آنها بزرگترین سیاهچاله های جهان هستند که شناخته شده اند، میلیاردها برابر جرم خورشید ما، اما اطلاعات کمی در مورد چگونگی شکل گیری و بزرگ شدن این هیولاها وجود دارد. تلسکوپ ها و تکنیک های جدید روش جدیدی را برای نگاه کردن به این غول ها به ما می دهند.
در نیمه راه بین شکم دلفین و سم عقب پگاسوس اسب پرنده، یک چرخ دنده بکر در فضا سقوط می کند. برای میلیاردها سال، بازوهای مارپیچی کهکشان UCG 11700 در آرامش چرخیده اند و از برخوردها و ادغام هایی که بسیاری از کهکشان های دیگر را تغییر شکل داده اند، دست نخورده اند. اما در حالی که کهکشان مارپیچی مانند UCG 11700 دیدنی است، چیزی هیولایی در میان آن پنهان شده است. در قلب این چرخ کیهانی زیبای کاترین، یکی از مرموزترین اجرام در کیهان است - یک سیاهچاله بسیار پرجرم. در حالی که سیاهچاله های استاندارد با جرمی حدود چهار برابر خورشید ما شروع می شوند، اقوام عظیم آنها میلیون ها و گاهی میلیاردها برابر جرم دارند. دانشمندان بر این باورند که تقریباً هر کهکشان بزرگی در قلب خود یک سیاهچاله بسیار پرجرم دارد. جز اینکه هیچ کس نمی داند چگونه به آنجا رسیده اند. اینجاست که کهکشان UCG 11700 می تواند مفید واقع شود.
بکی اسمتو رست، محقق جوان در دانشگاه آکسفورد که سیاهچاله های کلان پرجرم را مطالعه می کند، می گوید: «کهکشان های ایده آل برای مطالعه من، زیباترین و کامل ترین مارپیچ هایی هستند که می توانید به آنها فکر کنید. زیباترین کهکشان‌هایی هستند که می‌توانند به ما در حل معمای چگونگی رشد این سیاهچالهها کمک کنند.» بزرگترین سیاهچاله های جهان آنقدر متراکم هستند که حتی نور نیز نمی تواند از مرکز آن فرار کند، یادگیری در مورد آن را دشوار می کند. اما تکنیک‌های جدیدی که به دنبال اثرات سیاهچالههای کلان جرم بر روی اجرام بین‌ستاره‌ای اطرافشان هستند و حتی در امواجی که در بافت فضا و زمان ایجاد می‌کنند، سرنخ‌های جدیدی ارائه می‌دهند. راز کمی در مورد چگونگی شکل گیری و رشد سیاهچاله ها وجود دارد. سوخت یک ستاره در حال مرگ تمام می شود، در یک ابرنواختر منفجر می شود، در خود فرو می ریزد و چنان متراکم می شود که حتی نور نیز نمی تواند از گرانش شدید آن فرار کند. ایده سیاهچاله ها یک قرن است که وجود داشته و در نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین پیش بینی شده است.
در فرهنگ عامه، بزرگ ترین سیاهچاله های جهان کاملا تاریک و بی نهایت گرسنه هستند. آنها در سراسر جهان حرکت می‌کنند و هر چیزی را که در مسیرشان است می‌مکند، بزرگ‌تر و حریص‌تر می‌شوند. شاید بتوان فکر کرد راز حل شد - خطرناک ترین سیاهچاله های جهان و سیاهچاله های کلان جرم به سادگی گرسنه ترین و قدیمی ترین سیاهچاله ها در نوع خود هستند. با این حال، در واقعیت، سیاهچاله ها به شهرت هیولایی خود عمل نمی کنند. آنها به طرز شگفت آوری در برافزایش (اصطلاحات اصطلاحی فیزیکدانان برای "مکیدن") مواد اطراف، حتی در یک هسته متراکم کهکشانی ناکارآمد هستند. در واقع، ستارگان فروپاشیده به قدری آهسته رشد می‌کنند که احتمالاً نمی‌توانند تنها با جذب مواد جدید، بزرگ شوند. اسمتو رست می‌گوید: «فرض کنیم اولین ستاره‌ها سیاهچالهها را حدود 200 میلیون سال پس از انفجار بزرگ تشکیل داده‌اند. "بعد از فروپاشی آنها، شما سیزده و نیم میلیارد سال فرصت دارید تا سیاهچاله خود را تا میلیاردها برابر جرم خورشید افزایش دهید. این مدت زمان بسیار کوتاهی است تا آن را فقط با برافزایش بزرگ کنید." حتی اسرارآمیزتر، سیاهچاله های کلان پرجرم از قبل وجود داشتند که کیهان هنوز در مراحل ابتدایی نسبی خود بود. اختروش‌های دوردست، برخی از درخشان‌ترین اجرام در آسمان شب، در واقع سیاه چاله های بسیار پرجرم باستانی هستند که هسته‌های کهکشان‌های در حال مرگ را به آتش کشیده‌اند. برخی از این غول‌ها حداقل از زمانی که کیهان تنها 670 میلیون سال قدمت داشت - در زمانی که برخی از قدیمی‌ترین کهکشان‌های شناخته شده در حال شکل‌گیری بودند، وجود داشته‌اند. در حالی که قلب یک سیاهچاله برای ناظران خارجی ناشناخته باقی می ماند، سیاهچاله های پرجرم می توانند درخشان تر از کل کهکشان ستارگان بدرخشند، و حتی می توانند "آوغ زدن" تابش فرابنفش را هنگام مصرف مواد اطراف خود تولید کنند.
سیاهچاله ها دارای یک مرز کروی هستند که به عنوان "افق رویداد" شناخته می شود. در درون این کره، نور، انرژی و ماده به طور اجتناب ناپذیری به دام افتاده اند. فضا و زمان روی خود جمع می شوند و قوانین فیزیکی که نحوه عملکرد بیشتر کیهان ما را توصیف می کنند، از بین می روند. اما، درست خارج از افق رویداد، یک سیاه چاله در حال چرخش می تواند مواد مجاور را به یک دیسک در حال چرخش و فوق گرم تبدیل کند. با رسیدن به دمای بالاتر از 10 میلیون درجه سانتیگراد، دیسک برافزایشی در یک اختروش تابش درخشان کورکننده ای را در سراسر طیف الکترومغناطیسی منتشر می کند.
برای اطلاع از مقاله عکاسی از کهکشان راه شیری چگونه است؟ بر روی لینک کلیک کنید
مارتا ولونتری، محقق سیاهچاله در l'Institut d'Astrophysique de Paris می گوید: سیاهچاله ها موثرترین و کارآمدترین موتورهای جهان هستند. آنها جرم را با بازدهی تا 40 درصد به انرژی تبدیل می‌کنند. اگر به هر چیزی فکر می‌کنید که ما با کربن یا انرژی شیمیایی می‌سوزانیم، یا حتی در ستاره ها چه اتفاقی می‌افتد، فقط کسری کوچک و کوچک از چیزی است که یک سیاه چاله تولید می‌کند. سیاهچاله های کلان پرجرم دانشمندان را به چیزی فراتر از صرفه جویی انرژی آنها علاقه مند می کند. شکل‌گیری و تکامل آنها به وضوح با توسعه کهکشان‌ها و حتی با داستان بزرگ‌تر کل تاریخ و ساختار جهان ما مرتبط است. حل معمای این غول های کیهانی گام مهمی در تلاش مداوم دانشمندان برای درک اینکه چرا همه چیز به این شکل است را نشان می دهد.
انتشار انرژی یکی از راه هایی است که سیاهچاله ها اسرار خود را فاش می کنند. هنگامی که سیاه چاله ها با اجرام با چگالی کمتری مانند ستاره های نوترونی ادغام یا برخورد می کنند، این رویدادها موج هایی در فضا-زمان ایجاد می کنند که امواج گرانشی نامیده می شوند. این امواج با سرعت نور در سراسر کیهان حرکت می کنند و برای اولین بار در سال 2015 روی زمین شناسایی شدند. از آن زمان رصدخانه های عظیمی مانند رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (Ligo) در ایالات متحده و تأسیسات ویرجو در نزدیکی پیزا، ایتالیا وجود داشته است. برداشتن امواج ایجاد شده توسط این برخوردها. اما در حالی که این رصدخانه ها از ابزارهایی به اندازه چندین کیلومتر استفاده می کنند، آنها فقط می توانند امواج سیاه چاله هایی با اندازه نسبتاً متوسط را تشخیص دهند. نادین نویمایر، سرپرست گروه تحقیقاتی هسته‌های کهکشانی در موسسه نجوم ماکس پلانک، می‌گوید: «لایگو ادغام‌هایی را تا حدود 150 جرم خورشیدی شناسایی کرده است». شکافی در داده‌ها درباره آنچه که مردم «سیاهچالههای با جرم متوسط» می‌نامند با جرم حدود 10000 خورشیدی یا بیشتر وجود دارد. او می‌گوید سیاهچالههای کیهان با جرم متوسط می‌توانستند در اوایل کیهان از فروپاشی ابرهای گازی غول‌پیکر یا برخوردهای فراری ستاره‌ها شکل گرفته باشند. در محیط تنگ کیهان جوان، برخوردهای پی در پی بین این سیاهچالههای متوسط، همراه با تجمع سریع مواد اطراف، می‌توانست رشد آنها را به مقیاس‌های بسیار عظیم تسریع کند.
با این حال، نظریه دانه سیاهچاله با جرم متوسط مشکلاتی دارد. کیهان اولیه و کوچک نیز بسیار داغ بود. ابرهای گازی در تابش غوطه ور می شدند و احتمالاً انرژی زیادی به آنها می داد تا روی خود فرو بریزند. و حتی در یک کیهان متراکم، قوانین فیزیک همچنان حداکثر سرعتی را که سیاه چاله ها می توانند ماده را جذب کنند، محدود می کند. ولونتری می‌گوید که هر توضیح کنونی برای سیاه چاله های کلان جرم «گلوگاه‌ها و اشکالاتی» دارد که مانع از هم گرایی دانشمندان برای یافتن پاسخ قطعی می‌شود. او می‌گوید: «تئوری‌هایی که ما آن را «فرایندهای دینامیکی» می‌نامیم، به این معنی که شما یک سیاه چاله را از تعداد بسیار زیادی ستاره تشکیل می‌دهید به جای یک ستاره، امکان‌پذیر است، اما این فرآیندها باید در شرایط بسیار خاصی اتفاق بیفتند. همچنین نظریه‌هایی درباره «سیاهچالههای اولیه» وجود دارد که می‌توانستند قبل از وجود ستاره ها وجود داشته باشند و رشد کنند. اما این قلمرو کاملاً ناشناخته است. ما هیچ مدرک رصدی برای آزمایش این اصل نداریم.» او می‌گوید که عاشق فیزیک فرآیندهای دینامیکی است، اما اذعان می‌کند که پیش‌بینی معتبر هر چیزی که بزرگ‌تر از حدود 1000 جرم خورشید باشد، برای این نظریه بسیار دشوار است. او می‌گوید: «وقتی اختروش‌هایی را در نظر می‌گیریم که قبلاً یک میلیارد جرم خورشیدی داشتند، زمانی که کیهان یک میلیارد ساله بود، رسیدن به این اعداد بسیار سخت است. او معتقد است که داستان واقعی چگونگی به وجود آمدن سیاه چاله های کلان جرم هنوز گفته نشده است. "هر چه بیشتر حفاری می کنیم، بیشتر متوجه می شویم که در مورد چیزهایی که فکر می کردیم فهمیده ایم مشکلاتی وجود دارد. ما یک چیز اساسی را از دست می دهیم."
نسل کنونی ابزارهای رصدی شروع به پر کردن شکاف‌ها کرده‌اند. رصدخانه‌های Virgo، Ligo و مشابه در حال ارائه «اطلاعات جمعیت‌شناختی» عمیق‌تر در مورد اندازه، سن و مکان جمعیت سیاهچالههای کیهان هستند. اما برای پر کردن این نوع داده ها در مورد سیاهچاله های کلان جرم، محققان به آشکارسازهای بزرگتری نیاز دارند. در دهه 2030، ناسا و آژانس فضایی اروپا (ESA) آنتن فضایی تداخل سنج لیزری (Lisa) جاه طلبانه را پرتاب خواهند کرد که شامل سه ماهواره است که در یک مثلث با اضلاع به طول 2.5 میلیون کیلومتر پرواز می کنند. این آرایه بر اساس اصول مشابه Ligo و Virgo کار می کند، اما مقیاس عظیم آن به آن اجازه می دهد امواج گرانشی را از سیاهچاله های بسیار بزرگ فراتر از دسترس فناوری موجود تشخیص دهد. در حال حاضر اشاراتی وجود دارد مبنی بر اینکه امواج گرانشی ایجاد شده توسط سیاه چاله های عظیم در حال شستن ما هستند. در آغاز سال 2021، اخترشناسان اعلام کردند که اختلافات کوچکی را در پالس های تشعشعاتی که از 45 تپ اختر می آید - ستارگان فشرده ای که پرتوهای نور را در فواصل زمانی منظم منتشر می کنند، شناسایی کرده اند. اگرچه نتایج هنوز تایید نشده است، اما محققان پیشنهاد می‌کنند که این می‌تواند به دلیل «پس‌زمینه موج گرانشی» باشد که احتمالاً از ادغام سیاه چاله‌های بزرگ ایجاد می‌شود.
نتیجه
نیومایر با اسمتورست موافق است که هیجان‌انگیزترین اکتشافات در مورد خطرناک ترین سیاهچاله های جهان سؤالاتی وجود دارد که هنوز کسی نپرسیده است. او می گوید: «این یک قرن شگفت انگیز از پیشرفت های فنی بوده است که این اکتشافات را ممکن می کند. "ما مشکلات شناخته شده زیادی داریم که می خواهیم حل کنیم. اما چیزهای جدیدی را نیز خواهیم دید که حتی نمی توانیم تصور کنیم. و من فکر می کنم این شگفت انگیز است."
برای دانلود مقاله منشا مرموز بزرگترین سیاهچاله های جهان روی لینک کلیک کنید.
منبع: سایت موسسه طبیعت آسمان شب و منشا مرموز بزرگترین سیاهچاله های جهان
