سیاه چاله ها و ستاره های نیوترونی ؛ کلان جرم‌ترین و کم جرم‌ترین! 

کلان جرم ترین ستاره نیوترونی و کم جرم ترین سیاه چاله ها…

میخواهم یکی از جالب ترین سوال های دنیای نجوم را مطرح کنم! به نظر شما کلان جرم ترین ستاره نیوترونی چقدر جرم دارد؟ سبک ترین سیاه چاله چقدر جرم دارد؟ در تمام تاریخ نجوم بشر، یعنی از همان روزهای اول تا امروز، دانش ما نسبت به این دو موضوع خیلی محدود بوده است. جالب این جاست که سیاه چاله ها و ستاره های نیوترونی با یک مکانیسم شکل میگیرند.

یعنی فروپاشی هسته ستاره های بزرگ در اتفاقی که همه آنرا با نام سوپر نوا می شناسیم. این در حالی است که ستاره های نیوترونی کم ترین جرم و سیاه چاله ها بیشترین جرم را دارند. حالا می خواهم به هیجانی ترین قسمت داستان برسم. ستاره های نیوترونی در نهایت به جرمی به اندازه دو برابر خورشید می رسند. این در حالی است که کم جرم ترین سیاه چاله ها جرمی به اندازه 5 برابر خورشید دارند و تازه وقتی به چنین جرمی برسند قابل کشف می شوند.

اولین استفاده از تداخل سنج امواج گرانشی

در سال 2015 برای اولین بار از دو تداخل سنج برای بررسی دنیای تاریک کهکشان ها استفاده شد. بررسی دنیای نجوم با استفاده از این دو تداخل سنج امواج گرانشی به ما کمک کرد تا نوع و جرم ستاره های نیوترونی و سیاه چاله ها را بهتر درک کنیم. در واقع این دو تداخل سنج، امواج گرانشی که پیش و پس از تشکیل اجرامی مانند ستاره های نیوترونی و سیاه چاله ها ساطع می شوند را بررسی می کنند.

مطلب مرتبط: سمفونی هماهنگ سیاه چاله ها !!!! سیاه چاله هایی که به هم می پیوندند

پس ما دو دسته اطلاعات از این امواج گرانشی دریافت می کنیم. یکی جرم قبل از تشکیل ستاره های نیوترونی و سیاه چاله و دیگری جرم پس از تشکیل این دو است. اما در پازل تشکیل ستاره های نیوترونی و سیاه چاله ها هنوز تکه ای جا مانده است که ما نمی دانیم چیست. البته جای هیچ نگرانی نیست. تازه ترین اطلاعاتی که از بررسی 100 موج گرانشی به دست آمده نشان می دهد که در واقع اصلا چنین تکه گمشده ای وجود ندارد. حالا می خواهم از جزییات تشکیل ستاره های نیوترونی کم جرم و سیاه چاله های کلان جرم برایتان بگویم.

ستاره های نیوترونی چیستند؟

خب قبل از اینکه امواج گرانشی را کشف کنیم چیز زیادی از ستاره های نیوترونی و سیاه چاله ها نمی دانستیم. آن زمان می دانستیم که ستاره های نیوترونی کوچک و فشرده بوده و خیلی سریع می گردند و منبع امواج الکترومغناطیسی هستند. این امواج بیشتر در طول موج رادیویی بوده و وقتی به نزدیکی زمین می رسند ما می توانیم قطعات بسیار کوچکی از این امواج را دریافت کنیم.

مطلب مرتبط: ستاره ی رقصنده به دور سیاه چاله ؛ مهر تایید دوباره ای بر نسبیت انیشتین

اگر ستاره نیوترونی جوری بگردد که در هر بار گردشش امواج رادیویی به ما برسد ما آن ستاره را با نام ستاره نیوترونی ضربان دار می شناسیم. به واسطه همین امواج رادیویی توانستیم ستاره های نیوترونی ضربان داری دیگری را هم بشناسیم. ستاره هایی که روی هم به اندازه دو برابر جرم خورشید جرم داشتند. البته چنین کشف هایی با رکورد کشف ستاره ای نوترونی با جرم 14/2 برابر خورشید در سال 2019 شکسته شد. این ستاره ضربان دار نیوترونی کلان جرم ترین ستاره ضربان داری بود که تا به حال کشف کرده بودیم.

انواع سیاه چاله

در آن سوی سکه سیاه چاله ها بودند و ما توانسته بودیم دو مدل سیاه چاله کشف کنیم. اولین نوع، سیاه چاله ستاره وار است که با توجه به امواج الکترومغناطیسی که در سیستم دو تایی از خودش ساطع میکند و البته به هم پیوستنش به سیاه چاله ای دیگر کشفش کردیم. دومین نوع سیاه چاله کلان جرم است که معمولا در مرکز کهکشان ها قرار داشته و با توجه به امواجی که از خودش ساطع میکند و البته سرعت گردش اجرام دورش توانستیم کشفش کنیم.

متاسفانه سیاه چاله هایی که با این روش کشف کردیم یا خیلی خیلی بزرگند، مثلا جرمی به اندازه میلیون ها و تریلیون ها برابر خورشید دارند، یا اینکه خیلی کم جرمند مثلا 5 تا 20 برابر جرم خورشید. البته تعداد این سیاه چاله ها هم خیلی کم است. همین اتفاقات باعث شد بعضی ها به این نتیجه برسند که تکه ای از پازل جرمی در دنیای نجوم گم شده است. پس ما دو تکه از پازل را داشتیم. تکه حداکثر که در آن جرم سیاه چاله ها چیزی بیش از 20 برابر خورشید بود و تکه حداقل که در آن جرم سیاه چاله ها چیزی بین 2 تا 5 برابر جرم خورشید بود.

چرا بررسی به روش امواج گرانشی اینقدر مهم است؟

همین جا بود که ارزش بررسی فضا به روش امواج گرانشی مورد توجه قرار گرفت. چون در این روش فضاشناسان می توانستند حداقل و حداکثر جرم را با هم بررسی کنند. پس محققان دست بکار شدند و سیاه چاله های کلان جرم را در لوکیشن خودشان، و سیاه چاله های کم جرم تر را در لوکیشن خودشان بررسی کردند. این نکته را هم نباید فراموش کرد که اجرام کم جرم، خواه سیاه چاله خواه ستاره های نیوترونی، در فاصله نزدیک تری به ما هستند.

به همین خاطر ما امواج گرانشی شان را بهتر و بیشتر دریافت کرده و زمان بیشتری هم برای بررسی شان داریم. اما درست در آن روی سکه اجرام کلان جرم هستند که فاصله شان تا ما زیاد بوده و تنها مدارهای خارجی امواجشان به دست ما میرسد. پس زمان برای بررسی شان کمتر است. پس پایگاه های بررسی امواج گرانشی مانند لیگو باید به هر دو موج حساسیت داشته باشند تا بتوانند هم حداقل و هم حداکثر جرم را بررسی کنند. این یعنی همان مزیت بررسی به شیوه امواج گرانشی که پیش از این اشاره کردم.

اولین یافته های بررسی فضا به شیوه امواج گرانشی

سال 2015 بررسی به این شیوه شروع شد و روزها پس از آغاز پروژه اولین سیگنال ها دریافت شد. بلافاصله متوجه شدیم که این سیگنال ها اصلا شبیه به چیزی که پیش از این یافته بودیم نیستند. امواج از فاصله ای به اندازه یک میلیارد سال نوری به دستمان رسیدند و حاکی از آن بودند که دو سیاه چاله ستاره وار به هم می پیوندند. البته این دو سیاه چاله کلان جرم ترین سیاه چاله هایی بودند که تا به حال کشف کردیم. سیاه چاله هایی که با امواج ایکس کشف کرده بودیم جرمی به بزرگی 20 برابر خورشید داشتند اما سیاه چاله های ستاره واری که به روش بررسی امواج گرانشی کشف کردیم هر کدام جرمی برابر با 29 تا 36 جرم خرشیدی داشتند. پس از به هم پیوستن شان سیاه چاله ای با 62 جرم خورشیدی تشکیل می شد.

مطلب مرتبط: داستان ستاره ای که از کنار سیاه چاله ای گذشت…. 

3 جرم خورشیدی باقی مانده چه شده است؟

البته این را هم بگویم که 3 جرم خورشیدی باقی مانده تبدیل به انرژی امواجی شد که از این به هم پیوستن ساطع می شود. یعنی دقیقا همان مقدار انرژی که به ما کمک کرد این دو غول کلان جرم را با فاصله میلیاردها سال نوری کشف کنیم. همین اولین کشف به ما کمک کرد تا به این نتیجه برسیم که در واقع هیچ تکه گم شده ای از پازل جرمی در دنیای نجوم وجود ندارد. شاید روش کشف مان ایراد داشته و تنها چیزی را می دیدیم که ابزارمان برای مان ممکن می کرد. بررسی امواج گرانشی به ما کمک کرد تا برای اولین بار سیاه چاله هایی با این میزان جرم کشف شوند.

کشف سیاه چاله ها به روش قدیمی تر؛ اشعه ایکس

منطقی که فکر کنیم همه چیز با هم جور در میاید. ما پیش از این با امواج ایکس به دنبال پیدا کردن سیاه چاله ها بودیم. حالا میخواهم در مورد کشف سیاه چاله ها به روش بررسی امواج ایکس برایتان بنویسم.

اول اینکه امواج ایکس تنها از سیاه چاله هایی که خیلی به ما نزدیکند قابل کشف هستند. یعنی ما تا به حال تنها قادر به بررسی سیاه چاله های نزدیک بودیم. مثلا همان هایی که در کهکشان خودمان هستند.

دوم اینکه امواج ایکس بخشی از سیستم ستاره های کلان جرمی هستند که به دور سیاه چاله ها می گردند.

دانش محدود به علت ابزاری ناکارآمد

بله! درست حدس زده اید. درست به همین دلیل است که فقط می توانستیم سیاه چاله های کم جرم و ستاره های نیوترونی کلان جرم را کشف کنیم. چون سیاه چاله های نزدیک جرم کمی دارند و ستاره های کلان جرم به دورشان می گردند. ما هم با امواج ایکس فقط توان دسترسی به همین سیاه چاله ها را داشتیم. ناگفته نماند که ستاره هایی تازه متولد شده که جرم زیادی دارند بسیار کمند و اگر هم تشکیل شوند عمرشان خیلی کوتاه است. وقتی سیستم ستاره ای متشکل از چند ستاره تشکیل می شود همه نوع ستاره با جرم های مختلف در این سیستم وجود دارند. در این صورت منطقی به نظر می رسد که با اشعه ایکس، در حالی که دستمان تنها به منظومه و کهکشان خودمان می رسد، بتوانیم فقط ستاره های محدود و سیاه چاله های محدودی کشف کنیم.

این در حالی است که بررسی فضا به روش امواج گرانشی کهکشان را به ابعاد نامعلومی می گردد و نسبت به طول موج های مختلف حساس است. به خصوص نسبت به طول موج های ستاره ها و سیاه چاله های کلان جرم! جالب تر اینکه برای امواج گرانشی محدودیت زمانی وجود ندارد. یعنی حتی اجساد ستارگان که قرار است دور هم در سیستمی بگردند و در نهایت به سیاه چاله های ستاره وار تبدیل شوند هم با این روش قابل شناسایی هستند. علاوه بر این در روش گشتن با اشعه ایکس باید جریانی از امواج الکترومغناطیسی در کار باشد اما روش امواج گرانشی این امکان را میدهد که با تک سیگنال هایی که از فضای دور می آیند سیاه چاله ها و ستاره های کلان جرم را تشخیص داد.

همجنین بخوانید: قبل از بیگ بنگ چه چیزی وجود داشته است؟ 

تفاوت در جرم موجب تفاوت در سیگنال می شود

هر چه ستاره یا سیاه چاله کلان جرم تر باشد، فرکانس سیگنال ها بالاتر بوده و از فاصله های خیلی دور قابل تشخیص است. پس بررسی امواج گرانشی لیگو و ویرگو متخصص گشتن فضا به دنبال سیاه چاله و ستاره های کلان جرم هستند. البته حتی این روش هم محدودیتی دارد. یعنی حداکثر امواجی که از جرم هایی به اندازه 100 برابر خورشید میایند قابل شناسایی اند.

تا به حال 100 سیاه چاله کلان جرم را به این روش شناسایی کرده و به نظر می رسد تعداد سیاه چاله های بیشتری با جرم 20 تا 100 برابر خورشید آن بیرون منتظر ما باشند. البته هیچ تکه گمشده جرمی هم بین این سیاه چاله ها نبوده و نیست. پس از 20 برابر گرفته تا 100 برابر همه جور سیاه چاله ای در فضای بیکران هست.

سیاه چاله های کم جرم چه می شوند؟

حالا ممکن است این سوال برایتان پیش بیاید که چه اتفاقی برای سیاه چاله های با جرم 2 تا 5 جرم خورشیدی می افتد؟ خب از این جای کار به بعد همه چیز جالب تر هم می شود. بررسی فضا با کمک امواج گرانشی سیاه چاله های کلان جرمی را نشانمان داد که به هم می پیوندند. در سال 2017 هم که رکوردها شکسته شد و بزرگترین سیاه چاله ها به فاصله 130 میلیون سال نوری به هم پیوستند. اما نکته این جاست که فقط یکی از این اکتشافات به گروه سایه چاله های 2 تا 5 برابر جرمی تعلق دارد.

همچنین بخوانید: در کدام کهکشان احتمال وجود حیات هوشمند بیشتر است؟

کهکشان NGC4993 منبع الهام محققان

برمیگردیم به کشف بزرگ سال 2017!  برای اولین بار بود که به هم پیوستن دو ستاره کلان جرم نیوترونی را با فاصله چند ثانیه می دیدیم. کمتر از 2 ثانیه پس از کشف امواج به هم پیوستن، امواج گاما رویت شدند. پس از آن تا هفته ها توجه تمام تحقیقات به سمت کهکشان NGC4993 بود که این کشف در آن اتفاق افتاده بود. گویی همه در پی دیدن دوباره این اتفاق نادر بودند. حالا چرا ؟ چون این اولین بار بود که آمیختن دو ستاره نیوترونی را می دیدیم و چنین کشفی نه تنها در مورد چگونگی این به هم پیوستن به ما اطلاعات می دهد بلکه جای خالی پازل را هم پر می کند.

محدودیت جرم برای ستاره های نیوترونی

از این کشف بزرگ به این نتیجه رسیدیدم که همان طور که برای ستاره های سفید کوتوله محدودیت افزایش جرم وجود دارد، برای ستاره های نیوترونی هم این محدودیت وجود دارد. یعنی وقتی این دو ساختار به محدودیت جرم می رسند اتم های هسته شان منفجر شده و سوپر نوا اتفاق می افتد. به عبارت دیگر وقتی جرم به حداکثر رسید میزان نیروی بین اتمی برای نگه داشتن اتم های ستاره نیوترونی در کنار هم کافی نبوده، مرکز منفجر شده ستاره میمیرد و سیاه چاله متولد می شود.

میزان گردش در عمر ستاره های نیوترونی موثر است

البته این را هم بگویم که تنها جرم عامل تعیین کننده نیست، میزان گردش هم خیلی موثر است. در تئوری به این نتیجه رسیده ایم که ستاره نیوترونی که گردش نمیکند می تواند به جرمی به اندازه 5/2 برابر خورشید برسد و بعد منفجر شود و به سیاه چاله تبدیل شود. این در حالی است که ستاره نیوترونی گردنده می تواند به جرم 7/2 یا 8/2 برابر خورشید هم برسد. البته هنوز نکته مهم دیگری هم برای گفتن هست. جرمی که غیر متوازن باشد اما به تعادل هیدرواستاتیکی نرسیده باشد امواج انرژی از خودش ساطع می کند. البته تا زمانی که به تعادل هیدرواستاتیکی برسد! خروج این امواج انرژی به صورت خود قفل شونده است. یعنی در لحظات اول خیلی زیاد و هر چه به تعادل هیدرواستاتیکی نزدیک تر شویم کمتر می شود تا جاییکه افت زیادی کرده و کلا از بین می رود.

مرتبط: در مورد جهان هستی چه می دانیم؟ رازها و افسانه ها 

جمع بندی رویداد 17 آگوست 2017

خب حالا می خواهیم تمام اطلاعات به دست آمده از رویداد 17 آگوست 2017 را دسته بندی کنیم. آن دو ستاره نیوترونی غول پیکر یکی جرمی به اندازه خورشید داشته و دیگری کمی بزرگتر بود. این دو با هم ادغام شدند و جرمی به بزرگی 7/2 تا 8/2 برابر خورشید را تشکیل دادند. در لحظات اول جرم تشکیل شده هنوز ستاره نیوترونی بود اما تنها چند میلی ثانیه بعد منفجر شده و به سیاه چاله تبدیل شد.

البته در سال های بعد از این اتفاق هم شامل آمیختن دو ستاره نیوترونی کلان جرم دیگر هم بودیم. ستارگانی که از به هم آمیخته شدنشان جرمی به اندازه 3 تا 4 برابر خورشید به وجود آمد. هیچ نیروی الکترومغناطیسی متضادی هم رویت نشد و این آمیختگی هم در نهایت به سیاه چاله بدل شد. اما حالا میدان برای جای خالی دیگری پر شده است. حالا سوال مان این است که چه اتفاقی برای این سیاه چاله هایی 5/2 تا 5 برابر جرم خورشیدی می افتد؟ چرا این سیاه چاله ها را در هیچ جریان آمیختگی نمی بینیم؟ پس هنوز هم با تمام کشف های مان جاهای خالی و سوالات بی پاسخ زیادی هست.

درصد آمیختگی سیاه چاله ها به جرمشان بستگی دارد

البته با یافته های اخیر بررسی فضا به شیوه تداخل امواج گرانشی چیزهایی به دستمان رسیده و حدس هایی هم در این باره داریم. بر اساس فرضیه های مطرح شده درصد آمیختن در سیاه چاله هایی با جرم زیر 5 برابر جرم خورشید خیلی کمتر از درصد آمیختن سیاه چاله ها با جرمی بیشتر از این است. این تئوری با آمار و ارقام یافته هایمان در لیگو و ورگو هم جور در میاید. یعنی هر چه سیاه چاله ای کلان جرم تر باشد درصد آمیختنش هم بالاتر می رود و به همین دلیل است که امواج به دست آمده بیشتر اوقات حاکی از حضور سیاه چاله های کلان جرم غول پیکر هستند. پس باز هم به این نتیجه می رسیم که دلیلی برای فکر کردن به تکه گم شده از پازل نداریم. همه چیز مثل روز روشن است!

مطلب مرتبط: انفجار سیاه چاله ای : قدرتمند ترین انفجار سیاه چاله ای کشف شد!!!

هنوز هم ابزارمان کامل نیست!

خب از آنجاییکه تا آمیختن صورت نگیرد نشانه ای هم برای ما فرستاده نمی شود تا 4 سال قبل فکر می کردیم که کلا این سیاه چاله ها محو شده اند. ولی نکته این داستان دقیقا نکته همان داستان اشعه ایکس است. ابزار مار ما قادر به شناسایی فعالیت این سیاه چاله های کم جرم نیست. تا چند وقت قبل تصوراتی داشتیم و با پیشرفت مان حقیقت رو شد. شاید حالا هم با اطلاعاتی خام در حال برداشت هستیم. علم دروازه ای است که برای باز شدن نیاز به صبوری دارد. به امید یافته های هر چه بیشتر در دنیای علم!