بیگ بنگ: سیاهچاله‌ها پرجرم‌ترین اجرامی هستند که در کیهان می‌شناسیم، منظورمان “سیاه‌چاله‌های ستاره‌‌وار” یا “سیاهچاله‌های کلان‌جرم” نیست، بلکه “سیاه‌چاله‌های فوق کلان‌جرم” است.

به گزارش بیگ بنگ، سیاهچاله‌های فوق کلان‌جرم مانند سیاهچاله‌های کلان جرم در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند، اما بیش از پنج میلیارد جرم خورشیدی دارند که جرم شگفت‌آوری است. بزرگترین سیاهچاله‌ای که می‌شناسیم، فونیکس A است، یک سیاهچاله‌ی فوق کلان جرم با حداکثر 100 میلیارد جرم خورشید.

چگونه چیزی می‌تواند تا این حد بزرگ شود؟

سیاهچاله‌های فوق کلان جرم نادر و دست نیافتنی هستند و منشاء آنها نامشخص است. تیمی از اخترفیزیکدانان که روی این سوال کار می‌کنند، از شبیه‌سازی برای کشف شکل‌گیری این اجرام عظیم استفاده کردند. آنها منشاء سیاهچاله‌های فوق کلان جرم را تا دورۀ «ظهر کیهانی» جهان در حدود 10 تا 11 میلیارد سال پیش، ردیابی کردند.

مقاله‌ی آنها تحت عنوان «سیاهچاله‌های فوق کلان جرم تشکیل شده در اثر ادغام اختروش‌های سه گانه در z = 2» در مجله‌ی Astrophysical Journal Letters منتشر شده است. نویسنده اصلی، “یوئینگ نی” عضو فوق دکتری در مرکز اخترفیزیک/ هاروارد – اسمیتسونیان است.

“نی” گفت: «ما دریافتیم که یکی از کانال‌های احتمالی تشکیل سیاهچاله‌های فوق کلان جرم، ادغام شدید کهکشان‌های عظیم است که به احتمال زیاد در دورۀ «ظهر کیهانی» اتفاق می‌افتد.

“سیاهچاله‌های فوق کلان جرم” بسیار نادر هستند. ایجاد آنها در شبیه‌سازی‌های علمی نیازمند یک شبیه‌سازی عظیم و پیچیده است. اینجاست که آسترید(Astrid) وارد می‌شود. آسترید یک شبیه‌ساز هیدرودینامیکی کیهان در مقیاس بزرگ است که بر روی ابرکامپیوتری بنام Frontera در دانشگاه تگزاس- آستین اجرا شده است. این شبیه سازی مواردی مانند ماده تاریک، دما، فلزی بودن و هیدروژن خنثی را ردیابی می‌کند. شبیه‌سازی‌هایی مانند آسترید بر اساس تعداد ذرات موجود، رتبه‌بندی می‌شوند و آسترید در بالای این لیست قرار دارد.

این شکل بخشی از خروجی آسترید را نشان می‌دهد. مجموعه‌ای از پانل‌های بزرگنمایی شده (زوم شده) با یک هاله‌ی عظیم شروع می‌شود، سپس ستارگان در مرکز سیاهچاله‌ی کلان جرم قرار می‌گیرند، و پس از آن، مورفولوژی کهکشان‌های شبیه‌سازی شده قرار داده می‌شود.

“نی” نویسندۀ اصلی در بیانیه مطبوعاتی گفت: «هدف علمی آسترید مطالعه‌ی شکل‌گیری کهکشان‌ها، ادغام سیاه‌چاله‌های فوق کلان جرم و باز یونیده شدن در طول تاریخ کیهان است» (نی یکی از توسعه‌دهندگان آسترید است.) ابزار قدرتمندی مانند آسترید به یک ابرکامپیوتر قدرتمند نیاز دارد. خوشبختانه، دانشگاه تگزاس-آستین، قدرتمندترین ابرکامپیوتر دانشگاهی را در آمریکا دارد. «Frontera تنها ابرکامپیوتری است که ما آسترید را بر روی آن اجرا کردیم. او توضیح داد که این یک شبیه‌سازی خالص مبتنی بر Frontera است.

اخترشناسان می‌دانند که کهکشان‌ها از طریق ادغام‌، بزرگ می‌شوند و این احتمال وجود دارد که “سیاهچاله‌های کلان جرم” در همان زمان بزرگ‌تر شوند. با این حال “سیاهچاله‌های فوق کلان جرم” حتی حجیم‌تر و بسیار کمیاب‌تر هستند. اما پرسش اصلی این است که چگونه شکل می‌گیرند؟

“نی” افزود: «آنچه که ما پیدا کردیم سه “سیاهچاله‌ی فوق کلان جرم” بود که جرم خود را در دورۀ ظهر کیهانی جمع کردند، یعنی 11 میلیارد سال پیش که تشکیل ستاره، هسته‌های فعال کهکشانی(AGN) و سیاهچاله‌های فوق کلان جرم به طور کلی به اوج فعالیت خود رسیدند.»

“ظهر کیهانی” یک دورۀ زمانی مهم در تاریخ کیهان است. اخترشناسان فکر می‌کنند که نیمی از ستارگان در این دوره متولد شدند. این دوره مربوط به انتقال به سرخ z=2 به z=3 یا زمانی است که کیهان حدود 2 تا 3 میلیارد سال سن داشته است. در آن زمان، مقادیر زیادی گاز از محیط بین کهکشانی به کهکشان‌ها سرازیر شدند. به گفته محققان، کهکشان‌ها نیمی از جرم ستاره‌ای خود را در “ظهر کیهانی” تشکیل دادند. بنابراین جای تعجب ندارد که دانشمندان سه “سیاهچاله‌ی فوق کلان جرم” در این دوره پیدا کردند.

“نی” گفت: «در این دوره، ما یک ادغام شدید و نسبتاً سریع از سه کهکشان عظیم را مشاهده کردیم. جرم هر یک از کهکشان‌ها 10 برابر جرم کهکشان راه شیری خودمان است و یک سیاهچاله‌ی کلان جرم در مرکز هر کهکشان قرار دارد. یافته‌های ما این احتمال را نشان می‌دهد که این سامانه‌های سه‌گانه‌ی اختروش، مولد آن سیاهچاله‌های نادر کلان ‌جرم باشند، پس از آنکه این سه‌قلوها به صورت گرانشی برهم‌کنش کرده و با یکدیگر ادغام می‌شوند.»

نام اختروش‌ها گمراه کننده است. این به معنای یک جرم شبه ستاره‌ای است، اما این نام از زمانی نشات می‌گیرد که اخترشناسان می‌دانستند آنها چه هستند. اختروش‌ها زیرمجموعه‌ای از “هسته‌های فعال کهکشانی” هستند اما بسیار درخشان‌اند. درخشندگی ناشی از تمام موادی است که به سیاهچاله‌ی کلان جرم در مرکز یک کهکشان سقوط می‌کنند. بر اساس شبیه‌سازی، فرصت‌های سامانه‌های اختروش سه‌گانه برای ادغام و تشکیل سیاهچاله‌ی کلان جرم در عصر حاضر رو به کاهش است.

نمودار بالا نشان می‌دهد که چگونه تعداد اختروش‌ها (QSO = شی شبه ستاره‌ای) در طول زمان رو به کاهش رفته است. طبق این پژوهش تا پایان دورۀ ظهر کیهانی، تقریباً هیچ اختروش سه‌گانه‌ای وجود ندارد. خط خاکستری از مطالعه‌ی دیگری بدست آمده که تعداد اختروش‌ها را در جهان در طول زمان تخمین می‌زند و نتایج “آسترید” با آن تحقیق مطابقت دارد.

اخترفیزیکدانان حد بالایی جرم سیاهچاله‌ها را در حدود 50 میلیارد جرم خورشیدی تعیین کرده‌اند و سیاهچاله‌‌های فوق کلان جرم پس از ادغام به این حد نزدیک می‌شوند. اما محققان هشدار می‌دهند که شبیه‌سازی آسترید نسخه‌ای برای حد بالایی جدید برای جرم سیاهچاله نیست. علت این است که شبیه‌سازی‌ها، حتی شبیه‌سازی‌هایی به قدرتمندی آسترید، نمی‌توانند جزئیات فرآیندهای فیزیکی برافزایش سیاهچاله را در زیر مقیاس کیلوپارسک حل کنند. به هر حال آسترید یک شبیه‌سازی در مقیاس بزرگ است.

اما اگر شبیه‌سازی درست باشد، خوشه‌های کهکشانی عظیم در کیهان محلی ممکن است میزبان سیاهچاله‌های فوق کلان جرم به اندازه‌ی نمونه‌ی موجود در شبیه‌سازی شوند. اگر این کار را انجام دهند، احتمالاً جرم خود را از طریق ادغام کهکشان‌های کلان جرم در طول ظهر کیهانی جمع کرده‌اند.

طبق نتیجه‌گیری نویسندگان: «ما متوجه شدیم که سیاهچاله‌های فوق کلان جرم با جرم‌های بسیار کم‌تر از 50 میلیارد برابر جرم خورشید، می‌توانند در رویدادهای نادر ادغام کهکشان‌های کلان جرم متعدد در حوالی z ~ 2 تشکیل شوند، یعنی دوره‌ای که “تشکیل ستاره” و “هسته‌های فعال کهکشانی” به اوج فعالیت خود رسیدند.»

فقط مشاهدات بهتر می‌تواند این یافته‌ها را تایید کند. “تلسکوپ جیمز وب” برای کاوش در کیهان اولیه و کشف برخی از اسرار آن ساخته شده و مشاهداتش در حال انجام است. به گفته‌ی “نی” کار تیم با آسترید به جیمز وب کمک خواهد کرد. “نی” گفت: «ما در حال پیگیری مدلی از مشاهدات برای داده‌های جیمز وب از شبیه‌سازی آسترید هستیم.»

تلسکوپ‌های آینده از جمله تداخل سنج فضایی LISA ناسا نیز می‌توانند به کشف این موضوع کمک کنند. “نی” در پایان گفت: «علاوه بر این، رصدخانه‌ی امواج گرانشی آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری ناسا(LISA) مبتنی بر فضای آینده به ما درک بهتری از نحوه ادغام این سیاهچاله‌های عظیم و همچنین ساختار سلسله مراتبی، شکل‌گیری و ادغام‌های کهکشانی در طول تاریخ کیهان خواهد داد. این یک زمان هیجان‌انگیز برای اخترفیزیکدانان است و خوب است که شبیه‌سازی کنیم تا بتوانیم پیش‌بینی‌های نظری را برای آن مشاهدات انجام دهیم.»

ترجمه: سحر الله‌وردی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: universetoday.com