فسیل‌های کیهانی پرده برداشتند؛ سیاه‌چاله‌ها با سرعتی غیرمنتظره در حرکت‌اند!

دانشمندان دریافته‌اند که برخی از سیاهچاله‌های کلان‌جرم بسیار سریع‌تر از آنچه تصور می‌شد، می‌چرخند. این کشف نتیجه روشی نوین در «باستان‌شناسی سیاهچاله‌ای» است که چرخش سیاهچاله‌ها را به گاز و غباری که طی ۷ میلیارد سال تاریخ کیهانی بلعیده‌اند، ارتباط می‌دهد.

نتایج حاصل از بررسی‌های پروژه نقشه‌برداری آسمانی اسلون (SDSS) نشان می‌دهد که:
اولاً، ممکن است که جهان اولیه منظم‌تر از آن چیزی بوده باشد که پیش‌تر تصور می‌شد.
ثانیاً، رشد سیاهچاله‌های کلان‌جرم که معمولاً در اثر ادغام سیاهچاله‌های کوچکتر طی برخورد کهکشان‌ها رخ می‌دهد، احتمالاً علاوه بر این فرآیند، از طریق بلعیدن مداوم گاز و غبار اطرافشان نیز تسریع شده است.

لوگان فریز، عضو این تیم از دانشگاه کانکتیکات، می‌گوید:
“ما سیاهچاله‌های غول‌پیکری را که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند، از زمان حال تا ۷ میلیارد سال گذشته بررسی کردیم. به شکلی غیرمنتظره دریافتیم که این سیاهچاله‌ها سریع‌تر از آنچه تنها با ادغام کهکشان‌ها انتظار می‌رفت، می‌چرخند.
پس باید بخش عمده‌ای از رشد آن‌ها ناشی از افتادن ماده به درونشان باشد که ضمن رشد تدریجی، موجب افزایش سرعت چرخش آن‌ها شده است.”

اندازه‌گیری چرخش سیاهچاله‌ها کار آسانی نیست

با وجود اینکه سیاهچاله‌های کلان‌جرم—که جرمی میلیون‌ها تا میلیاردها برابر خورشید دارند—نقش تعیین‌کننده‌ای در شکل‌گیری کهکشان‌ها ایفا می‌کنند، اما از نظر ویژگی‌های بنیادی، ساختار ساده‌ای دارند.

هر سیاهچاله را می‌توان تنها با سه ویژگی مشخص کرد: جرم، چرخش و بار الکتریکی (که بار الکتریکی معمولاً ناچیز است).

فیزیکدان معروف جان ویلر این ویژگی را با جمله‌ای طنزآمیز بیان کرد: «سیاهچاله‌ها مو ندارند»—به این معنا که تنها با دو عدد، یعنی جرم و سرعت چرخش، کاملاً توصیف می‌شوند.

فریز می‌گوید: “سیاهچاله‌ها شاید عجیب به نظر برسند، اما تنها دو عدد کافی است تا آن‌ها را توصیف کنیم: جرم و نرخ چرخش. مشکل اینجاست که اندازه‌گیری جرم دشوار است و چرخش حتی سخت‌تر.”

اندازه‌گیری سرعت چرخش سیاهچاله به این دلیل دشوار است که معمولاً از سرعت چرخش قرص برافزایشی (دیسک مسطحی از گاز و غبار که سیاهچاله را احاطه کرده) قابل تمایز نیست.

جاناتان ترامپ، عضو دیگر این تیم پژوهشی از دانشگاه کانکتیکات، توضیح می‌دهد:
“چالش اصلی این است که چرخش سیاهچاله را از چرخش قرص برافزایشی که آن را احاطه کرده، تفکیک کنیم.
کلید حل این مسئله بررسی داخلی‌ترین ناحیه‌ای است که گاز مستقیماً به سمت افق رویداد سیاهچاله سقوط می‌کند.
سیاهچاله‌ای که در حال چرخش است، این ماده را نیز با خود می‌چرخاند که در مشاهدات ما منجر به تغییرات قابل اندازه‌گیری می‌شود.”

سیاهچاله‌ها و یک «سابقه فسیلی» کیهانی

این تیم پژوهشی برای تعیین میزان چرخش سیاهچاله‌ها از داده‌های پروژه نقشه‌برداری بازتابی SDSS استفاده کرده است. این پروژه، اندازه‌گیری‌های فوق‌العاده دقیقی از جرم صدها سیاهچاله ارائه داده و ساختار قرص‌های برافزایشی را با جزئیات بررسی کرده است.

این داده‌ها به‌صورت طیف‌های نوری در سراسر طیف الکترومغناطیسی ثبت شده‌اند. دانشمندان با تجزیه و تحلیل این طیف‌ها می‌توانند میزان چرخش سیاهچاله مرکزی را اندازه‌گیری کنند.

تغییرات جزئی در طول‌موج نور، اطلاعات مهمی درباره چرخش سیاهچاله ارائه می‌دهد، زیرا ماده‌ای که به درون سیاهچاله سقوط می‌کند، همراه خود اندازه حرکت زاویه‌ای (چرخش) را نیز وارد آن می‌کند.

فریز این روش را “باستان‌شناسی سیاهچاله‌ای” می‌نامد و می‌گوید:
“ما در تلاشیم تا بفهمیم چگونه جرم سیاهچاله‌ها در طول زمان رشد کرده است.
با بررسی میزان چرخش سیاهچاله، درواقع در حال مطالعه «سوابق فسیلی» آن هستیم.”

دانشمندان با مقایسه سرعت چرخش مشاهده‌شده با پیش‌بینی‌های مدل‌های کنونی، این سوابق را رمزگشایی می‌کنند.
مدل غالب کنونی می‌گوید که سیاهچاله‌های کلان‌جرم از طریق ادغام سیاهچاله‌های کوچک‌تر در اثر برخورد کهکشان‌ها رشد می‌کنند.

از آنجا که هر کهکشان نرخ چرخش متفاوتی دارد، هنگام ادغام، این چرخش‌ها یا یکدیگر را خنثی می‌کنند یا با هم ترکیب می‌شوند، که هر دو حالت به یک میزان محتمل هستند.
بنابراین، انتظار می‌رود که سیاهچاله‌ها خیلی کند بچرخند—اما یافته‌های این تحقیق چیز دیگری را نشان می‌دهد.

این پژوهش نشان داد که نه تنها بسیاری از سیاهچاله‌ها سریع‌تر از حد انتظار می‌چرخند، بلکه سیاهچاله‌های موجود در کهکشان‌های دوردست حتی سریع‌تر از نمونه‌های موجود در جهان نزدیک‌تر هستند.

این یافته نشان می‌دهد که چرخش سیاهچاله‌ها احتمالاً به مرور زمان افزایش می‌یابد.
یک توضیح محتمل این است که سیاهچاله‌ها با جذب تدریجی گاز و غبار، اندازه حرکت زاویه‌ای بیشتری دریافت کرده و به تدریج سرعت چرخششان افزایش می‌یابد.

آینده پژوهش: تلسکوپ جیمز وب در میدان تحقیق

دانشمندان می‌توانند این ایده را با مشاهدات بیشتر از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) آزمایش کنند. این تلسکوپ در طول سه سال فعالیت خود، در حال کشف سیاهچاله‌های کلان‌جرم از دوران‌های بسیار اولیه جهان بوده است.

جونا کولمایر، مدیر SDSS-V (نسخه فعلی نقشه‌برداری SDSS)، می‌گوید:
“سیاهچاله‌ها در مرزهای درک انسانی قرار دارند.
ما با انجام نظرسنجی‌های وسیعی مانند SDSS، تلاش می‌کنیم تصویری تجربی از ویژگی‌های بنیادی آن‌ها بسازیم تا مدل‌های نظری خود را با آن آزمایش کنیم.”