ادغام «ناممکن» دو سیاه‌چالهٔ عظیم توضیح یافت
در سال ۲۰۲۳، ستاره‌شناسان برخوردی عظیم را شناسایی کردند. دو سیاه‌چالهٔ بی‌سابقه‌الا حدی، که تقریباً هفت میلیارد سال نوری از ما دور بودند، به‌هم می‌خوردند. جرم‌های بسیار زیاد و چرخش‌های شدید این سیاه‌چاله‌ها ستاره‌شناسان را در تعجب فرو برد؛ چنین سیاه‌چاله‌هایی نباید وجود داشته باشند.
امروزه، ستاره‌شناسان مرکز محاسباتی اخترفیزیک مؤسسه Flatiron (CCA) و همکارانشان، چگونگی شکل‌گیری و برخورد این سیاه‌چاله‌ها را کشف کرده‌اند. شبیه‌سازی‌های جامع این پژوهشگران که سامانه را از دوران زندگی ستارگان والد تا مرگ نهایی آن‌ها دنبال می‌کند، قطعهٔ گمشده‌ای را که مطالعات پیشین نادیده گرفته بودند، آشکار ساخت: میدان‌های مغناطیسی.
«هیچ‌کس این سامانه‌ها را همان‌گونه که ما بررسی کردیم، در نظر نگرفته بود؛ پیش از این، ستاره‌شناسان تنها راه میانبر را پیش گرفتند و میدان‌های مغناطیسی را نادیده می‌گرفتند»، می‌گوید اوره گوتلیب، اخترفیزیک‌دان CCA و نویسندهٔ اصلی این مطالعه که در The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است. «اما به‌محض اینکه میدان‌های مغناطیسی را در نظر بگیرید، می‌توانید واقعاً ریشهٔ این رویداد منحصربه‌فرد را توضیح دهید.»
برخوردی که در سال ۲۰۲۳ شناسایی شد و اکنون با نام GW231123 شناخته می‌شود، توسط همکاری LIGO‑Virgo‑KAGRA با استفاده از آشکارسازهایی که امواج گرانشی — ارتعاشات فضا‑زمان ناشی از حرکت اجسام عظیم — را اندازه‌گیری می‌کردند، مشاهده شد.
در آن زمان، ستاره‌شناسان نمی‌توانستند درک کنند چنین سیاهچالههای بزرگ و با چرخش سریع چگونه به وجود آمده‌اند. وقتی ستارگان عظیم به انتهای عمر خود می‌رسند، بسیاری از آن‌ها فرو می‌نشینند و به‌عنوان ابرنواختر منفجر می‌شوند و پس از آن یک سیاه‌چاله باقی می‌ماند. اما اگر ستاره در بازهٔ جرمی خاصی قرار گیرد، نوع ویژه‌ای از ابرنواختر رخ می‌دهد. این انفجار که «ابرنواختر عدم‌پایداری جفتی» نام دارد، به‌قدری خشن است که ستاره به‌کل نابود می‌شود و هیچ‌چیزی به‌جا نمی‌ماند.
«به‌دلیل این ابرنواخترها، انتظار نداریم سیاه‌چاله‌ها در بازهٔ حدود ۷۰ تا ۱۴۰ برابر جرم خورشید شکل بگیرند»، می‌گوید گوتلیب. «به همین دلیل مشاهدهٔ سیاه‌چاله‌هایی با جرمی داخل این فاصله برای ما معما بود.»
سیاهچالههای داخل این شکاف جرمی می‌توانند به‌صورت غیرمستقیم تشکیل شوند؛ زمانی که دو سیاه‌چاله به هم می‌پیوندند و یک سیاه‌چالهٔ بزرگ‌تر می‌سازند، اما در مورد GW231123، دانشمندان این احتمال را کم‌احتمال می‌دانستند. ادغام سیاه‌چاله‌ها رویدادی به‌شدت آشوبناک است که غالباً چرخش سیاه‌چالهٔ حاصل را مخدوش می‌کند. سیاهچالههای GW231123 سریع‌ترین چرخش‌ها را که تاکنون توسط LIGO مشاهده شده‌اند، داشتند و فضا‑زمان را تقریباً با سرعت نور می‌چرخاندند. دو سیاه‌چاله با این اندازه و چرخش به‌نهایت نامحتمل هستند؛ بنابراین ستاره‌شناسان گمان کردند عامل دیگری در کار است.
گوتلیب و همکارانش با انجام دو مرحله شبیه‌سازی محاسباتی این موضوع را بررسی کردند. ابتدا یک ستارهٔ غول‌پیکر با جرم ۲۵۰ برابر خورشید را از مرحلهٔ اصلی زندگی‌اش شبیه‌سازی کردند؛ از زمانی که هیدروژن می‌سوزاند تا زمانی که سوخت آن تمام شد و به‌عنوان ابرنواختر فرو می‌پاشد. تا زمانی که چنین ستارهٔ عظیمی به مرحلهٔ ابرنواختر رسید، به اندازه کافی سوخت مصرف کرده بود که جرمش به‌سوی ۱۵۰ برابر جرم خورشید کاهش یافت؛ این مقدار کمی بالاتر از شکاف جرمی بود و به‌قدر کافی بزرگ بود تا پس از آن یک سیاه‌چاله باقی بگذارد.
دومین مجموعه شبیه‌سازی‌های پیچیده‌تر، که میدان‌های مغناطیسی را در بر می‌گرفتند، به بررسی پیامدهای پس از ابرنواختر پرداخت. این مدل با باقی‌مانده‌های ابرنواختر آغاز شد؛ ابری از مواد ستاره‌ای باقی‌مانده که با میدان‌های مغناطیسی درهم‌تنیده بود و یک سیاه‌چاله در مرکز آن قرار داشت. پیش از این، ستاره‌شناسان فرض می‌کردند تمام جرم این ابر به سیاه‌چالهٔ نوپدید می‌افتد و جرم نهایی سیاه‌چاله برابر جرم ستارهٔ عظیم می‌شود. اما شبیه‌سازی‌ها چیز دیگری نشان دادند.
پس از فروپاشی یک ستارهٔ بدون چرخش برای تشکیل سیاه‌چاله، ابر از مواد باقی‌مانده به‌سرعت به داخل سیاه‌چاله می‌افتد. اما اگر ستارهٔ اولیه به‌سرعت می‌چرخید، این ابر یک دیسک چرخان تشکیل می‌دهد که باعث می‌شود سیاه‌چاله با سقوط مواد به آن، به‌تدریج سریع‌تر بچرخد. در حضور میدان‌های مغناطیسی، این میدان‌ها به دیسک باقی‌مانده فشار وارد می‌کنند. این فشار به‌قدر کافی قوی است که بخشی از مواد را با سرعتی نزدیک به سرعت نور از سیاه‌چاله دفع کند.
این خروجی‌ها در نهایت مقدار عمده‌ای از مواد موجود در دیسک که قرار بود به سیاه‌چاله خورده شود، کاهش می‌دهند. هرچه میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر باشند، این اثر بیشتر می‌شود. در موارد حاد با میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی، می‌توان تا نیمی از جرم اولیهٔ ستاره را از طریق خروجی‌های دیسک سیاه‌چاله به‌دور راند. در شبیه‌سازی‌ها، میدان‌های مغناطیسی در نهایت یک سیاه‌چالهٔ نهایی در داخل شکاف جرمی ایجاد کردند.
«ما دریافتیم حضور چرخش و میدان‌های مغناطیسی می‌تواند به‌صورت اساسی سیر تحول پس از فروپاشی ستاره را تغییر دهد و جرم سیاه‌چاله را به‌طور قابل‌توجهی کمتر از جرم کل ستارهٔ فروپاشنده کند»، می‌گوید گوتلیب.
نتایج، به گفته گوتلیب، ارتباطی بین جرم یک سیاه‌چاله و سرعت چرخش آن نشان می‌دهد. میدان‌های مغناطیسی قوی می‌توانند سیاه‌چاله را کند کرده و بخشی از جرم ستاره‌ای را به‌دور راند، به‌طوری که سیاهچالههای سبک‌تر و با چرخش آهسته‌تر شکل بگیرند. میدان‌های ضعیف‌تر اجازه می‌دهند سیاهچالههای سنگین‌تر و چرخش‌سریع‌تری تشکیل شوند. این موضوع نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌ها ممکن است الگویی داشته باشند که جرم و چرخش آن‌ها را به‌هم پیوند می‌زند.
اگرچه ستاره‌شناسان هیچ سامانهٔ سیاه‌چالهٔ دیگری که بتوان این ارتباط را به‌صورت مشاهداتی آزمود، نمی‌دانند، اما امید دارند که مشاهدات آینده سامانه‌های بیشتری پیدا کنند که بتوانند این ارتباط را تأیید کنند.
شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان می‌دهند که شکل‌گیری این نوع سیاه‌چاله‌ها باعث انفجارهای پرتو گاما می‌شود که ممکن است قابل‌مشاهده باشند. جستجوی این امضاهای پرتو گاما می‌تواند به تأیید فرآیند شکل‌گیری پیشنهادی کمک کند و میزان شایع‌بودن این سیاهچالههای عظیم را در کیهان آشکار سازد. در نهایت، اگر چنین ارتباطی تأیید شود، به ستاره‌شناسان کمک می‌کند تا درک عمیق‌تری از فیزیک بنیادی سیاه‌چاله‌ها پیدا کنند.
اطلاعات بیشتر: Ore Gottlieb et al, Spinning into the Gap: Direct-horizon Collapse as the Origin of GW231123 from End-to-end General-relativistic Magnetohydrodynamic Simulations, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae0d81
اطلاعات نشریه: Astrophysical Journal Letters
ارائه‌شده توسط Simons Foundation