امضای برخوردی در فاصلهای بیش از هفت میلیارد سال نوری از زمین. دو سیاهچاله در انفجاری از فضا–زمان پیچخورده با یکدیگر ادغام شده بودند؛ اما وقتی اخترشناسان دادههای این رویداد را با دقت بررسی کردند، با پدیدهای مواجه شدند که بهظاهر قوانین شناختهشده فیزیک را زیر پا گذاشته بود.
سیاهچالههایی که در این برخورد حضور داشتند، با سرعتی بسیار بالا، حتی بیش از هر نمونهای که تاکنون مشاهده شده بود، میچرخیدند. از همه عجیبتر اینکه جرم آنها در محدودهای قرار داشت که بر اساس قوانین اخترفیزیک، اصلاً نباید سیاهچالهای در آن وجود داشته باشد.
برای درک این راز، باید نگاهی به روند شکلگیری سیاهچالهها بیندازیم. وقتی ستارگان پرجرم به پایان عمر خود میرسند، هسته آنها در اثر از دست دادن سوخت هستهای فرومیپاشد. بیشتر آنها در انفجارهایی عظیم به نام ابرنواختر (سوپرنوا) منفجر میشوند و در نهایت، بقایای فشردهشان بهصورت یک سیاهچاله باقی میماند. اما این روند برای همهی ستارگان یکسان نیست.
در محدودهای از جرم ستاره، حدود ۷۰ تا ۱۴۰ برابر جرم خورشید، اتفاق متفاوتی رخ میدهد. در این بازهی جرمی، ستارهها بهجای اینکه فروبریزند و سیاهچاله تشکیل دهند، دچار نوعی انفجار به نام ابرنواختر ناپایداری جفتی (Pair Instability Supernova) میشوند. در این نوع انفجار، انرژی حاصل از برهمکنش بین فوتونها و ذرات ماده، چنان عظیم است که کل ستاره را متلاشی میکند و هیچچیز از آن باقی نمیگذارد. نه هستهای، نه بازماندهای و نه سیاهچالهای — فقط فضای خالی.
با این حال، برخوردی که در سال ۲۰۲۳ مشاهده شد و با نام GW231123 شناخته میشود، دقیقاً این قانون بنیادین را نقض میکرد. هر دو سیاهچالهای که با هم ادغام شدند، جرمی داشتند که بهروشنی در همین «منطقهی ممنوعه» قرار میگرفت. افزون بر آن، آنها تقریباً با سرعت نور میچرخیدند، بهگونهای که فضا–زمان اطراف خود را مانند گرداب میپیچاندند.
دانشمندان ابتدا تلاش کردند توضیحی منطقی برای این پدیده بیابند. برخی پیشنهاد کردند که شاید این سیاهچالهها نسل دوم باشند — یعنی خودشان از ادغام سیاهچالههای قدیمیتر به وجود آمدهاند. با این حال، این فرضیه یک مشکل اساسی داشت: در فرآیند ادغام، معمولاً جهت و سرعت چرخش سیاهچالهها بههم میریزد. بنابراین، دیدن دو سیاهچالهی بسیار پرجرم و درعینحال با چرخش سریع و منظم، تقریباً غیرممکن به نظر میرسید.
شکل ۱: سیگنال GW231123 در دادههای آشکارسازهای LIGO در هنفورد (چپ) و لیوینگستون (راست).
در پنلهای بالا، دامنهی دادهها در طول زمان (نمودارهای خاکستری) نشان داده شده است. ناحیهی آبیرنگ سایهدار، برآورد ما از سیگنال واقعی را نمایش میدهد.
پنلهای پایین، طیفنگارهها (Spectrograms) یا همان نقشههای زمان–فرکانس هستند که دامنهی سیگنال را در طول زمان (محور افقی) و در فرکانسهای مختلف (محور عمودی) نشان میدهند.
رنگهای روشنتر، نشاندهندهی سیگنال قویتر هستند.
در همین زمان، گروهی از پژوهشگران به رهبری اُر گاتلیب (Ore Gottlieb) در مرکز اخترفیزیک محاسباتی مؤسسه فلتآیرون (Flatiron Institute) به نکتهای توجه کردند که پیشتر نادیده گرفته شده بود: میدانهای مغناطیسی.
در بیشتر شبیهسازیهای گذشته از مرگ ستارگان پرجرم، نقش مغناطیس در آشفتگیهای پس از انفجار نادیده گرفته میشد، زیرا محاسبه آن بسیار پیچیده است و نیاز به توان پردازشی بالایی دارد. اما گاتلیب و همکارانش نشان دادند که حذف این عامل ظاهراً جزئی، میتواند نتایج را کاملاً تغییر دهد.
این گروه شبیهسازی دقیقی انجام دادند که چرخهی زندگی یک ستارهی غولپیکر با جرم ۲۵۰ برابر خورشید را از تولد تا مرگ دنبال میکرد. بر اساس نتایج، تا زمانی که ستاره به پایان عمر خود نزدیک میشود، سوخت هستهای درون آن باعث میشود جرمش به حدود ۱۵۰ جرم خورشید کاهش یابد — درست بالاتر از محدودهی ممنوعهای که انتظار میرفت در آن سیاهچالهای تشکیل نشود.
در مرحلهی فروپاشی، این ستاره دیسکی چرخان از مواد باقیمانده ایجاد میکند. در مرکز این دیسک، یک سیاهچالهی نوزاد شکل میگیرد، و در اطراف آن، میدانهای مغناطیسی پیچیدهای حضور دارند که درون گازهای چرخان محبوس شدهاند.
اینجاست که میدانهای مغناطیسی همهچیز را دگرگون میکنند. در حالت عادی، مواد موجود در دیسک بهتدریج به درون سیاهچاله کشیده میشوند و جرم آن را افزایش میدهند. اما وقتی میدان مغناطیسی بسیار قوی باشد، فشار شدیدی بر دیسک وارد میکند و بخش بزرگی از ماده را به بیرون پرتاب مینماید — تا نیمی از جرم ستاره ممکن است با سرعتی نزدیک به سرعت نور به فضا رانده شود.
نتیجهی این فرآیند دوگانه است: از یک سو، جرم نهایی سیاهچاله بهشدت کاهش مییابد و به محدودهای میرسد که از نظر نظری نباید در آن وجود داشته باشد؛ از سوی دیگر، میدان مغناطیسی بر سرعت چرخش (اسپین) سیاهچاله نیز تأثیر میگذارد.
شبیهسازیهای گاتلیب نشان دادند که رابطهای مستقیم بین قدرت میدان مغناطیسی و ویژگیهای نهایی سیاهچاله وجود دارد. هرچه میدان مغناطیسی قویتر باشد، سیاهچاله سبکتر و کندتر میچرخد؛ و برعکس، میدانهای ضعیفتر منجر به تشکیل سیاهچالههای سنگینتر و سریعچرخانتر میشوند. این رابطه نشان میدهد که جرم و چرخش سیاهچالهها برخلاف تصور گذشته، بهطور جداییناپذیری به هم پیوستهاند.
این کشف نهتنها میتواند توضیح دهد چرا سیاهچالههای «ناممکن» مانند آنهایی که در برخورد GW231123 دیده شدند وجود دارند، بلکه راهی نو برای درک منشأ و تکامل سیاهچالهها فراهم میکند. اگر این مدل درست باشد، به این معناست که میدانهای مغناطیسی نقش بنیادی در تعیین سرنوشت ستارگان پرجرم دارند — عاملی که تاکنون کمتر مورد توجه قرار گرفته بود.
افزون بر این، پژوهشگران پیشبینی کردهاند که تشکیل چنین سیاهچالههایی باید با انفجارهای پرانرژی پرتو گاما (Gamma-Ray Bursts) همراه باشد. این انفجارها، از درخشانترین پدیدههای کیهان هستند و میتوانند نشانهای قابلمشاهده برای آزمودن درستی این نظریه باشند. اگر اخترشناسان در آینده بتوانند همزمان با امواج گرانشی، چنین فورانهای گامایی را رصد کنند، این فرضیه تأیید خواهد شد — و آنگاه درمییابیم که «سیاهچالههای ناممکن» نه استثنا، بلکه بخشی از نظم پنهان کیهاناند.
در نهایت، مطالعهی گاتلیب و همکارانش یادآور این نکته است که حتی در جهانی بهظاهر قانونمند، هنوز پدیدههایی وجود دارند که دانش ما را به چالش میکشند. سیاهچالههایی که نباید وجود داشته باشند، اکنون در برابر دیدگان ما قرار دارند — مرز میان «ناممکن» و «واقعیت» بار دیگر در حال جابهجا شدن است.
