در قلب هر کهکشان غول پیکری ساختار ثابتی هست و آن ساختار ثابت چیزی نیست جر سیاه چاله ای کلان جرم. اما سیاه چاله های کلان جرم چگونه به وجود آمدند؟ در ادامه با مجله وارونه همراه باشید تا به این سوال پاسخ دهیم.
سیاه چاله های کلان جرم چگونه به وجود آمدند؟
ممکن است اندازه این سیاه چاله ها خیلی متفاوت باشد؛ از چند میلیون جرم خورشیدی بگیرید تا ده ها میلیارد جرم خورشیدی. در واقع این موتورهای کهکشانی بزرگترین چیزی هستند که بشر در فیزیک نجومی شناخته است. اگر از سیاه چاله ها می پرسید باید بگویم که این اجرام فضایی تاثیرات بسیار زیادی در فضای اطرافشان دارند. از ایجاد نیروی لازم برای کوازار ها و رنگ قرمز درخشان شان بگیرید تا هسته های فعال کهکشانی همه و همه تحت تاثیر انرژی بی حد و حصر سیاه چاله ها هستند. راحت تر بگویم؛ این سیاه چاله ها هستند که سرنوشت نهایی کهکشانی که میزبان شان است را تعیین خواهند کرد.
مطلب مرتبط: قطعه ی مفقود در مطالعه سیاه چاله ها؟ تلسکوپ میلیمتر آفریقا می تواند اسرار جدیدی را باز کند
راز تولد سیاه چاله ها
قبل از پاسخ به سوال سیاه چاله های کلان جرم چگونه به وجود آمدند؟ باید به این سوال پاسخ دهیم که اصلا سیاه چاله ها چطور به وجود میایند؟ برای اینکه به این سوال پاسخ دهم از یک داستان خیلی ساده و پیش افتاده به عنوان مثال استفاده میکنم. این داستان در مورد یکی از انواع سیاه چاله ها به نام “سیاه چاله ستاره وار” است. خب! داستان از این قرار است. ستاره های عظیم الجثه هم روزی به پایان زندگی شان می رسند. مرگ ستاره به یکی از دو صورت زیر خواهد بود. یا فروپاشی هسته ابرنواخترها یا فروپاشی کلی تمام ستاره!
اگر تمام ستاره به صورت مستقیم نابود شود سیاه چاله ای به بزرگی ده ها یا شاید هم هزاران برابر جرم آن ستاره متولد خواهد شد. اما نکته این جاست که سیاه چاله های خیلی بزرگ و خیلی قدیمی در هستی وجود دارند. بزرگی و عمر زیاد این سیاه چاله ها موجب می شود به این داستان فکر کنیم که در اوایل پیدایش هستی ستاره های غول آسایی بودند که چنین سیاه چاله های کلان جرمی در نتیجه پیدایششان به وجود بیایند؟سیاه چاله های کلان جرم چگونه به وجود آمدند؟
بیگ بنگ؛ پر از خالی
در آغاز بیگ بنگ داغ که همیشه از آن برایتان نوشته ام هیچ چیزی شبیه به سیاه چاله وجود نداشت. در واقع هیچ جرم غول پیکر، هیچ جرم نابود شده، و هیچ جرم متراکمی وجود نداشت که زمینه لازم برای تولید این ساختار را فراهم کند. تنها چیزی که در آن زمان وجود داشت خلا بی انتها بود. از مقیاس های کهکشانی بگیرید تا مقیاس های اتمی همه جا پر شده بود از “خالی”! اجرامی هم که رفته رفته متولد می شدند جرم متوسطی داشتند. یعنی آنقدر بزرگ نبودند که بتوانند موجب تولد سیاه چاله بشوند.
مطلب مرتبط: آغاز جهان چه بوده است؟ بیگ بنگ یا تورم کیهانی؟
بله! تا زمانی که اجرام سنگین تر فضا را اشغال نکرده بودند خبری ازسیاه چاله ها نبود. پس اول باید سیاره ها، ستاره ها، کهکشان ها و خوشه های کهکشانی متولد می شدند تا نوبت به پیدایش سیاه چاله ها می رسید. همان طور که مشخص است سپری شدن این پروسه خیلی خیلی زمان بر است. محققان مقیاس نوسانات جرم موجود در کهکشان ها را در زمان های خیلی خیلی دور بررسی کردند.
تراکم جرم موجود در فضا به طور متوسط از 0.003 درصد (حداکثر) تا 0.000001 درصد (حداقل) نوسان داشته است. این مقدار 0.015 درصد کمتر از جرم متوسط موجود در کهکشان است. پس از مقادیر بسیار بسیار کمی صحبت می کنیم و تا این جرم بسیار کم تبدیل به غولی به نام سیاه چاله شود صد ها یا شاید هم میلیون ها سال زمان لازم است. البته فکر میکنم این مقدار زمان برای تولد ستاره ها هم کافی نباشد، چه برسد به سیاه چاله ها!
مقایسه عمر ستارگان در بیگ بنگ و حالا
خوشبختانه این زمان جایی در گوشه ای از فضا بالاخره سپری شده و اولین ستاره متولد شد، پیر شد و زمان انفجارش فرا رسید. جاذبه موجبات انفجار ستاره غول پیکر داستانمان را فراهم آورد. البته در آن زمان مقدار هلیوم و هیدروژن خیلی کمتر از حالا بود. همین عامل موجب می شد ستاره ها در زمان مرگشان جرم بسیار بیشتری داشته باشند. برای مثال جرم متوسط ستاره ای که این روزها می میرد 40% جرم خورشید است. این در حالی است که ستاره ها در آن زمان به اندازه 10 برابر جرم خورشید می رسیدند و بعد می مردند.
تاثیر ادینگتون
ستاره ای که به جرمی به این اندازه می رسد عمر کوتاه تری دارد؛ مثلا در حد ده ها میلیون سال! پس بزرگ ترین ستاره ها در آن زمان چیزی در حدود صدها یا شاید هم هزاران برابر جرم خورشید بودند و عمرشان در نهایت به یک یا دو میلیون سال می رسید. پس از طی این زمان کوتاه به سیاه چاله تبدیل می شدند. کافی است یک ستاره به سیاه چاله تبدیل شود. آن وقت خودِ آن سیاه چاله تبدیل به بذری می شود و با جذب ماده در کوتاه ترین زمان ممکن رشد میکند و به غولی بسیار بزرگ تبدیل می شود. از این اثر با نام ” تاثیر ادینگتون” یاد می شود. با در نظر گرفتن اثر ادینگتون به این نتیجه می رسیم که بله! پس واقعا امکان دارد که سیاه چاله هایی با این بزرگی و سن زیاد وجود داشته باشند. البته هنوز تمام داستان را نمی دانید. چنین اثری تقریبا ممکن است نه کاملا…
مطلب مرتبط: آیا زندگی در اطراف سیاه چاله ها ممکن است؟
اثر ادینگتون با خودش اما و اگرهایی دارد. اما این به معنی نیست که رشد و تولد سیاه چاله ها با این روش کاملا غیر ممکن است. هنوز موضوع بسیار مهمی هست که نگفته ام. در ادامه اثر ادغام بر تولد ساختار های فوق بزرگ را با هم بررسی خواهیم کرد.تا به این جای کار می دانیم که اولین ستاره ها متولد شدند و مرگشان موجب تولد سیاه چاله ها شد و سپس سیاه چاله ها رشد کردند؛ البته نه به تنهایی…
ادغام کهکشان ها یعنی ادغام سیاه چاله ها
نباید این نکته را فراموش کرد که ستاره ها تک تک متولد نمی شوند. تولد ستاره ها به صورت خوشه ای و گروهی است. یعنی صدها یا شاید هم هزاران ستاره همزمان با هم تشکیل می شوند. پس تولد اولین ستاره یعنی تولد هزاران ستاره دیگر در اطرافش. هر چه از زمان تولد ستاره ها می گذشت، کهکشان بزرگ تر و جاذبه بیشتر می شد. خوشه های ستاره ای هم به هم می پیوستند و در نتیجه اولین اجرام کهشکان مانند متولد می شدند. رفته رفته کهکشان های واقعی به وجود آمدند.
در قلب هر کهکشانی هم سیاه چاله ای کوچک بود. از به هم پیوستن کهشکان ها، یعنی همان ادغام خودمان، و جذب مواد معلق در فضا، خواه بزرگ، خواه کوچک، سیاه چاله ها هم به هم می پیوستند. به عبارت دیگر، ادغام کهکشان ها یعنی به هم پیوستن سیاه چاله ها. دو جرم کهکشان مانند با دو سیاه چاله مجزا را در نظر بگیرید. این دو به هم می پیوندند و تبدیل به کهشکانی تمام عیار می شوند. در نتیجه ادغام شان، سیاه چاله هایی که در این کهکشان ها موجودند هم به هم پیوسته و سیاه چاله ای تمام عیار را به وجود می آورند.
حالا می رسیم به قسمت جالب ماجرا! اگر اینطور فرض کنیم که سیاه چاله های کوچک مرکز کهکشان ها با هر سن و اندازه ای به هم می پیوندند تئوری تشکیل سیاه چاله غول پیکر در ابتدای تشکیل هستی منطقی و ممکن می شود. اما اگر مشکلی جلوی ادغام کهکشان ها، به هم پیوستن شان و تشکیل سیاه چاله های غول پیکر را بگیرد، دیگر نمیتوان اینطور فرض کرد که در طی زمانی کم سیاه چاله ای با این عظمت تشکیل شده باشد. من هم مثله خیلی های دیگر فکر می کنم که بی مشکل بودن این پروسه خیلی عجیب و غریب است. شما هم مثله من و خیلی های دیگر فکر می کنید که تشکیل سیاه چاله با این شیوه، آنهم بدون هیچ مشکلی بعید است؟
مطلب مرتبط: ستاره ی رقصنده به دور سیاه چاله | مهر تایید دوباره ای بر نسبیت انیشتین
اصطکاک دینامیک
بیایید قدم به قدم این مسئله را بررسی کنیم. در مرحله اول وقتی کهکشان ها به هم می پیوندند. در این زمان خودِ کهکشان پر از گاز، غبار و ستاره هاست. البته در مرکزش سیاه چاله و البته ماده تاریک هم وجود دارد. سیاه چاله هایی که در مرکز دو کهکشان قرار دارند با نیروی جاذبه شان به هم نزدیک می شوند. در این میان جاذبه ماده تاریک را نباید فراموش کرد. گرانش ماده تاریک بر علیه گرانش دو سیاه چاله عمل کرده و سرعت حرکت شان به سمت هم را کند میکند. اما این دو سیاه چاله در هر صورت به هم نزدیک و نزدیک می شوند تا جاییکه به فاصله تقریبا 1 تا 10 سال نوری می رسند. این پدیده در دنیای نجوم اصطکاک دینامیک نام دارد و زمانی اتفاق می افتد که دو سیاه چاله به فاصله بسیار کمی در مقیاس نجومی دور هم می گردند.
مطلب مرتبط: ماده تاریک را بشناسید؛ ماده ای مرموز و هوشمند!
امواج ویرگو و لیگو
حالا می خواهم مرحله بعد را برایتان توضیح دهم. اما پیش از آن از یکی از بزرگ ترین کشف های سال های اخیر دنیای نجوم برایتان می نویسم. دو سیاه چاله که به هم بسیار نزدیکند و در حال ادغام هستند امواج گرانشی خاصی از خودشان بازتاب می کنند. این امواج را با نام “لیگو” و “ویرگو” می شناسیم. به عبارت دیگر هر وقت دو جرم بزرگ کهشکانی برای به هم پیوستن به دور یکدیگر می چرخند، امواج گرانشی شان که خیلی به هم نزدیک شده موجب خمیدگی آن فضا و تغییر در آن می شود.
مطلب مرتبط: سیاه چاله ای که از قوانین فیزیک تابعیت نمی کند!
این تغییر و خمیدگی در فضا خود موجب تغییر در امواجی گرانشی دو جرم سنگین می شود. این امواج موجود در فضا که با نام امواج گرانشی هم شناخته می شوند حامل انرژی هستند. انرژی این امواج به سمت خارج از دایره چرخش دو جرم سنگین حرکت کرده و با تخلیه انرژی دایره گردش حلزونی تنگ تر و در نهایت دو سیاه چاله به هم می پیوندند.هر دو سیاه چاله ای که به روش ادغام کهکشانی به هم می پیوندند به زمان لازم برای خروج این انرژی از طریق امواج گرانشی نیاز دارند. فاصله لازم برای چنین ادغامی چیزی در حدود 0.01 سال نوری است. یعنی دو سیاه چاله ای که از این فاصله بهم نزدیک تر بشوند با هم ادغام شده و دیگر یک سیاه چاله محسوب می شوند.
نزدیک شدن سیاه چاله ها کلید ادغامی موفق است
خب سال های سال است که داستان ادغام کهکشان ها و سیاه چاله هایشان را می دانیم. وقتی دو کهکشان با هم ادغام می شوند سیاه چاله ها به مرکز حرکت کرده و بصورت مارپیچی به دور هم می گردند. اصطکاک دینامیکی که بین دو سیاه چاله وجود دارد موجب خروج انرژی گرانشی به سمت خارج و ادغام می شود. یعنی اگر ستاره ها، گازها و غبار نبودند عملا ادغام رخ نمی داد.یک نکته دیگر هم هست. اگر دو سیاه چاله به اندازه کافی به هم نزدیک نشوند موج های انرژی گرانشی، اصطکاک دینامیکی ایجاد نمی کنند. پس نزدیک شدن سیاه چاله ها هم نکته ای کلیدی در ادغام است.
مشکل نهایی پارسک کجاست؟
این جا همان جایی است که مشکل نهایی پارسک اتفاق می افتد. یک تکه پازل این وسط خالی است. یعنی باید چیزی این وسط باشد که دو سیاه چاله را آنقدر به هم نزدیک کند که با هم ادغام شوند. خوشبختانه هدف من از نوشتن این متن پر کردن همین جای خالی است. در ادامه با من همراه باشید.فاکتورهای مهمی در کارند تا دو سیاه چاله را به نزدیک کنند. اول اینکه اجرام دیگری هم حضور دارند. مثلا ستاره ها، جرم های مرده کهشکانی، سیاره ها، ابرهای گازی، خوشه های کروی، پلاسمای معلق، ابرنواختر ها و خیلی خیلی چیزهای دیگر!
این اجرام به سمت مرکز کهکشان حرکت می کنند تا جاییکه به دو سیاه چاله در حال گردش می رسند. وقتی به سیاه چاله ها می رسند اتفاق جالبی می افتد که از آن با نام “آرامش تنشی” یاد می کنند. به نظر من که چنین کلمه ای مثال تمام نمایی از آرامش پس از طوفان خودمان است. حالا میخواهم این عبارت و معنای موجود در آن را خیلی دقیق بررسی کنم. وقتی چند جرم کهکشانی به هم می رسند و تحت تاثیر جاذبه هم قرار میگیرند جریانات زیر خواه ناخواه اتفاق خواهند افتاد.
جریانات ناگزیر در به هم پیوستن سیاه چاله ها
- اول اینکه جاذبه های اجرام با هم ارتباط برقرار خواهند کرد
- این ارتباط می تواند مانند ضربه ای اجرام را از هر دور کرده یا در سرعت شان تغییر ایجاد کند.
- کوچک ترین اجرام همان هایی هستند که بیشترین تغییر در حرکت را متحمل می شوند
- اجرام کوچک تر ممکن است وارد قسمت های دور تر کهکشان شوند یا اینکه به کل از کهکشان خارج شوند.
- جرمی که از کهکشان دور یا از آن خارج می شوند نیروی گرانشی اش را هم با خودش می برد. خروج نیروی گرانشی این اجرام کوچک موجب نزدیک تر شدن سایر اجرام خواهد شد.
آرامش تنشی یعنی…
پس آرامش تنشی یعنی آرامشی که پس از تنش اتفاق می افتد. تنش همان دور شدن و پرت شدن اجرام کوچکتر و آرامش نزدیک تر شدن و آرام گرفتن اجرام در کنار هم است. البته این را هم نباید فراموش کرد که “آرامش تنشی” بیشتر در بین سیستم های خوشه ای ستارگان اتفاق می افتد.
مرتبط: پایان جهان ؛ جهان چگونه نابود خواهد شد؟
فاکتورهایی که سیاه چاله ها را به هم نزدیک می کند
حالا برویم سراغ سایر فاکتورهایی که در ادغام سیاه چاله ها یا بهتر بگویم نزدیک تر شدن شان به هم موثر است. آرامش تنشی باید خیلی زود اتفاق افتاده باشد. یعنی درست زمانی که اولین سیاه چاله کلان جرم از ستاره ای متولد شد. به عبارت دیگر اگر این طور فرض کنیم که اولین خوشه ستاره ای تشکیل دهنده سیاه چاله بزرگ بوده باشد ، سیاه چاله تشکیل شده می توانست جرمی به بزرگی 10000 تا 1000000 برابر خورشید داشته باشد. آنهم خیلی قبل از اینکه کهکشان ها به هم بپیوندند.
تناسب یا عدم تناسب سیاه چاله ها
لازم به ذکر است که اثر ادینگتون محدودیتی هم دارد. یعنی سیاه چاله ها در بزرگ شدن و جذب اجرام به سمت خودشان محدودیت دارند. در واقع باید تناسب همگنی بین جرم سیاه چاله و سایر اجرام موجود در کهشکان باشد. این در حالی است که وقتی به دنیای اطراف نگاه می کنیم سیاه چاله های را می بینیم که با دنیای اطرافشان هیچ هارمونی در سایز ندارند. پس ادینگتون باید حد نرمال سوپری برای رشد سیاه چاله ها در نظر بگیرد.
کمادار آ؛ مهر تاییدی بر آرامش تنشی
در نهایت می خواهم به سیاه چاله موجود در قلب کهکشان خودمان، کماندار آ، اشاره کنم. با بررسی خیلی ساده می توان به این نتیجه رسید که امواج ایکس منتشر شده از این سیاه چاله در طول زمان دستخوش تغییر شده اند. یعنی گاهی آرام و گاهی هم بی تابانه تشعشع داشته اند. این یعنی ماده دائما به سیاه چاله وارد و از آن خارج می شود. وقتی ماده به سرعت بالاتری وارد می شود، نتیجه اش همان امواج الکترومغناطیسی می شود که ما می بینیم. اگر حالا این اتفاق می افتد یعنی به احتمال زیاد در گذشته هم اتفاق می افتاده. این موضوع می تواند مهر تاییدی بر فرضیه آرامش تنشی باشد. آرامش تنشی که به نوبه خود موجبات اصطکاک دینامیک را فراهم کرده و سیاه چاله را به هم پیوند می زند.
کلام آخر
سال های سال این طور تصور می کردیم که داستان سیاه چاله ها ساده و پیش پا افتاده است. ستاره ها متولد می شوند، میمیرند، تبدیل به سیاه چاله شده، بزرگ می شوند و در نهایت می شوند جرم غول پیکری که ما می شناسیم. اما با دانش امرزومان خیلی خوب می دانیم که چنین داستان ساده ای در کار نیست.
البته تشکیل سیاه چاله ها آنقدر که بعضی ها هم می گویند غیر ممکن نیست. با هم فاکتورهایی که می تواند موجب تولد سیاه چاله های غول پیکر شود را بررسی کردیم و به این نتیجه رسیدیم که واقعا چنین اتفاقاتی ممکن هستند! شناخت پروسه ادغام و سیاه چاله هایی که در کنار هم آرام می گیرند به ما کمک کرد که ثابت کنیم واقعا در طول مدت زمانی بسیار کم می شود غول هایی با این جرم متولد شوند.
البته هنوز تکه های زیادی از این پازل هست که گمشده مانده. اما حداقل حالا میدانیم که مشکل نهایی پارسک حل شده و تولد سیاه چاله ها ممکن است.
در ادامه بخوانید: در کدام کهکشان احتمال وجود حیات هوشمند بیشتر است!
