ابرنواخترهای نوع Ia در کیهانشناسی نقش بسیار مهمی دارند؛ چراکه ستارهشناسان آنها را بهعنوان «شمعهای استاندارد» در نردبان فاصلهی کیهانی به کار میگیرند. این انفجارهای پرانرژی زمانی رخ میدهند که یک کوتولهی سفید ـ که هستهی بهجاماندهی بسیار متراکم یک ستاره است ـ در یک سامانهی دوتایی با ستارهای دیگر قرار گیرد. ستارهی همراه میتواند از یک ستارهی رشتهی اصلی شبیه خورشید ما گرفته تا یک غول سرخ و حتی یک کوتولهی سفید دیگر باشد.
در تمامی این حالتها، نیروی گرانش شدید کوتولهی سفید گاز را از ستارهی همراه به سمت خود میکشد. این گاز روی سطح کوتوله جمع میشود تا زمانی که جرم به مقدار بحرانی برسد و انفجار مهیبی رخ دهد. منحنی نوری حاصل از این انفجارها چنان منظم و قابل پیشبینی است که اخترشناسان آن را ابزاری مطمئن برای اندازهگیری فاصلههای کیهانی میدانند.
این تصویر نشان میدهد که یک ابرنواختر نوع Ia چگونه رخ میدهد. در این پدیده، یکی از ستارهها همواره باید یک کوتولهی سفید باشد، اما ستارهی همراه میتواند یک زیرغول یا یک ستارهی رشتهی اصلی باشد.
اعتبار تصویر: ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA) و A. Feild (مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی – STScI)؛
با وجود این، درک ما از ابرنواخترهای نوع Ia هنوز کامل نیست. شکافها و پرسشهای بیپاسخ بسیاری در نظریههای موجود وجود دارد. هیچ اجماع روشنی دربارهی جنبههای بنیادی این انفجارها به دست نیامده است. دانشمندان هنوز بهطور قطعی نمیدانند این انفجارها دقیقاً چگونه آغاز میشوند یا کدام نوع از سامانههای دوتایی محتملترند. در مقالهای منتشرشده در سال ۲۰۲۳ بهروشنی آمده است که: «هیچ مدل واحدی قادر نیست بهطور کامل تمامی ویژگیهای رصدی و تنوع گستردهی ابرنواخترهای نوع Ia را توضیح دهد.»
اکنون پژوهشی تازه در نشریهی Astrophysical Journal شاید بتواند بخشی از این شکافها را پر کند. این تحقیق نشان میدهد که سیاهچالههای نخستین (Primordial Black Holes – PBH) میتوانند با سقوط بر روی کوتولههای سفید، انفجارهای نوع Ia را آغاز کنند. عنوان مقاله چنین است:
«ابرنواخترهای نوع Ia برانگیخته توسط سیاهچالههای نخستین. بخش اول: تأثیر بر دینامیک انفجار و منحنیهای نوری». نویسندهی اصلی آن دکتر شینگ-چی لیونگ از مؤسسه پلیتکنیک ایالتی نیویورک (SUNY) است.
سیاهچالههای نخستین در حال حاضر صرفاً فرضی هستند، اما وجودشان امکانپذیر دانسته میشود. تصور میشود این اجرام در کیهان آغازین، زمانی که شرایط فیزیکی بسیار متفاوت بود، شکل گرفتهاند. برخلاف سیاهچالههای معمول که از فروپاشی ستارهها به وجود میآیند، سیاهچالههای نخستین میتوانستهاند مستقیم از تودههای بسیار متراکم مادهی آغازین تشکیل شوند. این سیاهچالهها میتوانند جرمی در حد یک سیارک داشته باشند، اما اندازهشان همارز با یک اتم هیدروژن باشد!
اعتبار تصویر: دانشگاه وارویک / مارک گارلیک.
به گفتهی پژوهشگران:
«اگر یک سیاهچالهی نخستین به درون یک کوتولهی سفید سقوط کند، نیروهای کشندی شدید آن میتوانند گرمای کافی برای آغاز یک انفجار گرماهستهای زنجیرهای تولید کنند. این موضوع به جرم کوتوله و ویژگیهای مداری سیاهچاله بستگی دارد.»
آنها شبیهسازیهایی انجام دادهاند تا ببینند چنین رویدادی چگونه رخ میدهد و منحنی نوری حاصل از این انفجار چه شکلی خواهد داشت.
در مقاله آمده است:
«ما دینامیک انفجار را بررسی کرده و منحنیهای نوری و فرایند هستهزایی را پیشبینی کردهایم. مدلهای ما نشان میدهند که میتوان رویکردی یکپارچه برای برانگیختن ابرنواخترهای نوع Ia در نظر گرفت، بدون نیاز به دو مسیر تکاملی متمایز.»
این دو مسیر تکاملی که به آن اشاره شده عبارتاند از:
- سناریوی تکواگرا (Single Degenerate – SD): کوتولهی سفید از یک ستارهی غیرمتراکم مانند ستارهی رشتهی اصلی یا غول سرخ گاز میگیرد تا سرانجام انفجار رخ دهد.
- سناریوی دوواگرا (Double Degenerate – DD): دو کوتولهی سفید در یک سامانهی دوتایی به هم نزدیک شده و در نهایت ادغام میشوند و انفجار ایجاد میکنند.
وجود دو مدل جداگانه مشکلاتی ایجاد میکند. اخترفیزیکدانان مطمئن نیستند کدام مسیر رایجتر است یا چگونه این مسیرها میتوانند تفاوتهای ظریف در منحنی نوری پدید آورند. این موضوع همچنین کاربرد ابرنواخترهای نوع Ia بهعنوان شمعهای استاندارد را پیچیدهتر میکند، زیرا تشخیص منبع انفجار از روی دادههای رصدی دشوار است. اگر سیاهچالههای نخستین محرک واقعی باشند، این مشکلات ممکن است برطرف شوند.
ابرنواخترهای نوع Ia یکی از اجزای اصلی نردبان فاصلهی کیهانی هستند. بدون آنها، درک ما از کیهان بهشدت محدود میشد.
اعتبار تصویر: ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA)، A. Feild (مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی – STScI) و A. Riess (STScI/JHU).
کاربرد اصلی ابرنواخترهای نوع Ia به رابطهی فیلیپس (Phillips Relation) بازمیگردد. این رابطه الگوی روشنایی قابل پیشبینی میان بیشینهی نورانیت و سرعت کاهش نور پس از آن را نشان میدهد. این ثبات، دلیل اعتماد اخترشناسان به این انفجارها در اندازهگیری فاصلههای کیهانی است. جالب آنکه مدل جدید مبتنی بر سیاهچالههای نخستین توانسته همین رابطهی فیلیپس را بازتولید کند.
لیونگ، نویسندهی اصلی، در یک بیانیهی خبری میگوید:
«نتایج ما پیامدهای هیجانانگیزی دارند. بهجای پیچیدگی دو مسیر متفاوت ـ که در یکی به نرخهای دقیق انتقال جرم نیاز داریم و در دیگری به جزئیات فروپاشی مداری و ادغام ـ کافی است یک کوتولهی سفید با جرم مناسب وجود داشته باشد و یک سیاهچالهی نخستین با سرعت درست به آن برخورد کند.»
او ادامه میدهد:
«این مدل نشان میدهد ابرنواخترهای نوع Ia میتوانند در طیف گستردهای از جرمهای کوتولههای سفید رخ دهند، الگوهای رصدی را بهخوبی بازتولید میکند و حتی میتواند نشانهی غیرمستقیمی از حضور سیاهچالههای نخستین بهعنوان بخشی از مادهی تاریک در جهان باشد.»
این پژوهش پیوند مستقیمی با تلاشها برای درک ماهیت مادهی تاریک دارد. بسیاری از اخترفیزیکدانان احتمال میدهند سیاهچالههای نخستین میتوانند بخش مهمی از مادهی تاریک باشند؛ حتی برخی بر این باورند که کل مادهی تاریک از همین اجرام ساخته شده است. بنابراین اگر این نظریه درست باشد، وقوع ابرنواخترهای نوع Ia بر اثر برخورد سیاهچالههای نخستین میتواند امضای رصدی قابل مشاهدهای برای مادهی تاریک فراهم آورد.
پژوهشگران مینویسند:
«برانگیختن انفجار توسط سیاهچالهی نخستین مسیری تازه برای ابرنواخترهای نوع Ia میگشاید.»
آنها توضیح میدهند که پروژههایی مانند پیمایش دیجیتال آسمان اسلون (SDSS) و تأسیسات گذرای زویکی (ZTF) میتوانند نرخ کلی ابرنواخترها را محدود کنند. بررسی بیشتر اثر ابرنواخترهای نوع Ia ناشی از سیاهچالههای نخستین در مقایسه با سناریوهای معمول دوتایی میتواند دیدگاه تازهای دربارهی نقش و جمعیت این سیاهچالهها بهعنوان گزینهای برای مادهی تاریک ارائه دهد.
