سیاهچاله‌ها چگونه به اندازه کافی برای ادغام به هم نزدیک می‌شوند؟

* برخورد سیاهچاله‌ها به یکدیگر فرآیندی بسیار چالش‌برانگیز است، ولی می‌بینیم که رخ می‌دهد.

ادغام‌های سیاهچاله‌ایِ بسیاری که از راه ردیابیِ موج‌های گرانشی شناسایی شده‌اند نشان داده‌اند که سیاهچاله‌ها بسیار بیشتر از آنچه می‌پنداشتیم به هم برخورد می‌کنند. اکنون پژوهشی تازه راهی را برای ادغام سریع سیاهچاله‌ها پیشنهاد می‌کند: آنها باید در قرص برافزایشی یک ابرسیاهچاله‌ی همدم گرفتار شوند.

برداشت هنری از یک ابرسیاهچاله که با قرصی از گاز که یک سامانه‌ی دو-سیاهچاله‌ای هم در آنسسست در بر گرفته شده

از دید اخترفیزیکی، نزدیک کردن دو سیاهچاله به یکدیگر به نسبت آسان است. آنها یا در یک سامانه‌ی ستاره‌ای دوتایی به دنیا آمده و از آغاز با هم هستند، یا این که از شانس، در ژرفای فضای میان‌ستاره‌ای با یکدیگر روبرو می‌شوند. و همین که در مدار یکدیگر جای بگیرند، می‌توانند همین گونه بمانند و تا همیشه به گرد یکدیگر بچرخند.

اخترشناسان حتی پیش از ردیابی موج‌های گرانشی ناشی از ادغام سیاهچاله‌ها می‌دانستند که سیاهچاله‌های دوتایی که به گرد هم می‌چرخند سرانجام با پایانی مرگبار روبرو می‌شوند. می‌دانیم که کهکشان‌های بزرگ در پی انبوه ادغام چندین کهکشان ماهواره‌ای رشد می‌کنند؛ و تقریبا هر کهکشان در کیهان هم میزبان یک سیاهچاله‌ی غول‌پیکر در مرکز خود است. ولی به طور معمول، هر کهکشان تنها یک ابرسیاهچاله دارد و این به ما می‌گوید که اگر کهکشان‌ها با هم ادغام شوند، سیاهچاله‌هایشان نیز باید با هم ادغام شوند.

ولی برخورد دادن سیاهچاله‌ها به یکدیگر کاری بسیار چالش‌برانگیز است. برای نزدیک کردنِ دو جرمی که دور هم می‌چرخند، باید انرژی و تکانه‌ی زاویه‌ای را از سامانه‌ی آنها بیرون بکشید. از آنجایی که فضا تقریبا بی‌صطکاک است، این کاری دشوار خواهد بود. سامانه‌های سیاره‌ای همواره این کار را انجام می‌دهند، ولی این کارشان معمولا به همراه گسیلش پرتو یا وجود گاز است. سیاهچاله‌ها چنین گزینه‌ای ندارند.

موج‌های گرانشی می‌توانند انرژی و تکانه را از یک سامانه‌ی دوتایی بیرون بکشند، ولی چون موج‌های گرانشی بسیار ضعیفند، این فرآیند تنها زمانی خوب کار می‌کند که دو سیاهچاله از پیش بسیار به هم نزدیک باشند. این به نام "مساله‌ی پارسک پایانی" (final parsec problem) شناخته می‌شود و اخترشناسان از راه آن به دشواریِ نزدیک کردن سیاهچاله‌های دوتایی به یکدیگر، به اندازه‌ی کافی تا جایی که موج گرانشی بقیه‌ی کار را انجام دهد و و به ادغام دامن بزند پی برده‌اند.

حل مساله‌ی پارسک پایانی
در گذر سالیان، اخترشناس‌ها راه‌های گوناگونی را برای حل مساله‌ی پارسک پایانی ارایه کرده‌اند. این سازوکارها (مکانیزم‌ها) معمولا دربردارنده‌ی یک جرم سوم، در جایی بسیار فراتر از مدارِ دوسویه‌ی جفت دوتایی است. اگر شرایط مناسب باشد، با همترازی‌ها و سرعت‌های مناسب، همدم سوم می‌تواند آرام آرام بر آن دوتایی کشش وارد کرده و مدارشان را رو به بیرون بکشد. این کشیدگی باعث تخت و بیضی‌تر شدن مدار سیاهچاله‌های دوتایی می‌شود. با افزایشِ تخت‌شدگیِ مدار، سیاهچاله‌ها هم کم کم زمان بیشتری را نزدیک به هم می‌گذرانند، تا جایی که به یک نقطه‌ی بحرانی می‌رسند و اینجاست که دیگر موج‌های گرانشی شکاف را می‌بندند و سیاهچاله ها سرانجام با هم ادغام می‌شوند.

ولی این سناریو نیاز به یک پیکره‌بندی دقیق برای همدم سوم دارد و تازه شاید بسنده هم نباشد. اخترشناسان بر پایه‌ی همه‌ی مشاهدات موج‌های گرانشی برآورد می‌کنند که در هر سال، چیزی میان ۱۵ تا ۳۸ ادغام سیاهچاله‌ای در هر گیگاپارسک مکعب از حجم کیهان رخ می‌دهد (حدود ۱/۱۲۰۰۰م حجم کل کیهان دیدارپذیر). و کمتر از نصف این ادغام‌ها ستاورد سازوکارهایی‌ست که بر یک همدم سوم تکیه دارند.

در پژوهشنامه‌ی تازه‌ای که در پایگاه داده‌ی پیش‌چاپ arXiv منتشر شده، پژهشگران راهی تازه را برای ادغام سیاهچاله‌ها پیشنهاد کرده‌اند. این روش هم از یک سامان‌بندیِ تا اندازه‌ای ویژه بهره می‌برد ولی بسیار عمومی‌تر از روشی‌ست که بر پایه‌ی یک همدم سوم دوردست است.

این سامان‌بندی از نزدیک یک ابرسیاهچاله (سیاهچاله‌ی ابرپرجرم) آغاز می‌شود. این پنداشت احمقانه‌ای نیست زیرا ابرسیاهچاله‌ها در مرکز کهکشان‌ها جای دارند، جایی که انباشته از ستارگان و بنابراین شمار بسیاری سیاهچاله‌ی کوچک‌تر است. مانند بسیاری از چیزهای نزدیک مرکز کهکشان، احتمالا می‌توانیم چندین سیاهچاله‌ی دوتایی را هم بیابیم که دارند  به گرد ابرسیاهچاله می‌گردند.

نویسندگان این پژوهش دریافته‌اند که اگر سامانه‌ی دوتایی نسبت به مدارش پیرامون برسیاهچاله کج باشد، شانسی برای راه‌اندازی یک ادغام وجود خواهد داشت. نخست، این جفت دوتایی باید پیشایان (precessed) باشد، یعنی حرکت تقدیمی داشته و محور  چرخش مداری‌اش با گذشت زمان بلنگد. اگر نرخ این پیشایندگی (precession) با دوره‌ی مداری پیرامون ابرسیاهچاله همخوانی داشته باشد، گرانش سهمگین ابرسیاهچاله به گونه‌ای منظم بر سامانه‌ی دوتایی کشش وارد کرده، باعث می‌شود برون‌مرکزیِ سامانه افزایش یابد و شانس یک ادغام پایانی را بالا ببرد.

ولی چنین همخوانی‌ای [همخوانی نرخ پیشایندگی سامانه‌ی دوتایی با دوره‌ی مداری‌شان به گرد ابرسیاهچاله] تنها زمانی می‌تواند رخ دهد که مدار سامانه‌ی دوتایی به گرد ابرسیاهچاله دقیقا درست و مناسب باشد. و این چیزی‌ست که نیاز به یک همرویدادی بسیار شانسی دارد. خوشبختانه، این پژوهشگران دریافتند که خود طبیعت می‌تواند از پس این برآید. سیاهچاله‌های دوتایی هر جایی که به دنیا بیایند، اگر در قرص ابرسیاهچاله باشند، آرام آرام به درون خواهند کوچید.

مدار آغازینشان هر چه باشد، در پایان فاصله‌ای را پیدا می کنند که در آن، دوره‌ی مداری‌شان با دوره‌ی پیشایندگی‌شان همخوانی خواهد داشت. اگر به اندازه‌ی کافی در این مدار بمانند، گرانش ابرسیاهچاله زمان کافی برای افزایش برون‌مرکزی آنها خواهد داشت.

پژوهشگران پی بردند که این یک سناریوی به نسبت عمومی است. آنها با انجام چندین شبیه‌سازی از ویژگی‌های سیاهچاله‌ها و شرایط آغازین دریافتند که سیاهچاله‌های دوتایی به طور معمول با هم ادغام می‌شوند.

هنوز روشن نیست که آیا این سازوکار اصلی برای رخ دادن ادغام‌های سیاهچاله‌ای‌ست یا تنها یکی از چندین راه است. هر چه باشد، این پژوهش نشان می‌دهد که زندگی سیاهچاله‌ها تا چه اندازه می‌تواند پیچیده باشد و چه راه‌های بسیاری برای رقصیدن در تاریکی دارند.

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

تلگرام، توییتر و فیسبوک یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies
twitter.com/1star_7sky
facebook.com/1star7sky

واژه نامه:

 black hole - gravitational wave - accretion disk - binary star system - galaxy - angular momentum - friction - planetary system - final parsec problem - ellipticity - observable universe - arXiv - supermassive black hole - star - precession - eccentricity

منبع: اسپیس دات کام

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان