سیاهچاله‌های پرجرم: افزایش جرمی بیشتر از یک میلیون خورشید و کاهش رشد با پیر شدن جهان

این مقاله در ابتدا درThe Conversation منتشر شد.این نشریه مقاله را به «صدای خبره: Op-Ed & Insights» در Space.com ارائه کرد. فن زو دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه ایالتی پن است در حالی که دبلیو نیل برانت استاد نجوم و اخترفیزیک در ایالت پن است.

سیاهچاله ها اجرام نجومی قابل توجهی با گرانش آنقدر قوی هستند که هیچ چیز، حتی نور، نمی تواند از آنها فرار کند. غول پیکرترین سیاهچاله ها که به عنوان سیاهچاله های ‘بسیار پرجرم’ شناخته می شوند، می توانند میلیون ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید وزن داشته باشند.

این غول‌ها معمولاً در مراکز کهکشان‌ها زندگی می‌کنند. کهکشان خود ما، کهکشان راه شیری، حاوی یک سیاهچاله بسیار بزرگ نیز در قلب خود است.

بنابراین، چگونه این سیاه‌چاله‌های پرجرم فوق‌جرم می‌شوند؟ برای پاسخ به این سوال، تیم اخترفیزیک‌دانان ما به تاریخ ۱۳.۸ میلیارد ساله جهان نگاهی به گذشته انداختند تا چگونگی رشد سیاه‌چاله‌های پرجرم را از روزهای اولیه تا امروز بررسی کنند.

ما مدلی از تاریخچه رشد کلی سیاهچاله‌های کلان پرجرم در ۱۲ میلیارد سال گذشته ساختیم.

سیاهچاله های کلان جرم چگونه رشد می کنند؟

سیاهچاله های کلان جرم عمدتاً به دو صورت رشد می کنند. آنها می توانند گاز کهکشان های میزبان خود را در فرآیندی به نام برافزایش مصرف کنند، و همچنین می توانند در هنگام برخورد دو کهکشان با یکدیگر ادغام شوند.

وقتی سیاهچاله‌های پرجرم گاز مصرف می‌کنند، تقریباً همیشه پرتوهای X قوی، نوعی نور پرانرژی که با چشم غیرمسلح نامرئی است، ساطع می‌کنند. احتمالاً در مورد اشعه ایکس در دندانپزشک شنیده اید، جایی که گاهی اوقات برای معاینه دندان های شما استفاده می شود.اشعه ایکس مورد استفاده اخترشناسان معمولاً انرژی کمتری نسبت به پرتوهای ایکس پزشکی دارند.

پس چگونه هر نور، حتی اشعه ایکس نامرئی، می تواند از سیاهچاله ها فرار کند؟ به بیان دقیق، نور از خود سیاهچاله ها نمی آید، بلکه از گاز بیرون آنها می آید. هنگامی که گاز به سمت سیاهچاله کشیده می شود، گرم می شود و برای تولید نور، مانند اشعه ایکس، می تابد. هر چه یک سیاهچاله پرجرم گاز بیشتری مصرف کند، اشعه ایکس بیشتری تولید خواهد کرد.

به لطف داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول بیش از ۲۰ سال از سه تا از قوی‌ترین تأسیسات پرتو ایکس که تا کنون به فضا پرتاب شده‌اند –چاندرا، XMM-نیوتن و eROSITA– ستاره‌شناسان قادرند پرتوهای ایکس را از تعداد زیادی سیاه‌چاله‌های پرجرم در حال افزایش در کیهان ثبت کنند.

این داده‌ها به تیم تحقیقاتی ما کمک می‌کند تا برآورد کنند که سیاهچاله‌های کلان‌جرم با چه سرعتی از گاز تغذیه می‌شوند. به‌طور متوسط، یک سیاهچاله بسیار پرجرم می‌تواند هر سال به مقدار گاز کافی دست یابد که معادل جرم خورشید باشد، که مقدار دقیق آن به عوامل مختلف بستگی دارد.

به عنوان مثال، داده‌ها نشان می‌دهند که نرخ رشد یک سیاه‌چاله، به‌طور متوسط ​​در طی میلیون‌ها سال، به شدت به جرم همه ستاره‌های کهکشان میزبانش مرتبط است.

هر چند وقت یکبار سیاهچاله های کلان جرم ادغام می شوند؟

سیاهچاله های پرجرم علاوه بر تغذیه از گاز، می توانند با ادغام با یکدیگر نیز رشد کنند و در هنگام برخورد کهکشان ها، سیاهچاله ای واحد و پرجرم تر را تشکیل دهند.

شبیه‌سازی‌های کیهانی ابررایانه‌ای می‌توانند تعداد دفعات وقوع این رویدادها را پیش‌بینی کنند. هدف این شبیه سازی ها مدل سازی چگونگی رشد و تکامل جهان در طول زمان است. کهکشان های بی شماری که در فضا پرواز می کنند به نوعی مانند آجر هستند و جهان را می سازند.

این شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های بزرگی که میزبان آن‌ها هستند، می‌توانند در طول تاریخ کیهانی تحت ادغام چندگانه قرار گیرند.

تیم ما این دو کانال رشد – مصرف گاز و ادغام – را با استفاده از اشعه ایکس و شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای ردیابی کرده و سپس آنها را برای ساختن تاریخچه رشد کلی که رشد سیاه‌چاله‌ها در سراسر جهان را در طول میلیاردها سال ترسیم می‌کند، ترکیب کرده است.

تاریخ رشد ما نشان داد که سیاهچاله‌های پرجرم میلیاردها سال پیش، زمانی که جهان جوان‌تر بود، بسیار سریع‌تر رشد کردند.

در روزهای اولیه، کیهان حاوی گاز بیشتری برای مصرف سیاهچاله‌های کلان جرم بود و سیاهچاله‌های کلان پرجرم مدام در حال ظهور بودند. با پیر شدن کیهان، گاز به تدریج تخلیه شد و رشد سیاهچاله های عظیم کاهش یافت. حدود ۸ میلیارد سال پیش، تعداد سیاهچاله های کلان پرجرم تثبیت شد. از آن زمان تاکنون افزایش قابل توجهی نداشته است.

وقتی گاز کافی برای رشد سیاهچاله های کلان جرم وجود نداشته باشد، تنها راه بزرگتر شدن آنها از طریق ادغام است. ما موارد زیادی از آن را در تاریخ رشد خود ندیدیم. به طور متوسط، پرجرم‌ترین سیاه‌چاله‌ها می‌توانند از ادغام با سرعتی تا جرم خورشید هر چند دهه یک بار، جرم جمع کنند.

چشم به راه است: نگاهی به امید و انتظار در زندگی

این تحقیق به ما کمک کرد تا بفهمیم که چگونه بیش از ۹۰ درصد از جرم سیاهچاله ها در طول ۱۲ میلیارد سال گذشته انباشته شده است.

با این حال، ما هنوز باید بررسی کنیم که چگونه آنها در کیهان خیلی اولیه رشد کردند تا چند درصد باقیمانده از جرم سیاهچاله ها را توضیح دهیم. جامعه نجومی شروع به پیشرفت در کاوش این سیاهچاله های ابرپرجرم اولیه کرده است و امیدواریم به زودی پاسخ های بیشتری پیدا کنیم.

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است.