دانشمندان برای اولین بار موفق به ثبت نور برخورد سیاه چاله ها شدند

برخورد سیاه چاله ها پدیده چندان غیر معمولی به شمار نمی‌رود، اما جالب است بدانیم که دانشمندان اخیرا برای اولین بار موفق به رصد نور این پدیده شگفت‌انگیز شدند.

به تازگی یک پدیده برخورد سیاه چاله ها در فاصله 7.5 میلیارد سال نوری از زمین، باعث پیدایش درخششی شده که رکورد جدیدی را در دنیای ستاره شناسی به جا گذاشته است. این اولین باری بوده که نور چنین برخورد توسط زمینیان کشف و ثبت می‌شود.

گفته شده که این دو سیاه چاله در داخل گردابی عظیم و فوق‌العاده داغ در اطراف یک سیاه چاله کلان جرم قرار داشته‌اند. این گرداب معمولا با نام قرص برافزایشی (accretion disk) شناخته می‌شود و در اطراف افق رویداد سیاه چاله قرار گرفته است. افق رویداد محدوده‌ای دور سیاه چاله بوده که به واسطه گرانش فوق‌العاده نیرومند این جرم آسمانی، حتی به نور هم اجازه خارج شدن از جاذبه موجود را نمی‌دهد.

برخورد سیاه چاله ها و امواج گرانشی

معمولا به دلیل نبود مواد زیادی در اطراف افق رویداد، برخورد سیاه چاله ها نوری را به وجود نمی‌آورد و روی دادن آن تنها به کمک امواج گرانشی به وجود آمده در تار و پود فضا زمان قابل ردیابی است.

اولین بار انیشتین بود که ایده امواج گرانشی را مطرح کرد، اما این مغر متفکر تصور نمی‌کرد که در میان ارتعاشات و نویزهای موجود، بتوان نشانه‌ای از این امواج را از سیاره ما ردیابی کرد. تا صد سال این تصور درست بود، اما در سال 2015 بود که دو سری تجهیزات در واشینگتن و لوئیزیانای آمریکا برای اولین بار در جهان امواج گرانشی را ردیابی کردند. این امواج از برخورد دو سیاه چاله در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری از زمین به وجود آمده بودند.

کشف مورد نظر از برخورد سیاه چاله ها رشته جدیدی را در علم ستاره شناسی به وجود آورد و برای دانشمندان دخیل در این کشف هم جایزه نوبل فیزیک در نظر گرفته شد. پروژه اصلی مربوط به این اتفاق شگفت‌انگیز هم‌اکنون با نام رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری یا لایگو (LIGO) شناخته می‌شود.

در همین رابطه، اخیرا دانشمندان موفق شدند یک مجموعه از امواج گرانشی کشف شده توسط لایگو را با نور ساطع شده از همان نقطه در فضا تطبیق دهند و از این طریق یکی دیگر از غیر ممکن‌های دنیای ستاره شناسی را ممکن کنند؛ پیش از این تصور می‌شد که دیدن نور برخورد سیاه چاله ها غیر ممکن است، چرا که این اجرام آسمانی هیچ نوری منتشر نمی‌کنند، اما پروژه لایگو خلاف این موضوع را ثابت کرد.

جزئیات کشف اخیر

دانشمندان می‌گویند که ترکیب دو سیاه چاله مورد نظر در فاصله 7.5 میلیارد سال نوری از زمین به احتمال قوی یک سیاه چاله بزرگ‌تر را به وجود آورده که در قرص برافزایشی سیاه چاله کلان جرم به حرکت افتاده و از آن خارج شده است. بری مک‌کرنان (Barry McKernan)، ستاره شناسی از دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید که واکنش گازهای موجود در اطراف سیاه چاله کلان جرم به این برخورد سیاه چاله ها باعث پیدایش نور ثبت شده توسط تلسکوپ‌ها شده است.

محققان انتظار دارند که در چند سال آینده، نور دیگری از طرف همین سیاه چاله حاصل از برخورد دو جرم آسمانی اولیه، به هنگام ورود به قرص برافزایشی، دیده شود. مقاله تیم مک‌کرنان در ژورنال “Physical Review Letters” منتشر شده و اخیرا او و همکارانش صحبت‌های جالب‌توجهی در مورد اهمیت کشف اخیر و اکتشافات مشابه مطرح کرده‌اند.

این محققان می‌گویند که پیدا کردن پدیده‌های مشابه از جهت افزایش اطلاعات اختر فیزیک و کیهان شناسی دانشمندان اهمیت دارد و هرچه موارد بیشتری از برخورد سیاه چاله ها در فضای اطراف زمین دیده و ثبت شود، راحت‌تر می‌توان به نحوه شکل‌گیری سیاه چاله‌ها، محل اولیه آن‌ها و فرآیندهای مختلف زندگی این اجرام آسمانی مرموز پی برد.

تطابق امواج گرانشی و درخشندگی برخورد

علاوه بر پروژه لایگو که دو مجموعه تجهیزات ردیابی امواج گرانشی را در ایالات متحده دارد، ورژن مشابه اروپایی این پروژه که ویرگو (Virgo) نام دارد هم پدیده مربوط به برخورد این دو سیاه چاله را در ماه می 2019 ثبت کرد. تنها چند روز بعد بود که تلسکوپ‌های رصدخانه پالومار (Palomar) در سن دیگو آمریکا درخشش منحصر به فردی را در همان منطقه از فضا کشف کردند.

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا بعدها به آرشیو اطلاعات رصدخانه پالومار سر زدند و دیدن که دقیقا مطابق داده‌های ثبت شده توسط تجهیزات لایگو و ویرگو، درخشش مورد نظر در همان نقطه از فضا زمان به وجود آمده و در طول مدت یک ماه محو شده است.

متیو گراهام (Matthew Graham)، استاد ستاره شناسی و نویسنده اصلی مقاله برخورد سیاه چاله ها می‌گوید که از سال‌ها پیش و قبل از ثبت نور غیر معمول اخیر، سیاه چاله کلان جرم مورد نظر رفتار عادی داشت.

البته با اینکه این دانشمندان دلیل اصلی به وجود آمدن انفجار نورانی ثبت شده را ترکیب دو سیاه چاله اعلام کرده‌اند، احتمالات دیگری هم وجود دارند که نمی‌توان آن‌ها را کاملا رد کرد. با این حال ارتباط دادن این انفجار به رفتار معمولی سیاه چاله کلان جرم مورد بحث درست نیست، چرا که تا 15 سال قبل از پدیده اخیر، رفتار قرص برافزایشی سیاه چاله کاملا عادی بوده است.

این شبیه‌سازی توسط یک ابر کامپیوتر انجام شده و یکی از مهیب‌ترین پدیده‌های کیهانی، یعنی برخورد دو ستاره نوترونی و شکل‌گیری یک سیاه چاله را نشان می‌دهد.

نقش لایگو در کشف برخورد سیاه چاله ها

در تجهیزات لایگو و ویرگو امکانات مشابهی وجود دارد. هردوی این تجهیزات از دو بازوی 4 کیلومتری تشکیل شده‌اند. برای انجام اکتشافات مربوط به امواج گرانشی، در ابتدا یک پرتوی لیزر تابیده شده و پس از تقسیم کردن آن به دو بخش، یک قسمت از پرتو به یکی از بازوهای 4 کیلومتر وارد می‌شود و قسمت دوم هم درون بازوی دوم که در زاویه نود درجه بازوی اول قرار گرفته، تابیده می‌شود.

دو پرتو داخل بازوها پس از بازتاب از سطح آینه‌هایی مخصوص، در نزدیکی قسمت جدا کننده پرتوی اولیه به هم می‌پیوندند. در حالت عادی طول هردو پرتو با یکدیگر برابر بوده و به نوعی با بازگشت آن‌ها به مکان اولیه، پرتو خنثی می‌شود، اما وقتی امواج گرانشی به زمین برخورد می‌کنند، این اتفاق باعث می‌شود که طول یکی از لوله‌ها کمی بلندتر شده و دیگری هم کمی کوتاه‌تر شود.

این اتفاق به واسطه خمیدگی فوق‌العاده اندک فضا زمان رخ می‌دهد و تا زمانی که تمامی امواج از زمین عبور نکنند، سیکل انبساط و انقباض لوله‌ها ادامه پیدا می‌کند. پدیده مورد نظر باعث می‌شود تا پرتوهای بازتاب شده از سطح آینده‌ها با هم طول برابری نداشته باشند و به هنگام بازگشت، یکدیگر را خنثی نکنند. چنین مسئله‌ای نشان دهنده عبور امواج گرانشی از سیاره ما است.

البته پاراگراف بالا فرآیند ردیابی امواج گرانشی را به شکلی فوق‌العاده ساده توضیح می‌دهد، اما همین فرآیند فوق‌العاده پیچیده در اکتبر 2017 ترکیب دو ستاره نوترونی را کشف کرد و در آگوست 2019 هم لایگو و ویرگو بلعیده شدن یک ستاره نوترونی توسط یک سیاه چاله را ثبت کردند. به صورت کلی گفته شده که در کنار ثبت پدیده اخیر برخورد سیاه چاله ها تجهیزات مورد نظر 30 مورد از امواج گرانشی را به ثبت رسانده‌اند.

ساخت یک رصدخانه امواج گرانشی جدید

دانشمندان انتظار دارند که در سال‌های آینده پدیده‌های مشابهی همانند برخورد رصد شده در فاصله 7.5 میلیارد سال نوری از زمین را ثبت کنند، مخصوصا با در نظر گرفتن این مسئله که به زودی یک رصدخانه جدید امواج گرانشی با نام کاگرا (KAGRA) به راه خواهد افتاد.

گفته شده که اضافه شدن کاگرا به لایگو و ویرگو دقت ردیابی امواج گرانشی در سطح جهان را تا سه برابر افزایش می‌دهد و از این طریق می‌توان به راحتی موقعیت پدیده‌های مختلف همانند برخورد سیاه چاله ها را در سراسر کیهان رصد کرد. دانشمندان تخمین می‌زنند که با کنار هم قرار دادن این سه مجموعه تجهیزات ردیابی امواج گرانشی، می‌توان سالانه 100 پدیده برخورد در فضای اطراف زمین را تشخیص داد.

افزایش تعداد موارد ردیابی‌های مورد نظر هم به دانشمندان کمک می‌کند تا راحت‌تر به ماهیت امواج گرانشی و جزئیات برخورد اجرام آسمانی عظیم پی ببرند.