کشف یک جرم آسمانی ناشناخته در شکاف جرمی برخوردهای کیهانی+ویدیو

اخیرا دانشمندان از کشف یک جرم آسمانی ناشناخته در شکاف جرمی برخوردهای کیهانی خبر داده‌اند که در نوع خود منحصر به فرد است. در بررسی این پدیده شگفت‌انگیز با ما همراه باشید.

جرم آسمانی ناشناخته و عجیبی که اخیرا خبر کشف آن از طریق امواج گرانشی و در یک برخورد کیهانی منتشر شده، چندین ماه پیش مورد توجه دانشمندان قرار گرفته بود؛ اما بررسی‌های اخیر نشان می‌دهند که پدیده مورد نظر در نوع خود منحصر به فرد است. در ادامه با ما همراه باشید.

در آگوست سال پیش بود که دو پروژه آمریکایی و اروپایی لایگو (LIGO) و ویرگو (Virgo) که مخصوص ثبت امواج گرانشی هستند، برخورد یک سیاه چاله با یک ستاره نوترونی را به ثبت رساندند. در آن زمان خبر این کشف بسیار سر و صدا کرد و از آنجایی که موضوع امواج گرانشی نسبتا جدید به حساب می‌آید، ردیابی این امواج عجیب که از دور دست‌ها به زمین می‌رسند، در نوع خود شگفت‌انگیز به شمار می‌رود.

با این حال، اخیرا دانشمندان لایگو در جریان بررسی‌های خود از اطلاعات به دست آمده، پدیده مورد نظر را رسما تایید کرده و نام “GW190814” را برای آن انتخاب کرده‌اند. البته نکته اصلی خبر ما این بوده که به نظر می‌رسد، ستاره نوترونی کشف شده دقیقا یک ستاره نوترونی نبوده و سیاه چاله مورد نظر یک جرم آسمانی ناشناخته را بلعیده است. گفته شده که این جرم آسمانی در «شکاف جرمی» (Mass Gap) برخوردهای کیهانی قرار دارد.

جرم آسمانی ناشناخته در شکاف جرمی

برای درک مفهوم شکاف جرمی باید به سرنوشت ستاره‌ها پس از رسیدن به سال‌های آخر زندگی‌شان دقت کنیم. به صورت کلی وقتی یک ستاره عمر خود را سپری می‌کند، در نهایت یا به یک ستاره نوترونی تبدیل می‌شود، یا یک سیاه چاله؛ در حالت ستاره نوترونی، ستاره اولیه باید بین 8 تا 30 برابر خورشید منظومه شمسی جرم داشته باشد تا پس از رسیدن به اواخر عمر، اکثر جرمش را از دست داده و به حالتی در 1.4 برابر جرم خورشید برسد.

حال اگر ستاره اولیه بیشتر از 30 برابر از خورشید بزرگ‌تر باشد، محصول نهایی عمر آن یک سیاه چاله خواهد بود؛ حال نکته اصلی این بوده که تا به امروز تنها موارد مربوط به بالاترین سطح و پایین‌ترین سطح این طیف از سرنوشت‌ها دیده شده و سابقه نداشته که جرم محصول نهایی بین حد ستاره‌های نوترونی یا سیاه چاله‌ها باشد. به این وضعیت قرارگیری بین حالت‌های حداکثری، شکاف جرمی گفته می‌شود و جرم آسمانی ناشناخته مدنظر ما هم در این شکاف قرار گرفته است.

تا به امروز هیچ ستاره نوترونی با ابعاد بزرگ‌تر 2.3 برابر خورشید دیده نشده و معمولا کوچک‌ترین سیاه ‌چاله‌ها هم 5 برابر از خورشید بزرگ‌تر هستند. این در حالی بوده که جرم آسمانی موجود در پدیده GW190814 با داشتن ابعاد 2.6 برابر خورشید، یا بزرگ‌ترین ستاره نوترونی کشف شده است و یا کوچک‌ترین سیاه چاله‌ای که تا به امروز دیده شده!

دگرگونی مفاهیم پیشین

پاتریک بریدی (Patrick Brady)، فیزیکدان پروژه لایگو می‌گوید که کشف اخیر در نوع خود منحصر به فرد بوده و پدیده کشف شده می‌تواند دید ما نسبت به ستاره‌های نوترونی و سیاه چاله‌ها را تغییر دهد؛ البته بریدی می‌گوید که احتمال واقعی نبودن بحث شکاف جرمی هم وجود دارد و ممکن است که به واسطه محدودیت‌های تجهیزات و محاسبات ما زمینیان، چنین مسئله‌ای بروز کرده باشد.

بریدی و همکارانش از آگوست گذشته می‌دانستند که یکی از اجرام دخیل در برخورد GW190814 سیاه چاله‌ای بزرگ است، اما همان‌طور که اخیرا اعلام شده، این سیاه چاله 23 برابر ستاره منظومه شمسی ما بزرگ بوده و تقریبا 9 برابر جرم آسمانی ناشناخته مورد نظر هم حجم دارد. همان‌طور که اشاره شد هنوز مشخص نیست که جرم مرموز مورد نظر بزرگ‌ترین ستاره نوترونی جهان بوده یا کوچک‌تر سیاه چاله کشف شده، اما بریدی و دیگر دانشمندان می‌گویند که به احتمال قوی گزینه دوم صحیح باشد.

اختر فیزیکدان دانشگاه ایلینویز آمریکا، ویکی کالوگرا (Vicky Kalogera) می‌گوید که بر اساس نظریه‌های موجود، امکان ترکیب سیاه چاله و ستاره نوترونی تنها در محاسبات تئوری مطرح شده بود و این مسئله هیچ‌گاه در دنیای واقعی تایید نشده است؛ به همین دلیل بود که در آگوست گذشته کشف امواج گرانشی مربوط به پدیده GW190814 سر و صدا کرد. با این حال به نظر می‌رسد که جرم آسمانی ناشناخته کشف شده از این موضوع هم جذاب‌تر باشد.

ویدیو شبیه‌سازی برخورد GW190814

 

دلیل اصلی بی‌اطلاعی دانشمندان در مورد شکاف جرمی برخوردهای کیهانی به موضوعی با نام محدوده تولمان-اوپنهایمر-ولکاف (TOV limit) مربوط می‌شود. بر اساس این محدوده، ستاره نوترونی که بیشتر از حد TOV بزرگ باشد، به واسطه ناتوانی نوترون‌های موجود برای مقاومت در برابر گرانش جرم و از دست رفتن امکان عقب راندن دیگر نوترون‌ها، پس از فروپاشی به سیاه چاله تبدیل می‌شود.

محققان تا پیش از این حد TOV برای ستاره‌های نوترونی را بین 2.2 تا 2.4 برابر جرم خورشید اعلام کرده بودند، اما در سال 2017 بود که دقیق‌ترین مشاهدات این عدد را به محدوده 2.3 جرم خورشید رساند. ابهامات موجود در مورد جرم آسمانی ناشناخته GW190814 هم به نسبت‌های حد تولمان-اوپنهایمر-ولکاف مربوط می‌شود، ولی دانشمندان می‌گویند که اگر حد 2.3 برابری سال 2017 برای پدیده اخیر اعمال شود، احتمال ستاره نوترونی بودن جرم ناشناخته تنها 3 درصد خواهد بود. البته به واسطه ابهامات موجود در مورد محدوده TOV همچنان نمی‌توان با اطمینان گفت که جرم کوچک‌تر برخورد کیهانی آگوست 2019 یک سیاه چاله کوچک است.

محققان می‌گویند که جرم آسمانی ناشناخته کشف شده چه ستاره نوترونی باشد، چه یک سیاه چاله کوچک، ردیابی این برخورد کیهانی در نوع خود شگفت‌انگیز بوده و از طریق آن می‌توان اطلاعات مهمی در مورد محدوده‌های ستاره‌های نوترونی، شکاف جرمی برخوردهای کیهانی و همچنین سیستم‌های دوتایی به دست آورد.

آینده تحقیقات جرم آسمانی ناشناخته اخیر

علاوه بر الزام تغییر تصورات پیشین ستاره شناسان در مورد شکاف جرمی ستاره‌های نوترونی و سیاه چاله‌ها، اختلاف جرم پدیده GW190814 هم در نوع خود حیرت‌انگیز است؛ معمولا امواج گرانشی ثبت شده توسط پروژه‌های لایگو و ویرگو مربوط به برخورد اجرامی بوده که ابعادی مشابه دارند در حالت حداکثری 3 یا 4 برابر نسبت به هم بزرگ هستند، اما اختلاف 9 برابری جرم آسمانی ناشناخته پدیده GW190814 با سیاه چاله موجود، دانشمندان را به فکر فرو برده است.

از طرف دیگر دانش ما در مورد سیستم‌های دوتایی مشابه وضعیت اجرام پدیده آگوست 2019، نشان می‌دهد که معمولا این سیستم‌ها یا از یک ابر کیهانی واحد شکل می‌گیرند و یا در مراحل بعدی، دو جرم آسمانی دخیل به میدان گرانشی یکدیگر می‌رسند. با این وجود سابقه نداشته که یک سیستم دوتایی با چنین اختلاف جرمی دیده شود.

همچنین، جالب است بدانیم که دانشمندان در سال 2015 و صد سال پس از مطرح شدن نظریه‌های انیشتین در مورد امواج گرانشی بود که برای اولین بار امواج مورد نظر را در دنیای واقعی کشف کردند. اکنون هم در حالی که اولین مورد از یک سیستم دوتایی با چنین اختلاف جرمی تنها چند سال پس از ثبت امواج گرانشی کشف می‌شود، نشان می‌دهد که پدیده مورد نظر چندان هم غیر معمول یا عجیب نیست.

چنین موضوعات و ابهاماتی تنها با انجام مشاهدات دقیق‌تر و گسترده‌تر روشن می‌شوند و انتظار می‌رود که پس از به‌روزرسانی‌های حال حاضر لایگو و به راه افتادن آن در سال آینده، تعداد بیشتری از سیستم‌های دوتایی مشابه پدیده GW190814 کشف شود. دانشمندان مقاله خود در مورد برخورد جرم آسمانی ناشناخته با سیاه چاله آگوست 2019 را در ژورنال “The Astrophysical Journal Letters” منتشر کرده‌اند.