رصد سیاهچاله‌های منفرد در اعماق فضا

این سیاهچاله که بقایای یک ستاره مرده در کهکشان راه شیری است را دکتر سهراب راهوار، استاد و عضو گروه کیهان‌شناسی دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف و دکتر صدیقه سجادیان، استادیار دانشگاه صنعتی اصفهان به همراه یک تیم بین‌المللی از محققان بیش از ۵۰ موسسه پژوهشی کشف کردند.

از آنجا که سیاهچاله‌ها در واقع ستاره‌هایی هستند که در پایان عمر خود به سر می‌برند و دیگر تابش ندارند، روش‌های آشکارسازی آنها اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند.

در این کشف با رصدهای متوالی در طول چند سال که با تلسکوپ‌های زمینی به همراه تلسکوپ فضایی‌هابل انجام شد، سیاهچاله منفردی شناسایی شده است.

سیاهچاله‌ها به دلیل جرم بالا و گرانش شدیدی که دارند معمولا ویژگی‌های جالب توجهی پیدا می‌کنند که برای اخترفیزیک‌دانان و کیهان‌شناسان راهگشای کشف‌های تازه و شناخت دقیق‌تر ستارگان است.

گرانش، جرم بالا و غیر قابل مشاهده بودن در امواج الکترومغناطیس، سه ویژگی مهم سیاهچاله‌هاست که باعث می‌شود حتی کسانی که با دانش نجوم آشنایی زیادی ندارند به این ستاره‌های مرده علاقه‌مند شوند.

تا پیش از به ثمر نشستن پژوهشی که دو محقق ایرانی در آن نقش داشتند، روش‌های دیگری برای پیداکردن سیاهچاله‌ها به کار گرفته می‌شد اما با این روش جدید باید منتظر یافتن سیاهچاله‌های تازه در کهکشان راه‌شیری باشیم.

برای آگاهی از روش‌های این کشف با دکتر سهراب راهوار گفت‌وگو کردیم.

سیاهچاله‌ های منفرد چطور شناسایی می‌شوند؟

روش مرسوم برای آشکارسازی سیاهچاله‌ها زمانی به کار می‌رود که آنها در منظومه‌های ستاره‌ای دوتایی یا چندتایی قرار داشته باشند و ماده ستاره همدم به‌دلیل جاذبه زیاد سیاهچاله به سمت آن کشیده شده و روی آن بریزد. در این حالت سیاهچاله پرتو ایکس منتشر می‌کند و قابل ردیابی است.

در حالت دیگر ممکن است سیاهچاله در مرکز کهکشان قرار گرفته باشد، نظیر آنچه در کهکشان راه شیری وجود دارد و تعدادی ستاره به دور آن بگردند و از نوع حرکتشان بشود سیاهچاله را آشکارسازی کرد اما برای شناسایی سیاهچاله‌های تکی یا منفرد، هیچ راهی وجود ندارد جز این که از روش همگرایی گرانشی استفاده کنیم.

در این روش وقتی نور ستاره‌های دیگر از کنار سیاهچاله عبور می‌کند، خم می‌شود یا به عبارت بهتر انحنا پیدا می‌کند. در واقع به دلیل همر‌استا شدن و حرکت نسبی یک ستاره و سیاهچاله، نور ستاره تقویت می‌شود. سیاهچاله‌های منفرد با جرم دیگری برهمکنش ندارند و ماده‌ای از ستاره‌های دیگر را جذب نمی‌کنند. شاید این سؤال پیش بیاید که خب وقتی این سیاهچاله از فضای میان ستاره‌ای عبور می‌کند گازهای موجود در آن را جذب می‌کند، این درست است اما چگالی این گازها آن قدر کم است که در واقع اثر قابل مشاهده‌ای ندارد.

مدت زمانی که نور دچار انحنا شده به چه عواملی بستگی دارد؟

این مسأله به جرم سیاهچاله و ستاره‌ای که نور آن خم شده و فاصله این دو از هم و سرعت بستگی دارد. در برخی موارد امکان محاسبه تمام این پارامترها وجود ندارد اما وقتی ریزهمگرایی گرانشی‌های قوی رخ دهد، امکان محاسبه این موارد فراهم می‌شود. در این سیستم‌ها معمولا با داشتن یک پارامتر نمی‌شود بقیه را محاسبه کرد. اما زمانی که ریزهمگرایی گرانشی قوی به همراه اثر اختلاف منظر داشته باشیم، این محدودیت برطرف شده و امکان محاسبه این پارامترها فراهم می‌شود.

سیستمی‌که ما روی آن کار کردیم از همین نمونه بود و می‌شد این پارامترها را از آن استخراج کرد، علتش هم این بود که دوره لنز چند ماه ادامه داشت و اثر گردش زمین به دور خورشید، باعث شده بود میزان تقویت نور در طول زمان از حالت تقارن خارج شود و این به ما کمک می‌کند تا فاصله، سرعت سیاهچاله و جرم آنها را به دست آورد. مدت زمانی که طول می‌کشد نور ستاره بر اثر نزدیک شدن به سیاهچاله مانند عدسی عمل کرده و نور ستاره را تقویت کند در مورد اجرام مختلف متفاوت است.

اندازه لنز تابعی است از جرم و فاصله. اگر شما یک عدسی اپتیکی داشته باشید، اندازه و ابعاد مشخصی دارد اما در مورد عدسی گرانشی که نور را خم می‌کند، اندازه مشخصی ندارد بلکه با دور و نزدیک بردن جرم (سیاهچاله) عدسی قوی‌تر یا ضعیف‌تر می‌شود. زمانی که عدسی به چشمه نور که یک ستاره است، نزدیک‌تر شود عدسی کوچک‌تر شده و زمانی که از آن دورتر شود، عدسی بزرگ‌تر خواهد شد. بنابراین وقتی همگرایی گرانشی اتفاق می‌افتد با استفاده از زمان گذر سیاهچاله یا همان دوره لنز و با استفاده از اثر اختلاف منظر که نتیجه چرخش زمین به دور خورشید است، می‌شود فاصله اجرام را محاسبه کرد.

چه زمانی محققان حدس می‌زنند احتمالا سیاهچاله‌ای پیدا کرده‌اند؟

 اگر بازه زمانی همگرایی گرانشی طولانی باشد، می‌تواند نشان دهد جرم سیاهچاله زیاد است. در مواردی که همگرایی گرانشی با دوره زمان طولانی رخ می‌دهد، احتمال این که در آن ناحیه سیاهچاله‌ای وجود داشته باشد، بیشتر می‌شود. وقتی لنز گرانشی و ستاره چشمه (ستاره‌ای که نورش در گذر از کنار سیاهچاله خمیده شده است) همراستا با دید ما باشد، نور ستاره که پشت عدسی است بیشتر شده و به این ترتیب آسان‌تر قابل تشخیص هستند. پس طول دوره لنز و همراستا بودن همگرایی گرانشی با دید ناظر می‌تواند به محاسبه دقیق‌تر جرم و فاصله کمک کند.

در این پژوهش از داده‌های چه تلسکوپ‌هایی استفاده شد؟

پژوهشی که ما انجام می‌دهیم از سال 2008 آغاز شده و هدفش یافتن سیاره‌های فراخورشیدی با روش همگرایی گرانشی بود.

یکی از تلسکوپ‌های مورد استفاده در این پژوهش تلسکوپ 1.5 متری در شیلی است. در سال 2011 این مورد همگرایی گرانشی را به همراه گروه‌های دیگر مشاهده کردیم و بعد برای مدتی آن را بررسی و دنبال کردیم. در یکی از پژوهش‌هایی که سال‌های قبل انجام دادیم توانستیم برای مجموعه دیگری از رویدادها با تلسکوپ «اسپیتزر» که به دور خورشید می‌چرخد و تلسکوپ‌های زمینی و روش اختلاف منظر، همگرایی گرانشی دیگری را شناسایی و بررسی کنیم.

ما همین روش را برای داده‌هایی که از تلسکوپ فضایی گایا گرفتیم به کار بردیم و در نهایت تعدادی سیاهچاله منفرد هم شناسایی کردیم اما از آنجا که تلسکوپ فضایی ‌هابل از دقت بالایی در اختر سنجی برخوردار است به داده‌ها و نتایج پژوهشی که با هابل به دست آمد بیشتر توجه شده است.

درباره سیاهچاله منفرد کشف شده چه چیزهایی می‌دانیم؟

سرعت حرکت این سیاهچاله 40کیلومتر بر ثانیه است که نسبت به بقیه ستاره‌های معمولی کهکشان راه شیری زیاد به حساب می‌آید. این نشان می‌دهد احتمالا انفجار ابر‌نواختری که به تشکیل این سیاهچاله منجر شده، نامتقارن بوده و در نتیجه در یک سمت ستاره پرتاب جرم بیشتری داشته و ضربه و تکانه زیادی به ستاره وارد آمده است. همین امر زمینه‌ساز سرعت بالای آن شده است. سرعتی که برای ستاره‌های مشابه انتظار داریم حدود 20کیلومتر بر ثانیه است در حالی که سرعت این جرم دو برابر ستاره‌های دیگر است.

جرم برای این سیاهچاله که همانند عدسی عمل کرده حدود هفت برابر جرم خورشید به دست آمد که عدد نسبتا بزرگی است. اگر برای چند سال این رصد را انجام دهیم، خواهیم دید دوره لنز تمام شده و عدسی از چشمه ستاره‌ها‌ی تفکیک شده است اما این پدیده با تلسکوپ‌های زمینی قابل مشاهده نیست و باید حتما از طریق تلسکوپ فضایی هابل رصد شود.

کشف سیاهچاله‌های منفرد چه تأثیری بر مطالعات آینده اخترفیزیک و کیهان‌شناسی دارد؟ 

پیداکردن سیاهچاله‌ها تنها باعث می‌شود شناخت ما از تحول ستاره‌ها بیشتر شود. از طرفی به اثر همگرایی گرانشی در یافتن سیارهای‌ فراخورشیدی کمک می‌کند. پیداکردن سیاره فراخورشیدی‌ای که زیست پذیر باشد در حد یک انقلاب علمی‌خواهد بود، زیرا نشان می‌دهد زمین تنها سیاره قابل سکونت در کیهان نیست. از سوی دیگر، اگر در دوره لنز کار طیف سنجی انجام شود یک انتقال به سرخ بسیار کوچک مشاهده خواهد شد که می‌تواند مستقیم سرعت حرکت عدسی را به دست بدهد، این کار در محاسبه سرعت ستاره‌ها مؤثر است. انجام طیف‌سنجی با دقت لازم در کنار نورسنجی (Photometry) می‌تواند سرعت این عدسی‌ها را به دست آورد.

سیاهچاله‌های منفرد چرخش هم دارند؟

این سیاهچاله‌ها ممکن است چرخش هم داشته باشند. با روش نورسنجی دقیق می‌شود چرخش سیاهچاله را تشخیص داد.

سیاهچاله‌های منفرد چطور شناسایی می‌شوند؟

جرم ستارگان می‌تواند سرنوشت آنها را تعیین کند. ستاره‌هایی که پر جرم‌تر هستند زندگی پرحادثه‌تری دارند به این معنا که در پایان زندگی خود دچار انفجارهای مهیبی می‌شوند که مرگ متفاوتی را برایشان رقم می‌زند.

به این انفجارها «نواختر» یا «ابر نواختر» گفته می‌شود و پس از آن متناسب با این که جرم ستاره در چه محدوده‌ای قرار دارد، باقی‌مانده آن می‌تواند به ستاره نوترونی یا سیاهچاله تبدیل شود. سیاهچاله‌ها، ستاره‌های سنگین‌وزنی هستند که تمام سوخت خود را سوزانده‌اند و بر اثر بر هم خوردن تعادل نیروهای گرانشی و فشار ناشی از تابش، انفجاری را از سر گذرانده‌اند.

پس از انفجار، بخش‌هایی از ماده ستاره‌ای به فضا پرتاب شده و چون جرم باقی‌مانده، سوختی برای سوزاندن ندارد تابش هم نخواهد داشت. طی فرآیندهایی که در ستاره رخ می‌دهد، جرم در حجمی‌کوچک فشرده و فشرده‌تر شده و همین باعث قوی‌ترشدن گرانش می‌شود.

گرانش بسیار بالای سیاهچاله‌ها انحنایی در ساختار فضا زمان ایجاد می‌کند که باعث شده نور ستاره‌های اطراف خم شود. جالب این که خود سیاهچاله هم به‌دلیل تمام شدن سوخت و نداشتن واکنش هسته‌ای نه‌فقط در محدوده نور مرئی بلکه در هیچ یک از طول موج‌های طیف الکترومغناطیس تابش نخواهد داشت.

روش رایج برای شناسایی سیاهچاله‌ها

راه آشکارسازی این ستاره‌های چگال زمانی است که در حال کشیدن مواد از ستاره‌های نزدیک خود هستند. بسیاری از ستاره‌های موجود در فضا در سیستم‌های ستاره‌ای دو یا چندتایی قرار دارند و به دور یک مرکز مشترک می‌چرخند. اگر یکی از ستاره‌های این سیستم‌ها سیاهچاله باشد به دلیل جاذبه بسیار زیادش می‌تواند مواد ستاره دیگر را به سمت خود بکشد.

این مواد زمانی که به سمت سیاهچاله می‌آیند و روی سطح آن می‌ریزند، پرتوهای پر انرژی ایکس منتشر می‌کنند که با برخی تلسکوپ‌ها قابل آشکارسازی است اما این روش فقط زمانی کاربرد دارد که سیاهچاله عضو منظومه‌ای با چند ستاره باشد.

عدسی گرانشی چیست؟

پدیده عدسی گرانشی، لنز گرانشی یا همگرایی گرانشی زمانی به وجود می‌آید که نور رسیده از یک منبع دوردست به ناظر در میان راه از کنار جسم دیگری عبور کند.

نور منبع دوردست در میدان گرانشی جسم میانی خمیده می‌شود و جسم میانی مانند یک عدسی گرانشی عمل می‌کند. هرچه جسم میانی جرم بیشتری داشته باشد، میدان گرانشی قوی‌تری خواهد داشت و نور را خمیده‌تر خواهد کرد. این پدیده از نتایج نظریه نسبیت عام اینشتین است.

مریم ملی - دانش روزنامه جام جم