زمان‌بندی دقیق رقص دو سیاهچاله مشخص شد

0
1101

بیگ بنگ: دانشمندان بتازگی به زمان‌بندی دقیق رقص ِ پیچیدۀ بین دو سیاهچاله‌ی عظیم پی‌بردند، که جزئیاتِ پنهانی دربارۀ ویژگی‌های فیزیکی این اجرام را آشکار می‌سازد.

PIAبه گزارش بیگ بنگ، سیاهچاله‌ها در فضا بی‌حرکت نیستند، در حقیقت آن‌ها می‌توانند در حرکت‌هایشان بسیار فعال باشند. اما بدلیل اینکه، کاملاً تاریک هستند و به‌صورت مستقیم قابل رؤیت نیستند، مطالعه بر روی آن‌ها دشوار است. دانشمندان بالاخره به زمان‌بندی دقیقِ رقص پیچیده بین دو سیاهچالۀ عظیم پی‌بردند.

کهکشان OJ 287 میزبان دو سیاهچاله است، یکی از این سیاهچاله‌ها، بسیار عظیم است و جرمی بیش از ۱۸ میلیارد برابر خورشید ما دارد. سیاهچالۀ دیگر نیز تقریباً جرمی ۱۵۰ میلیون برابر خورشید دارد. در هر ۱۲ سال دو بار، سیاه‌چالۀ کوچک‌تر از میان دیسک عظیم گاز، در اطراف همراه بزرگ‌ترش عبور می‌کند، و تابشی از نور که از مجموع تریلیون‌ها ستاره روشن‌تر است، ایجاد می‌شود. این روشنایی حتی از کل کهکشان راه شیری درخشان‌تر است و نورش مربوط به ۳.۵ میلیارد سال ِ گذشته است، چون این سیستم ۳.۵ میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارد.

اما مدار سیاهچالۀ کوچک‌تر دایره‌ای نیست و بسیار نامنظم است؛ موقعیتش با هر بار گردش به دور سیاه‌چالۀ بزرگ‌تر تغییر می‌یابد و متناسب با دیسک گاز منحرف می‌شود. زمانی که سیاه‌چاله کوچک‌تر با برخورد از میان دیسک رد می‌شود، دو حبابِ در حال انبساط از گازِ داغ ایجاد می‌کند که در جهات مخالف از دیسک دور می‌شوند. در کمتر از ۴۸ ساعت به نظر می‌رسد که درخشندگی سیستم چهار برابر می‌شود.

a Artists impression of a binary black hole pair in OJ image courtesy Mauriبه دلیل مدار غیرعادی و بی‌نظم، سیاه‌چاله در هر گردش مدار ۱۲ ساله‌اش در زمان‌های متفاوت با دیسک گاز برخورد می‌کند. گاهی اوقات درخشش‌ها تنها به کوتاهی یک سال از هم نمایان می‌شوند و در سایر مواقع در فواصل ده ساله. تلاش‌ها برای مدل‌سازی از مدار و پیش‌بینی زمان روی دادن درخشش‌ها ده‌ها سال به طول انجامید اما در سال ۲۰۱۰، دانشمندان مدلی را طراحی کردند که می‌توانستند این رخداد را در حدود یک تا سه هفته قبل پیش‌بینی کنند. آن‌ها با پیش‌بینی آشکار شدن درخشش در ماه دسامبر سال ۲۰۱۵ در فاصله‌ای سه هفته‌ای، ثابت کردند که مدلشان صحیح ست.

سپس در سال ۲۰۱۸ گروهی از دانشمندان به سرپرستی لنکسوار دِی فارغ‌التحصیل از انستیتوی تاتا در پژوهش‌های بنیادین واقع در مومبای هندوستان، مقاله‌ای را منتشر کردند با مدلی که حتی جزئیات و دقت بیشتری داشت و به ادعای آن‌ها می‌توانست زمان‌بندی درخشش‌های آتی را در فاصله چهار ساعت پیش‌بینی کند. در مطالعه‌ای جدید، دانشمندان گزارش دادند که پیش‌بینی دقیقشان از درخششی که در ۳۱ جولای ۲۰۱۹ روی داده بود، تائید می‌کند که مدلشان درست است.

رصد این درخشش تقریباً انجام نشد، زیرا OJ 287 در سمت مخالف خورشید از زمین قرار داشت و از دید تلسکوپ‌ها روی زمین و مدار آن خارج بود. سیاه‌چاله تا اوایل ماه سپتامبر به میدان دید آن تلسکوپ‌ها بازنگشت که مدت‌زمانی طولانی پس از محو شدن درخشش بود. اما این سیستم در دید تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا بود که این سازمان در ژانویه سال ۲۰۲۰ بازنشسته‌اش کرد.

پس از ۱۶ سال فعالیت، مدار این فضاپیما آن را در فاصله‌ی ۲۵۴ میلیون کیلومتری از زمین قرار داده بود که بیش از ۶۰۰ برابر فاصلۀ زمین تا ماه است. از این دیدگاه، اسپیتزر می‌توانست سیستم را از ۳۱ جولای (همان روزی که انتظار می‌رفت درخشش نمایان شود) تا اوایل سپتامبر رصد کند، یعنی زمانی که این سیستم برای تلسکوپ‌های روی زمین قابل‌مشاهده می‌شد.

“سِپو لِین” یکی از دانشمندان که رصدهای تلسکوپ اسپیتزر از سیستم را نظارت کرد، گفت:«زمانی که اولین‌بار رؤیت پذیریِ OJ 287 را بررسی کردم، از پی‌بردن به اینکه دقیقاً روزی که زمان وقوع درخشش پیش‌بینی‌شدۀ بعدی بود برای تلسکوپ اسپیتزر قابل رؤیت است شوکه شدم. خیلی خوش‌شانس بودیم که می‌توانستیم اوج این درخشش را با اسپیتزر ثبت کنیم، زیرا هیچ وسیله‌ای توانایی دست‌یابی به این کار عظیم را در آن نقطۀ زمانی بخصوص نداشت.»

امواج در فضا

دانشمندان دائماً مدار اجرام کوچک در منظومه شمسی‌ را مدل‌سازی می‌کنند، مثل دنباله‌دارهایی که به دور خورشید می‌چرخند و عواملی را که تأثیر بسزایی روی حرکتشان دارند. برای دنباله‌دار، گرانش خورشید معمولاً نیروی غالب است، اما کشش گرانشی سیارات نزدیک هم می‌تواند مسیرش را تغییر دهد.

تعیین حرکت این دو سیاهچالۀ عظیم خیلی پیچیده‌تر است. دانشمندان باید عواملی را مد نظر قرار دهند که به شکلی آشکار روی اجرام کوچک‌تر تأثیری نداشته باشد. مهم‌ترین عامل چیز «امواج گرانشی» نام دارد. نظریه‌ نسبیت عام اینشتین، گرانش را بعنوان پیچ و تاب فضا توصیف می‌کند که توسط جرم یک شی توصیف می‌شود. زمانی که یک جرم در میان فضا حرکت می‌کند، این اعوجاج تبدیل به “امواج گرانشی” می‌شوند. اینشتین وجود امواج گرانشی را در سال ۱۹۱۶ پیش‌بینی کرد، اما تا سال ۲۰۱۵ رصد نشده بودند تا اینکه رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری(لیگو) این امواج را رصد کرد.

هرچه یک شی جرم بیشتری داشته باشد، امواج گرانشی‌ای که ایجاد می‌کند بزرگ‌تر و قوی‌تر هستند. در سیستم OJ 287، دانشمندان انتظار دارند امواج گرانشی آن‌قدر بزرگ باشند که انرژی کافی را به دور از سیستم برای تغییر قابل‌سنجش مدار سیاهچالۀ کوچک‌تر با خود حمل کنند، و بنابراین زمان‌بندی درخشش‌ها را ممکن سازند.

در حالی‌که مطالعات پیشین بر روی OJ 287 امواج گرانشی را به‌حساب آورده بود، تاکنون مدل سال ۲۰۱۸ دقیق‌ترین است. با به‌کارگیری اطلاعات جمع‌آوری‌شده از شناسایی‌های امواج گرانشی توسط لیگو، بازه زمانی‌ای که انتظار می‌رود درخشش در آن روی دهد به ۱ تا ½ روز بهبود می‌یابد.

برای بهبود پیش‌بینی‌ها از درخشش‌ها به تنها چهار ساعت، دانشمندان جزئیاتی دربارۀ خصوصیات فیزیکی سیاه‌چاله بزرگ‌تر را ترکیب کردند. به ویژه، مدل جدید چیزی را که قاعده‌ی “بی-مویی” از سیاهچاله‌ها نام دارد را در خود جای‌داده است.

این مطالعه در سال ۱۹۶۰ توسط گروهی از فیزیکدانان شامل “استیون هاوکینگ” منتشر شد، این قاعده دربارۀ ماهیت سطوح سیاه‌چاله پیش‌بینی‌هایی می‌کند. در حالی‌که سیاهچاله‌ها سطوح واقعی ندارند، دانشمندان می‌دانند که مرزی به دورِ آن‌ها هست که فرای آن هیچ‌چیز، حتی نور نیز نمی‌تواند فرار کند. این مرز «افق رویداد سیاهچاله» نام دارد، برخی نظریه‌ها تخمین می‌زنند که لبه‌ی بیرونی که “افق رویداد” نام دارد می‌تواند ناهموار یا بی‌قاعده باشد، اما قضیۀ بی-مویی فرض می‌کند که سطح سیاه‌چاله چنین ویژگی‌هایی و حتی مو ندارد (اسم این قاعده تنها یک شوخی بوده است).

به‌عبارت‌دیگر، اگر قرار باشد کسی سیاه‌چاله را از وسط در راستای محور چرخشش نصف کند، سطح آن متقارن خواهد بود (محور چرخش زمین تقریباً به‌صورت کامل با قطب‌های شمال و جنوبش در یک خط قرار دارد. اگر این سیاره را در راستای محورش دو نیم کنید و دو نیمه را مقایسه نمایید، خواهید دید که سیاره ما تقریباً متقارن است، اگرچه ویژگی‌هایی نظیر اقیانوس‌ها و کوه‌ها تغییراتی جزئی بین دو نیمه ایجاد خواهد کرد).

تقارن یافتن

در سال ۱۹۷۰، “کیپ تورن” پروفسورِ بازنشستهۀ کلتِک شرح داد که چگونه این سناریو (ماهواره‌ای که در مدار یک سیاهچاله‌ی پُرجرم می‌گردد) به شکلی بالقوه می‌تواند آشکار سازد که آیا سطح سیاه‌چاله هموار یا ناهموار است. با پیش‌بینی صحیح مدار سیاهچاله‌ی کوچک‌تر با دقت بالا، مدل جدید از قاعدۀ بی-مویی پشتیبانی می‌کند، یعنی درک بنیادی ما از این اجرام بسیار عجیب در کیهان صحیح است. به‌عبارتی‌دیگرسیستم OJ 287 ، از این ایده پشتیبانی می‌کند که سطوح سیاه‌چاله با محورهای چرخششان تقارن دارد.

پس چگونه همواری سطح سیاه‌چاله‌ای پُرجرم بر زمان‌بندی مدار سیاهچالۀ کوچک‌تر تأثیر می‌گذارد؟ عمدتاً این مدار با جرم سیاه‌چاله بزرگ‌تر تعیین می‌گردد. اگر سیاه‌چاله پُرجرم‌تر شود یا بخشی از سنگینی‌اش را از دست دهد، این اتفاق اندازۀ مدار سیاهچاله‌ی کوچک‌تر را تغییر خواهد داد. اما توزیع جرم نیز اهمیت دارد. برجستگی‌ای بزرگ در یک سوی سیاهچاله‌ی بزرگ‌تر فضای اطرافش را متفاوت از زمانی که سیاه‌چاله متقارن است، در هم می‌پیچاند. سپس این موضوع مسیر سیاهچالۀ کوچک‌تر را هنگام گردش در مدار سیاهچاله‌ همراه تغییر می‌دهد و به شکلی قابل‌سنجش زمان‌بندی برخورد سیاه‌چاله با دیسک گاز در آن مدار بخصوص را تغییر می‌دهد.

“مائوری والتونن”، اخترفیزیکدان در دانشگاه تورکو فنلاند و نویسندۀ همکار در مقاله، گفت:«برای دانشمندانی که بر روی سیاهچاله‌ها کار می‌کنند، اهمیت دارد که قاعده بی-مویی را اثبات یا رد کنیم. بدون آن ما اصلاً نمی‌توانیم از وجود سیاهچاله‌ها آن‌گونه که هاوکینگ و دیگران پیش‌بینی کرده‌اند، مطمئن باشیم.» جزئیات بیشتر این پژوهش در Astrophysical Journal Letters منتشر شده است.

ترجمه: حسین طریقی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencedaily.com



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.