کوازارها ‘نقشه های راهنمای کیهانی’ هستند که به جفت های نادر سیاهچاله های ابرپرجرم اشاره می کنند

کوازارها، درخشان‌ترین اجرام کیهان، می‌توانند به‌عنوان نشانه‌های کیهانی عمل کنند و ستاره‌شناسان را به سوی جفت‌های گریزان از سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم هدایت کنند.

اگرچه دانشمندان می‌دانند سیاهچاله‌های بسیار پرجرم با جرم میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید در قلب اکثر کهکشان‌های بزرگ، اگر نگوییم همه، کمین کرده‌اند، شناسایی جفت‌های دوتایی این تیتان‌های کیهانی دشوار بوده است. این نمی تواند به این دلیل باشد که سیاهچاله های دوتایی فوق العاده نادر هستند. به هر حال، این غول‌ها از طریق ادغام‌هایی که با برخورد کهکشان‌ها آغاز می‌شود، شکل می‌گیرند. این بدان معناست که باید جمعیت زیادی از سیاهچاله‌های دوتایی کلان پرجرم وجود داشته باشد که در آستانه برخورد و ایجاد یک سیاه‌چاله بزرگ دختر هیولایی‌تر هستند. اما آنها کجا هستند؟

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که اختروش‌ها – قلب‌های درخشان کهکشان‌های فعال که با تغذیه سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم نیرو می‌گیرند – می‌توانند پاسخ این سوال باشند. تیمی که در پشت این تحقیق قرار دارد فکر می‌کند که کهکشان‌های دارای اختروش می‌توانند هفت برابر بیشتر از کهکشان‌های دیگر میزبان سیاهچاله‌های دوتایی ابرپرجرم باشند.

این یافته ها می تواند به شکار این دو هیولا با استفاده از امواج گرانشی، امواج ریز در فضا و زمان (متحد به عنوان موجودی ۴ بعدی به نام فضا-زمان)، که اولین بار در نظریه نسبیت عام اینشتین در سال ۱۹۱۵ پیش بینی شد، کمک کند.

اندرو کیسی کلاید، نویسنده ارشد این تحقیق، کاندیدای دکترا در دانشگاه کانکتیکات، می‌گوید: «این یافته‌ها برای جستجوی هدفمند برای سیاهچاله‌های دوتایی پرجرم مفید است، که در آن ما کهکشان‌ها و اختروش‌های خاص را برای امواج گرانشی پیوسته از سیاهچاله‌های دوتایی پرجرم جستجو می‌کنیم». و محققی که در دانشگاه ییل حضور داشت، به Space.com گفت.

کیسی کلاید گفت: ‘نتایج ما به این معنی است که این جستجوهای هدفمند تا هفت برابر بیشتر احتمال دارد امواج گرانشی را از یک سیاهچاله دوتایی در یک اختروش پیدا کنند تا در یک کهکشان پرجرم تصادفی.’

از قضا، کشف تیم با چیزی شبیه به یک یافته ناامیدکننده آغاز شد. در سال ۲۰۱۵، بررسی گذرا بلادرنگ کاتالینا (CRTS)، که توسط سه تلسکوپ که منطقه وسیعی از آسمان را پوشش می‌دهند، انجام شد، پیشنهاد کرد که ۱۱۱ اختروش با منحنی‌های نور دوره‌ای می‌توانند کاندیدای دوتایی سیاه‌چاله‌های کلان جرم باشند.

با این حال، با استفاده از زمزمه اخیر اندازه‌گیری شده کیهان به نام «پس‌زمینه موج گرانشی»، کیسی کلاید و همکارانش تشخیص دادند که بیشتر این کاندیدای اختروش باینری احتمالاً تشخیص‌های نادرست هستند.

کیسی کلاید گفت: «حتی پس از تصحیح تعداد زیادی از مثبت‌های کاذب در نمونه‌های کاندید باینری CRTS، این کار نشان می‌دهد که اختروش‌ها ممکن است بیشتر از کهکشان‌های تصادفی میزبان سیاهچاله‌های دوتایی کلان جرم باشند.»

سیاهچاله های دوتایی فوق العاده در پشت درخشان ترین اجرام کیهان پنهان می شوند

برخی از سیاهچاله های کلان پرجرم توسط مقدار زیادی مواد به شکل ابری صاف از گاز و غبار به نام دیسک برافزایشی احاطه شده اند که به تدریج مواد را به آنها تغذیه می کند. تأثیر گرانشی عظیم این سیاه‌چاله‌های پرجرم، نیروهای جزر و مدی قدرتمندی را در دیسک‌های برافزایشی ایجاد می‌کند، که باعث اصطکاک می‌شود که این ماده را گرم می‌کند و باعث می‌شود که در سراسر طیف الکترومغناطیسی درخشان بدرخشد.

علاوه بر این، موادی که به سیاهچاله تغذیه نمی‌شوند به قطب‌های آن هدایت می‌شوند، جایی که به‌عنوان جت‌های پرانرژی بالا پرتاب می‌شوند. این جت ها همچنین تشعشعات الکترومغناطیسی ساطع می کنند. در نتیجه این پدیده‌ها، این نواحی کهکشانی مرکزی، که «هسته‌های کهکشانی فعال» (AGNs) نامیده می‌شوند، که به‌عنوان اختروش دیده می‌شوند، می‌توانند به قدری درخشان باشند که از نور ترکیبی هر ستاره در کهکشانی که آنها را احاطه کرده است، بدرخشند.

اغلب، سیاه‌چاله‌های پرجرم جشن می‌گیرند و بنابراین می‌توانند یک اختروش ایجاد کنند، زیرا درون کهکشانی است که با کهکشانی به اندازه مشابه ادغام شده است. این برخورد به عنوان یک گرابهاب کیهانی عمل می کند و منبع تازه ای از گاز و غبار را برای سیاهچاله به ارمغان می آورد. ادغام کهکشانی دو سیاهچاله کلان پرجرم را نیز به هم نزدیک می کند.

اختروش‌های دودویی، سیستم‌هایی از سیاهچاله‌های دوتایی کلان پرجرم با فعالیت اختروش‌های مرتبط از یک دیسک برافزایشی هستند که هر دو سیاهچاله کلان پرجرم را در دودویی احاطه کرده است.

‘ما می دانیم که اختروش ها می توانند توسط ادغام های بزرگ کهکشان ها ایجاد شوند دو کهکشان با جرم مشابه ادغام می شوند. این ادغام ها نیز منجر به کیسی کلاید گفت: ‘از آنجایی که سیاهچاله های دوتایی کلان پرجرم توسط ادغام های بزرگ کهکشان ها تشکیل می شوند و اختروش ها می توانند با این ادغام ها ایجاد شوند، این نشان می دهد که برخی از اختروش ها ممکن است با دوتایی های سیاهچاله های بزرگ مرتبط باشند. ‘

سیاهچاله های دوتایی بسیار پرجرم، اختروش هایشان را خیلی روشن نمی پسندند

برای این تحقیق، تیم به طور خاص به اختروش‌هایی با خروجی نور که در یک دوره زمانی مشخص تکرار می‌شوند، گسیل‌هایی که به عنوان منحنی‌های نور دوره‌ای شناخته می‌شوند، نگاه کردند. شبیه‌سازی‌ها نشان داده‌اند که منحنی‌های نور دوره‌ای مرتبط با اختروش‌ها ممکن است نشانه‌ای از یک سیاه‌چاله دوتایی بزرگ باشد. بخش جدایی ناپذیر مطالعه آنها مجموعه ای از تپ اخترهای ستاره نوترونی با چرخش بسیار بالا به نام آرایه تپ اختر NANOGrav بود. تپ اخترها که صدها بار در ثانیه می چرخند، می توانند به عنوان یک کرونومتر کیهانی بسیار حساس در صورت در نظر گرفتن دسته جمعی استفاده شوند.

سال گذشته، آرایه تپ اختر NANOGrav سیگنال ضعیف امواج گرانشی پس‌زمینه از ادغام سیاه‌چاله‌های دوردست را شناسایی کرد و تیم توانست از این تشخیص برای محدود کردن جمعیت دوتایی سیاه‌چاله‌های عظیم استفاده کند. تپ اخترهای NANOGrav سپس به تیم کمک کردند تا محدودیت هایی را برای جمعیت کوازارها ایجاد کنند.

از آنجایی که این تیم از ترکیبی از مشاهدات الکترومغناطیسی اختروش‌ها و تشخیص امواج گرانشی آرایه تپ‌اختر نانوگراو استفاده کرد، این تحقیق نمونه‌ای از «نجوم چند پیام‌رسان» است – تحقیقاتی در مورد جهان که از حداقل دو سیگنال کاملاً متفاوت به صورت هماهنگ استفاده می‌کنند.

«نجوم چند پیام‌رسان برای محدود کردن جمعیت اختروش‌های دوتایی در این کار بسیار مهم بود. به‌ویژه، چون اختروش‌های دوتایی زیرمجموعه‌ای از جمعیت دوتایی اختروش و سیاه‌چاله‌های کلان جرم هستند، محدودیت‌های روی هر یک از اینها نیز محدودیت‌هایی بر روی جمعیت اختروش‌های دوتایی هستند. کیسی کلاید گفت. ‘ما مشکوک بودیم که اختروش‌ها می‌توانند برای مدت طولانی نشانه‌ای از سیاهچاله‌های دوتایی کلان پرجرم باشند، زیرا هر دو با ادغام‌های بزرگ کهکشان‌ها ارتباط دارند. اکنون نشان داده‌ایم که ارتباط هنوز قابل قبول است، حتی پس از در نظر گرفتن آلودگی در نمونه CRTS.’

نتایج همچنین کیسی کلاید و تیم را شگفت زده کرد، زیرا آنها دریافتند که اختروش‌های درخشان‌تر کمتر از اختروش‌های کم‌نور میزبان یک سیاه‌چاله باینری هستند.

کیسی کلاید گفت: این واقعیت که درخشان‌ترین اختروش‌های دودویی کمترین احتمال را دارند که واقعی باشند، شگفت‌انگیز بود. با این حال، زمانی که نادر بودن سیاه‌چاله‌های دوتایی ابرپرجرم را در نظر بگیریم، منطقی است. ‘این به این دلیل است که درخشان‌ترین اختروش‌های دوتایی باید با پرجرم‌ترین دوتایی‌های سیاه‌چاله مرتبط باشند. با این حال، پرجرم‌ترین دوتایی‌های سیاه‌چاله نادر هستند، زیرا نسبتاً سریع ادغام می‌شوند.’

این بدان معناست که دوتایی‌های سیاه‌چاله با جرم کم‌تر، زمان بیشتری را در محدوده چنین اجرامی می‌گذرانند که آرایه‌های زمان‌بندی تپ اختر می‌توانند آن‌ها را شناسایی کنند و بنابراین احتمال شناسایی آنها بسیار بیشتر است.

کیسی کلاید افزود که جستجوی امواج گرانشی هدفمند یکی از مهم‌ترین گام‌های بعدی برای این تحقیق است، و افزود که تیم همچنین قصد دارد جفت‌های سیاه‌چاله‌هایی را که به‌طور گسترده از هم جدا شده‌اند را شکار کند که نشان‌دهنده مرحله قبل از تشکیل دوتایی سیاه‌چاله‌های کلان جرم نزدیک است.

به طور خاص، تشخیص امواج گرانشی از کهکشانی که میزبان یک اختروش است به ما امکان می‌دهد تا نحوه تأثیرگذاری حرکت مداری یک سیاه‌چاله فوق‌العاده بر روی یک اختروش را آزمایش کنیم.
منحنی نور اختروش‌ها، او گفت: جستجو برای AGN دوگانه برای محدود کردن جفت‌های سیاه‌چاله‌های پرجرم، که پیش‌سازهای جداسازی گسترده‌ای برای دوتایی‌های ابرپرجرم سیاه‌چاله‌ها ناشی از ادغام کهکشان‌های اخیر هستند، مهم است.

این به تیم اجازه می‌دهد تا تعداد دوتایی‌های ابرپرجرم سیاه‌چاله‌ای را که انتظار دارند در کیهان ببینند، محدود کند و بنابراین رابطه بین اختروش‌ها و ادغام کهکشان‌ها را بهتر درک کند.

کیسی کلاید نتیجه گرفت: «پیمایش میراث فضا و زمان (LSST) که به زودی توسط رصدخانه Vera C. Rubin انجام می‌شود، برای بهبود محدودیت‌های جمعیت اختروش باینری بسیار مهم است. «ما باید حدود یک دهه صبر کنیم
با این حال، از مشاهدات برای انجام این کار، زیرا تصور می‌شود که منحنی‌های نور کوازار دودویی دارای دوره‌هایی در مقیاس سال‌ها هستند.»

تحقیقات این تیم به عنوان یک مقاله از پیش بررسی شده در سایت مخزن arXiv ارسال شده است.