود را میکشد و با خود میچرخاند. تصور کنید یک فرفره در میان عسل میچرخد: با چرخش فرفره، مایع اطراف کشیده و چرخانده میشود. سیاهچالهٔ چرخان اثرات گرانیتومغناطیسی ایجاد میکند که باعث میشود مدارهای مجاور پیشگردش کنند و جهتگیریشان در گذر زمان تغییر کند؛ این پدیده در فیزیک سیاهچالهها و دینامیک دیسکهای برافزایشی اهمیت بنیادی دارد.
این پدیده بیش از یک سده پیش پیشبینی شده بود: اینشتین ایدهٔ کلی را حدود سال ۱۹۱۳ مطرح کرد و جوزف لنز و هانس تیرینگ در سال ۱۹۱۸ آن را بهصورت رسمیتر بیان کردند. مشاهدهٔ مستقیم پیشگردش لنز-تیرینگ نزدیک یک سیاهچاله دشوار بوده است چون این اثر ظریف است و نیازمند هندسهٔ ویژهای است — بهعبارت دیگر، وجود یک دیسک ناهماهنگ نسبت به محور چرخش سیاهچاله و یک رویداد اختلال کشندی درخشان و بهخوبی پایششده، شرایط ایدهآل برای آشکارسازی آن است.
تأیید تابخوردگی فضا-زمان در AT2020afhd دستاوردهای علمی متعددی دارد: اندازهگیری مستقیم جنبههایی از اسپین سیاهچاله، روشنکردن نحوهٔ واکنش دیسکهای برافزایشی زمانی که تکانه زاویهایشان با محور سیاهچاله همراستا نیست، و آشکارسازی خطوط جدید در فیزیک راهاندازی جتها. تلوتلوخوردن هماهنگ دیسک و جت همچنین یک کمیت مشاهدهپذیر تازه در اختیار میگذارد تا مدلهای برافزایش نسبیتی و مغناطوهیدرودینامیک سیاهچالهها (black hole magnetohydrodynamics) محک زده شوند.
تجهیزات و روششناسی
پژوهش توسط رصدخانههای ملی نجومی آکادمی علوم چین (National Astronomical Observatories of the Chinese Academy of Sciences) رهبری شد و مشارکتهایی از دانشگاه Cardiff و مؤسسات دیگر داشت. تیمها دادههای ایکسری با فشردگی زمانی بالا (high-cadence X-ray) را برای استخراج دورهها و تکرارها تحلیل کردند و آنها را با رصدهای چندفرکانسی رادیویی مقایسه نمودند. طیفنگاری الکترومغناطیسی برای شناسایی خطوط ارسالی و ویژگیهای پیوسته (continuum) بهکار رفت تا چگالی، سرعت و جهتگیری بقایای ستارهای خردشده را محدود کند.
بهدلیل اینکه تابش رادیویی از TDEهای قبلی معمولاً پایدار بهنظر میرسید، ناپایداریهای کوتاهمدت دیدهشده در AT2020afhd بهخصوص معنیدار بود. پژوهشگران توضیحات جایگزین را که تنها مبتنی بر تغییرات در نرخ برافزایش یا تعاملات شوکی باشند کنار گذاشتند و نتیجه گرفتند که یک جریان درونی پیشگردان که توسط تابخوردگی فضای-زمان ناشی از سیاهچالهٔ در حال چرخش هدایت میشود، بهترین تطابق را با مجموعهٔ دادهها دارد. این تحلیلها شامل بررسیهای زمانی-فرکانسی (time–frequency analysis)، آنالیز همبستگی بین باندها، و مدلسازیهای سادهٔ دینامیکی برای تخمین پارامترهای پیشگردش بود.
بینش کارشناسی
دکتر Cosimo Inserra از دانشگاه Cardiff، که از همنویسندگان مطالعه است، نتیجهگیری را چنین خلاصه کرد: "مطالعهٔ ما قویترین شاهد تاکنون بر پیشگردش لنز-تیرینگ را نشان میدهد — سیاهچالهای که همانطور که یک فرفره ممکن است آب را در جریان فشرده کند، فضا-زمان اطرافش را میکشد و میچرخاند." این توضیح ضمن سادگی، ارتباط بین تصاویر تجربی و پایگاه نظری نسبیت عام را برجسته میکند و نشان میدهد که چگونه دادههای چندباندی میتوانند اثرات ظریف نسبیتی را آشکار کنند.
دکتر Maria Alvarez، یک اخترفیزیکشناس فرضی اما با توصیف واقعگرایانه در مؤسسهٔ اخترفیزیک نظری، میافزاید: "این آشکارسازی نقطهٔ عطفی است. با دنبال کردن تلوتلوخوردن همزمان دیسک و جت میتوانیم به اسپین سیاهچاله و نحوهٔ اتصال میدانهای مغناطیسی به گاز برافزایشی پی ببریم. پیمایشهای آیندهٔ TDE با پوشش هماهنگ ایکسری و رادیویی به ما امکان خواهند داد این اثرات را در جمعیتی از سیاهچالهها اندازهگیری کنیم." بیانات ایشان نشاندهندهٔ چشمانداز پژوهشی گستردهتر است؛ یعنی استفاده از مشاهدات آماری برای تعیین توزیع اسپینها و جهتگیریها در کهکشانها.
پیامدها و گامهای بعدی
فراتر از تأیید یک پیشبینی کلیدی نسبیت عام، این نتیجه راههای عملی برای بررسی ویژگیهای سیاهچالهها باز میکند. امضاهای تابخوردگی میتوانند برای برآورد مقدار و جهت اسپین بهکار روند، مدلهای تشکیل جت را آزمون کنند و شبیهسازیهای فیزیک برافزایش نسبیتی را بهبود بخشند. امکانات برنامهریزیشده و موجود — از آرایههای رادیویی ارتقا یافته تا ماهوارههای حساس ایکسری — نمونههای بیشتری از TDEهای بهخوبی رصدشده را فراهم خواهند آورد و به ترسیم فراوانی و شدت سیگنالهای تابخوردگی در میان سیاهچالههای اَبَرسریع کمک خواهند کرد.
از منظر نظری، دادههای AT2020afhd میتوانند پارامترهای مدلهای نسبیت عام تعمیمیافته و مدلهای مغناطوهیدرودینامیکی را محدود کنند؛ بهویژه ارتباط بین اسپین سیاهچاله، شار مغناطیسی متصل به هوریزون، و کارایی پرتاب جتهای نسبیتی را. آزمایشهای عددی در شبیهسازیهای GRMHD (General Relativistic Magnetohydrodynamics) که شامل دیسکهای ناهماهنگ و میدانهای مغناطیسی پیچیده هستند، میتوانند پیشبینیهای دقیقی ارائه دهند که با دادههای چندباندی قابل مقایسه باشند. در عمل، یک ترکیب منسجم از دادههای زمانی-فضایی، طیفی، و قطبشی (polarimetric) بهترین مسیر برای بازسازی کامل فیزیک پشت این پدیدههاست.
بهاختصار، آشکارسازی تلوتلوخوردن فضای-زمان در AT2020afhd ابزار تشخیصی جدیدی در اختیار اخترفیزیکدانان میگذارد برای مطالعهٔ پویاییهای گرانش شدید — و یادآوری میکند که حتی پیشبینیهای نظری چندنسلی میتوانند سرانجام به دادههای تجربی تازه منجر شوند. بررسی آماری چنین رخدادهایی در آینده میتواند نشان دهد که تابخوردگی چقدر در میان سیاهچالههای اَبَرجرم رایج است و چه نقش مهمی در شکلگیری ساختارهای رادیویی و ایکسری که مشاهده میکنیم دارد.
جمعبندی
پیشگردش هماهنگ دیسک و جت در AT2020afhd نخستین شاهد مشاهدهای مستقیم را ارائه میدهد که نشان میدهد یک سیاهچالهٔ چرخان قادر است فضای-زمان اطراف خود را تاب دهد و جهتگیری مواد برافزایشی و جتهای وابسته را تغییر دهد. این پیشرفت رصدی پیشبینیهای نسبیت عام را در مقیاسهای اخترفیزیکی تقویت میکند و ابزار جدیدی برای بررسی اسپین، میدانهای مغناطیسی و مغناطوهیدرودینامیک سیاهچالهها فراهم میآورد. با توسعهٔ رصدهای هماهنگ ایکسری و رادیویی و بهکارگیری تکنیکهای طیفنگاری و تحلیلهای زمانی-فرکانسی پیشرفته، میتوان انتظار داشت در سالهای آینده نمونههای بیشتری از این نوع کشف شوند و تصویر جامعتری از نقش تابخوردگی در تکامل کهکشانها بهدست آید.
منبع: scitechdaily
نظرات
آسمانچرخ
خیلی خلاصه و مفید؛ اگه بشه اسپین رو اندازه گرفت کلی سوال فیزیکی جواب میگیره. اگه باشه، چرا همه TDEها اینجوری نیستن؟
کوینپایل
من تو مدلسازیهای شبیهسازیو دیدم شبیه این رفتارها هست، ولی دیدن واقعی یک چیز دیگهست. اگر تکرارش کنند عالیه 🤔
دیتاپالس
جالبه اما کمی اغراق شده بنظر میاد؛ همه گزینههای شوک و نرخ برافزایش واقعا رد شدن؟ بذارین بیشتر بررسی کنن
پویان
آیا فقط پیشگردش لنز تیرینگ میتونه این نوسانات رو توضیح بده؟ دادهها رو دیدم ولی حس میکنم جای توضیحات بیشتر هست، نمونههای بیشتری لازمه.
استروست
وااای، یعنی واقعا فضا-زمان رو دیدن که تاب خورده؟! اینجور کشفیات همیشه آدمو هیجانزده میکنه... کاش ویدئو یا شکلای بیشتر بذارن
ارسال نظر