سیاهچاله‌هایی که قرص برافزایشی‌ آنها می‌لنگد!

برداشت هنری (نقاشی) از قرص برافزایشی پیرامون یک سیاهچاله که در آن، منطقه‌ی درونی قرص می‌لنگد. این حرکت، حرکت پیشاینده یا تقدیمی نام دارد، یعنی جهتگیری مدار مواد پیرامون سیاهچاله به گرد جرم مرکزی تغییر می‌کند.
رصدخانه‌ی فضایی پرتو ایکس سازمان فضایی اروپا (XMM-نیوتن) وجود یک "گرداب گرانشی" پیرامون یک سیاهچاله را اثبات کرده است. این کشف که به کمک آرایه‌ی تلسکوپی طیف‌سنج هسته‌ای ناسا (نوستار، NuSTAR) انجام شده، گره از رازی می‌گشاید که بیش از ۳۰ سال دانشمندان را سر در گم ساخته بود، و به آنها اجازه می‌دهد تا از رفتار موادِ بسیار نزدیک به سیاهچاله‌ها نقشه بردارند. این یافته همچنین دری به روی بررسی‌های آینده درباره‌ی نسبیت عام اینشتین می‌گشاید.

مواد به هنگام فروکشیده شدن به سوی سیاهچاله‌ها داغ می‌شوند، تا جایی که پیش از فرورفتنِ ابدی در کام آن، دمایشان می‌تواند سر به میلیون‌ها درجه بزند. در چنین دمایی، پرتوهای X از مواد گسیل می‌شود.

در دهه‌ی ۱۹۸۰، اخترشناسان پیشرو با بهره از تلسکوپ‌های پرتو ایکسِ آن دوره دریافتند که پرتوهای ایکسی که از سیاهچاله‌های ستاره‌وارِ درون کهکشانمان می‌آید "چشمک می‌زند". این تغییرات نور با مجموعه‌ای از الگوها رخ می‌دهد. با آغاز چشمک، روند کاهش و افزایش نور ۱۰ ثانیه به درازا می‌انجامد. با گذشت روزها، هفته‌ها، و ماه‌ها، این بازه‌ی زمانی کوتاه‌تر می‌شود تا جایی که هر نوسان نور در ۰.۱ ثانیه رخ می‌دهد، یعنی در هر ثانیه ی۱۰ نوسان. سپس چشمک زدن ناگهان به کلی متوقف می‌شود.

این پدیده به نام "نوسان‌های دوره‌ای‌-وَش" یا QPO خوانده شدند. آدام اینگرام از دانشگاه آمستردام هلند که شناخت QPOها را برای پایان‌نامه‌ی دکتری خود آغاز کرد می‌گوید: «این پدیده بی‌درنگ به عنوان چیزی فریبنده شناسایی شد زیرا از جایی بسیار نزدیک به یک سیاهچاله می‌آمید.»

در دهه‌ی ۱۹۹۰، اخترشناسان کم کم به این پنداشت افتادند که QPOها مربوط به یک اثر گرانشی هستند که در نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده بود: این که یک جرم چرخان گونه‌ای گرداب گرانشی پدید می‌آورد.

اینگرام می‌گوید: «این کمی مانند چرخاندن یک قاشق در عسل است. تصویر کنید این عسل فضاست و هر چیزی که درون عسل است به درون گردابی که توسط قاشق چرخان درست شده کشیده می‌شود. این در واقعیت بدین معناست که هر چیزی که دور یک جرم چرخان می‌گردد، حرکتش از آن تاثیر می‌گیرد. اگر این مدار انحراف داشته باشد (کج باشد)، حرکتی پیشاینده (تقدیمی) خواهد داشت. یعنی جهت‌گیری کل مدار نسبت به جرم مرکزی تغییر خواهد کرد (مدارش خواهد لنگید). زمان هر دور جابجایی این مدار و بازگشت به شرایط آغازینش به نام یک چرخه‌ی حرکت پیشایان شناخته می‌شود.

در سال ۲۰۰۴، ناسا "کاوشگر گرانش بی" (GP-B) را برای سنجش این پدیده‌ که اثر "لنز-تیرینگ" نام دارد پیرامون زمین بپردازد. پس از بررسی‌هایی پرزحمت، دانشمندان تایید کردند که این فضاپیما باید در هر ۳۳ میلیون سال یک بار چرخه‌ی پیشایان را کامل کند.

ولی این پدیده پیرامون یک سیاهچاله به دلیل میدان گرانشی نیرومندترِ آن، بسیار چشمگیرتر است. کامل شدن چرخه‌ی پیشایان در آنجا تنها در حد چند ثانیه یا کمتر زمان می‌برد. این به اندازه‌ای به دوره‌های خود QPOها نزدیک است که اخترشناسان به یک پیوند میان آنها مشکوک شدند.

اینگرام با بررسی چیزی که برای قرص هموار مواد پیرامون یک سیاهچاله رخ می‌دهد، کار بر روی این مساله را آغاز کرد. این قرص که به نام "قرص برافزایشی" شناخته می‌شود جاییست که مواد در آن کم کم در چرخه‌ای مارپیچی به کام سیاهچاله فرو می‌روند. دانشمندان در گذشته نشان داده بودند که نزدیک یک سیاهچاله، قرص برافزایشیِ تخت پف می‌کند و به پلاسمای داغی تبدیل می‌شود که در آن، الکترون‌ها از اتم‌های میزبانشان جدا شده‌اند. این توده که به نام جریان داغ درونی خوانده می‌شود [تصویر را ببینید]، در مدت چند هفته و چند ماهی که به کام سیاهچاله فرو می‌رود اندازه‌اش هم کوچک‌تر می‌شود. اینگرام و همکارانش در سال ۲۰۰۹ پژوهشنامه‌‌ای را منتشر کرده بودند که می‌گفت QPO توسط حرکت پیشاینده‌ی لنز-تیرینگِ این جریان داغ پدید می‌آید. دلیلش هم اینست که هر چه جریان درونی کوچک‌تر می‌شود، به سیاهچاله هم نزدیک‌تر شده و در نتیجه چرخه‌ی پیشاینده‌ی لنز-تیرینگِ آن هم سریع‌تر می‌شود. پرسش این بود: چگونه آن را اثبات کنیم؟

اینگرام می‌گوید: «ما زمان بسیاری را صرف تلاش برای یافتن شواهدی گویا برای این رفتار کرده‌ایم.»

پاسخ اینست که جریان درونی دارد پرتوهایی پرانرژی می‌گسیلد که به مواد درون قرص برافزایشیِ پیرامون برخورد می‌کند و باعث می‌شود اتم‌های آهنِ درون قرص مانند یک چراغ فلورسنت بدرخشند. این آهن پرتوهای X را تنها در یک طول موج می‌گسیلند- که به عنوان "خط طیفی" شناخته می‌شود.

از آنجایی که قرص برافزایشی دارد می‌چرخد، خط طیفی آهن هم در اثر پدیده‌ی دوپلر تغییر می‌کند: سمتی از قرص که رو به ما می‌آید طیفش فشرده می‌شود (آبی‌گرایی یا انتقال به آبی) و سمتی که از ما دور می‌شود خط طیفی‌اش کش می‌آید (سرخگرایی یا انتقال به سرخ). اگر جریان درونی واقعا حرکت پیشایان داشته باشد، گاهی در سمت نزدیک‌شونده‌ی قرص می‌درخشد و گاهی در سمت دورشونده؛ و باعث می‌شود خط طیفی در طول یک چرخه‌ی پیشایان، به پس و پیش بلنگد.

دیدن این لنگش دیگر کار تلسکوپ XMM-نیوتن بود. اینگرام و همکارانش از آمستردام، کمبریج، ساوتهمپتون، و توکیو این تلسکوپ را برای یک رصد درازمدت که به آنها امکان مشاهده‌ی چندباره‌ی QPO را می‌داد به کار گرفتند. آنها سیاهچاله‌ی H 1743-322 را برگزیدند، سیاهچاله‌ای که در آن زمان یک QPO چهار-ثانیه‌ای را نشان می‌داد، و آن را با XMM-نیوتن به مدت ۲۶۰ هزار ثانیه زیر نظر گرفتند. آنان همچنین این کار را به مدت ۷۰ هزار ثانیه با رصدخانه‌ی پرتو X نوستار ناسا هم انجام دادند.

اینگرام می‌گوید: «توانایی انرژی-بالای نوستار بسیار مهم بود. نوستار لنگش خط طیفی آهن را تایید کرد، و افزون بر آن یک ویژگی به نام "گوژ بازتاب" (reflection hump) را هم در طیف دید که گواه دیگری بر حرکت پیشایان بود.»

این دانشمندان پس از یک فرآیند بررسی سخت و دقیق بر روی مجموع همه‌ی مشاهدات، دیدند که خط طیفی آهن به شیوه‌ای سازگار با پیش‌بینی نسبیت عام می‌لنگد. اینگرام می‌گوید: «ما داریم به طور مستقیم حرکت ماده در یک میدان گرانشی نیرومند نزدیک یک سیاهچاله را اندازه می‌گیریم.»

این نخستین بارست که اثر لنز-تیرینگ در یک میدان گرانشی نیرومند اندازه گرفته شده. این تکنیک به اخترشناسان امکان خواهد داد تا از مواد منطقه‌ی درونی قرص برافزایشیِ سیاهچاله ها نقشه بردارند. همچنین این یک ابزار پرقدرت برای آزمودن نسبیت عام به دانشمندان می‌دهد.

نظریه‌ی اینشین تا حد بسیاری در چنین میدان‌های گرانشی نیرومندی آزمایش نشده. بنابراین اگر اخترشناسان بتوانند فیزیک موادی که به درون سیاهچاله فرو کشیده می‌شود را بشناسند، می‌توانند از آن برای آزمودن پیش‌بینی‌های نسبیت عام به شیوه‌ای که تاکنون انجام نشده بهره ببرند- البته تنها در صورتی که حرکت ماده در قرص برافزایشی به طور کامل درک شود.

اینگرام می‌گوید: «اگر بتوانیم به ژرفای اختر فیزیک برسیم، واقعا خواهیم توانست نسبیت عام را هم بیازماییم.» یک انحراف از پیش‌بینی‌های نسبی عام چیزیست که اخترشناسان بسیاری از آن استقبال خواهند کرد [زیرا] نشانه‌ای از وجود یک نظریه‌ی ژرف‌تر از نسبیت برای گرانش خواهد بود.

تلسکوپ‌های بزرگ پرتو X در آینده می‌توانند در چنین جستجویی به دانشمندان کمک کنند زیرا نیرومندتر خواهند بود و می ‌توانند به گونه‌ی کارآمدتری پرتوهای X را گردآوری کنند. این به اخترشناسان امکان خواهد داد تا پدیده‌ی QPO را با جزییات بیشتری بررسی کنند. ولی تا آن زمان، اخترشناسان می‌توانند از همین که موفق شده‌اند نقش گرانش اینشتین پیرامون یک سیاهچاله را ببینند خرسند باشند.

نوربرت شارتل، دانشمند پروژه‌ی XMM-نیوتن در سازمان فضایی اروپا می‌گوید: «این یک پیروزی بزرگ است زیرا اطلاعات مربوط به زمان‌بندی و انرژی فوتون‌های پرتو X را در هم می‌آمیزد تا گره از راز ۳۰ ساله‌ی محیط پیرامون QPOها را بگشاید. توان XMM-نیوتن در گردآوری فوتون ابزاری برای این پژوهش بود.»

گزارش این یافته‌ها در ماهنامه‌ی انجمن سلطنتی اخترشناسی منتشر شده است.

-------------------------------------------------

تلگرام یک ستاره در هفت آسمان:

واژه نامه:
European Space Agency - X-ray - XMM-Newton - gravitational vortex - black hole - NASA - Nuclear Spectroscopic Telescope Array - NuSTAR - Albert Einstein - general relativity - stellar-mass black hole - Quasi Periodic Oscillation - QPO - Adam Ingram - University of Amsterdam - Netherlands - doctoral thesis - precession cycle - Gravity Probe B - Lense-Thirring effect - Earth - gravitational field - plasma - electron - atom - hot inner flow - Lense-Thirring precession - fluorescent - iron - wavelength - spectral line - Doppler effect - red shift - Amsterdam - Cambridge - Southampton - Tokyo - H 1743-322 - spectrum - reflection hump - photon - Norbert Schartel - ESA - Project Scientist - Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

منبع: nasa

0 دیدگاه شما:

Blogger template 'Browniac' by Ourblogtemplates.com 2008

بالای صفحه