سیاهچالهها از دیدگاه ستارهشناسان نیز اجرامی بهغایت عجیب و شگفتانگیزند. جرم آنها آنقدر زیاد است که فضا را در اطراف خود چنان بهشدت خم میکنند که هیچ چیز، حتی نور، نمیتواند از میدان گرانشی آنها بگریزد.
با این حال، با وجود این «سیاهی» مشهور، بعضی از سیاهچالهها کاملاً قابل مشاهدهاند. گاز و ستارههایی که این «جاروبرقیهای کهکشانی» میبلعند، پیش از سفر بیبازگشت به درون سیاهچاله، در قالب یک قرص درخشان پیرامون آن جمع میشوند. این قرص درخشان میتواند از کل یک کهکشان نیز نورانیتر باشد.
عجیبتر از آن این است که این سیاهچالهها چشمک میزنند. روشنایی قرصهای درخشان اطراف آنها میتواند از روزی به روز دیگر تغییر کند و هنوز هیچکس کاملاً مطمئن نیست چرا این اتفاق میافتد.
ما با استفادهی همزمان از برنامهی دفاع سیارکی ناسا (NASA) توانستیم بیش از ۵۰۰۰ عدد از سریعترین سیاهچالههای در حال رشد در آسمان را به مدت پنج سال رصد کنیم تا بفهمیم چرا این چشمکزدن رخ میدهد. در مقالهای که در ۲ فوریه ۲۰۲۳ در نشریه «نیچر اخترشناسی» (Nature Astronomy) منتشر شد، پاسخ دانشمندان منتشر شد: این پدیده نوعی آشفتگی (توربولانس) است که توسط اصطکاک و میدانهای گرانشی و مغناطیسی بسیار شدید ایجاد میشود.
محتوای زیر از زبان گروه علمی این مقاله میباشد و عبارت «ما» اشاره به نویسندگان و محققان آن دارد.
سیاهچالهها، ستارهخوارهای غولپیکر
ما در این پژوهش، سیاهچالههای کلانجرم یا «ابرپرجرم» را بررسی میکنیم؛ همانهایی که در مرکز کهکشانها قرار دارند و جرم آنها میتواند به اندازه میلیونها یا حتی میلیاردها خورشید باشد.
کهکشان خودمان، راه شیری، در مرکز خود یکی از همین غولها را دارد که جرمی حدود ۴ میلیون برابر جرم خورشید دارد. در بیشتر مواقع، حدود ۲۰۰ میلیارد ستارهای که بقیهی کهکشان (از جمله خورشید ما) را تشکیل میدهند، بهطور نسبتاً آرام در مدارهایی پیرامون این سیاهچالهی مرکزی میچرخند.
اما در همهی کهکشانها اوضاع اینقدر آرام نیست. وقتی دو کهکشان بر اثر گرانش یکدیگر را میکشند و بر هم اثر میگذارند، بسیاری از ستارهها ممکن است بیش از حد به سیاهچالهی مرکزی کهکشان خود نزدیک شوند. این ماجرا برای آن ستارهها بهخوبی تمام نمیشود: آنها تکهتکه شده و سرانجام بلعیده میشوند.
ما مطمئن هستیم که چنین اتفاقی در کهکشانهایی که سیاهچالههای مرکزیشان جرمی در حدود یک میلیارد خورشید دارند رخ داده است، چون بهسختی میتوانیم راه دیگری را برای رشد آنها تا این اندازهی عظیم تصور کنیم. ممکن است در گذشته در راه شیری خودمان نیز چنین رویدادهایی رخ داده باشد.
سیاهچالهها میتوانند به شکل آهستهتر و ملایمتری هم تغذیه کنند: یعنی با مکیدن ابرهای گازی که از ستارههای پیر موسوم به «غولهای سرخ» (Red Giants) خارج میشود.
سیاهچالهای که یک ستاره را میبلعد
این توالی تصویرسازی نشان میدهد که چگونه یک سیاهچاله میتواند یک ستارهی رهگذر را ببلعد:
- یک ستارهی معمولی از نزدیکی یک سیاهچالهی کلانجرم در مرکز یک کهکشان عبور میکند.
- سیاهچاله با میدان گرانشی خود لایههای بیرونی گاز ستاره را به سوی خود میکشد.
- نیروهای کشندی (Tidal Forces) ستاره را متلاشی کرده و آن را از هم میدرند.
- در نهایت، سیاهچاله باقیماندههای ستاره را به شکل حلقهای شبیه دونات در اطراف خود در میآورد. این مادهی حلقهای سرانجام به درون سیاهچاله مکیده خواهد شد و در این فرایند، مقدار عظیمی نور و پرتوهای پرانرژی آزاد میشود.
منبع: ناسا (NASA)، آژانس فضایی اروپا (ESA)، لیآه هستاک (LEAH HUSTAK – STScI)
زمان تغذیه سیاهچاله
در مطالعهی خود، ما بهطور ویژه به فرایند تغذیه در میان ۵۰۰۰ عدد از سریعترین سیاهچالههای در حال رشد در جهان نگاه کردیم.
در پژوهشهای پیشین، ما سیاهچالههایی را شناسایی کرده بودیم که «حریصترین» اشتها را دارند. در سال ۲۰۲۲، سیاهچالهای یافتیم که در هر ثانیه به اندازهی جرم یک «زمین» ماده میبلعد. در سال ۲۰۱۸ نیز سیاهچالهی دیگری را کشف کردیم که هر ۴۸ ساعت، جرمی معادل یک خورشید کامل را میخورد.
با این حال، دربارهی رفتار واقعی آنها هنگام تغذیه هنوز پرسشهای فراوانی داریم. میدانیم مادهای که در مسیر سقوط به درون سیاهچاله است، در قالب یک «قرص برافزایشی» (Accretion Disc) به دور آن مارپیچ میزند؛ این قرص میتواند آنقدر درخشان باشد که حتی از کل یک کهکشان نور بیشتری تولید کند. سیاهچالههایی که بهطور آشکار در حال تغذیه هستند و این قرصهای برافزایشی بسیار درخشان را دارند، «کوازار یا اختروَش» (Quasar) نامیده میشوند.
بیشتر این سیاهچالهها در فاصلههایی بسیار، بسیار دور قرار دارند؛ آنقدر دور که برای ما امکان دیدن جزئیات قرصهای اطرافشان وجود ندارد. ما از قرصهای برافزایشی پیرامون سیاهچالههای نزدیکتر، تصاویری در اختیار داریم.
پنج سال رصد سیاهچالههای چشمکزن
در یکی از تصویرسازیها، نوری که از یک سیاهچالهی کوچکتر (سمت چپ) میآید، در اطراف یک سیاهچالهی بزرگتر خم میشود و روی سمت دیگر آن، تصویری تقریباً آینهای ایجاد میکند. گرانش یک سیاهچاله میتواند بافت فضا را آنقدر خم کند که نوری که از نزدیکی آن عبور میکند، مسیر منحنی را دنبال کند.
این پدیده نشان میدهد که چگونه گرانش شدید سیاهچاله فضا–زمان را دگرگون میکند و حتی مسیر نور را کج میکند.
در تازهترین کار خود، ما از دادههای تلسکوپ «اطلس» (ATLAS) ناسا در هاوایی استفاده کردیم. این تلسکوپ هر شب (در صورت مساعد بودن هوا) کل آسمان را جاروب میکند و بهطور ویژه برای پایش سیارکهایی طراحی شده که ممکن است از تاریکی فضای بیرونی به سمت زمین نزدیک شوند.
اما این نقشهبرداری شبانهی تمام آسمان، یک مزیت جانبی هم دارد: این رصدها، هر شب یک ثبت نوری از درخشش سیاهچالههای گرسنهای که در پسزمینهی دوردست جهان قرار دارند، به ما میدهند. تیم ما برای هر یک از آن سیاهچالهها، یک «فیلم پنجساله» ساخت که تغییرات روزبهروز درخشندگی آنها را نشان میدهد؛ تغییراتی که ناشی از جوشش و غلیان و آشوب در قرص برافزایشی درخشان اطراف سیاهچاله است.
این چشمکزدن سیاهچالهها میتواند اطلاعات مهمی دربارهی قرصهای برافزایشی به ما بدهد.
در سال ۱۹۹۸، دو اخترفیزیکدان به نامهای استیون بالبس (Steven Balbus) و جان هاولی (John Hawley) نظریهای دربارهی «ناپایداریهای مغناطیسی-چرخشی» (Magneto-Rotational Instabilities) پیشنهاد کردند که توضیح میدهد چگونه میدانهای مغناطیسی میتوانند در قرصهای برافزایشی، آشفتگی (تلاطم) ایجاد کنند. اگر این نظریه درست باشد، قرصها باید به شکل الگوهای منظم خاصی «جوش» بخورند و بسوزند. بر این اساس، آنها باید به صورت الگوهای تصادفیِ خاصی چشمک بزنند که در طول چرخش قرصها آشکار میشود.
قرصهای بزرگتر، آرامتر میچرخند و چشمکزدن آنها کندتر است؛ در حالی که مدارهای فشردهتر و سریعتر در قرصهای کوچکتر، باعث چشمکزدن سریعتر میشود.
اما آیا قرصهای برافزایشی در دنیای واقعی، واقعاً تا این حد «ساده» رفتار میکنند و بدون پیچیدگیهای بیشتر، مطابق این پیشبینیها هستند؟ (البته اینکه کلمهی «ساده» را برای توصیف آشفتگی در محیطی فوقالعاده چگال، بیثبات و تحت میدانهای گرانشی و مغناطیسی شدید که در آن خودِ فضا تا مرز گسیختگی خم شده است، مناسب بدانیم یا نه، خود پرسشی جداگانه است!)
ما با استفاده از روشهای آماری، اندازهگیری کردیم که نور ساطعشده از این ۵۰۰۰ قرص برافزایشی در طول زمان تا چه حد سوسو میزند و نوسان میکند. الگوی چشمکزدن در هر یک از آنها تا حدی با دیگری متفاوت بود.
اما هنگامی که آنها را بر اساس اندازه، درخشندگی و رنگ مرتب کردیم، الگوهای جالبی پدیدار شد. ما توانستیم سرعت مداری هر قرص را تعیین کنیم — و وقتی «ساعت» خود را با سرعت چرخش همان قرص تنظیم کردیم، تمام الگوهای چشمکزدن شبیه هم به نظر رسیدن.
این رفتار همگانی و جهانی، دقیقاً همان چیزی است که نظریهی «ناپایداریهای مغناطیسی-چرخشی» پیشبینی میکند. این نتیجه برای ما اطمینانبخش بود؛ چون نشان میدهد این گردابهای ذهنبرانداز کیهانی، در عین شگفتانگیزی، از دید فیزیکی «ساده» هستند.
و این، درهای تازهای را میگشاید. ما فکر میکنیم تفاوتهای ظریفِ باقیمانده بین قرصهای برافزایشی، به این دلیل است که ما آنها را از زاویهها و جهتگیریهای مختلف میبینیم.
گام بعدی این است که این تفاوتهای ظریف را با دقت بیشتری بررسی کنیم و ببینیم آیا در آنها سرنخهایی برای تعیین جهتگیری (Orientation) سیاهچاله نهفته است یا نه. در نهایت، با این روش، اندازهگیریهای آیندهی ما از ویژگیهای سیاهچالهها میتواند حتی دقیقتر شود.
