1

ستاره‌شناسان سرانجام موفق به تأیید وجود گروهی از سیاه‌چاله‌ها شدند که نه به اندازه کافی کوچک هستند که از ستارگان معمولی به‌وجود آمده باشند، نه آن‌قدر بزرگ که کهکشان‌ها را در مرکز خود نگه دارند.

کشف سیاه‌چاله‌های میان‌جرم در داده‌های موج گرانشی

به گفته «کریستال رویز-روچا»، اخترفیزیک‌دان دانشگاه وندربیلت، این اجرام کیهانی جرمی بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ برابر خورشید دارند و در داده‌های سومین دوره مشاهدات رصدخانه‌های موج گرانشی LIGO و Virgo شناسایی شده‌اند.

معمای منطقه میانی سیاه‌چاله‌ها

بیشتر سیاه‌چاله‌های شناخته‌شده یا جرمی کمتر از ۵۰ برابر خورشید دارند یا در محدوده میلیون‌ها برابر جرم خورشید قرار می‌گیرند. این موضوع یک بازه معماگونه در میان این دو محدوده باقی می‌گذارد. یافتن سیاه‌چاله‌هایی در این بازه اهمیت زیادی دارد، چون جرم آن‌ها می‌تواند سرنخ‌هایی از نحوه زندگی و مرگ نخستین ستارگان سنگین در کیهان ارائه دهد.

ادغام غول‌های در حال فروریزش

رصدخانه‌های LIGO و Virgo چین‌خوردگی‌های لحظه‌ای در بافت فضا-زمان را ثبت می‌کنند که کمتر از نیم ثانیه طول می‌کشد. دانشمندان از همین سیگنال‌های ضعیف می‌توانند جرم و چرخش اجرام برخوردکننده را محاسبه کنند.

در دوره مشاهداتی ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۰، این شبکه یازده رویداد ادغام را ثبت کرد که جرم کلی‌شان از ۱۰۰ برابر خورشید فراتر می‌رفت. این یافته‌ها به یک دسته جدید از اجرام میان‌جرم سبک اشاره داشت.

کاران جانی، دانشمند ارشد پروژه Lunar Labs در دانشگاه وندربیلت، می‌گوید:
«سیاه‌چاله‌ها فسیل‌های نهایی کیهان هستند.»

تحلیل داده‌ها با کد RIFT

تیم او از یک کد بیزی به نام RIFT برای تحلیل هر رویداد با سه مدل مختلف از امواج گرانشی استفاده کرد و در نهایت پنج رویداد را شناسایی کردند که بقایای سیاه‌چاله‌هایی با جرم ۱۱۰ تا ۳۵۰ برابر خورشید بر جای گذاشته بودند.

شناسایی سیاه‌چاله‌های میان‌جرم

شناسایی این سیاه‌چاله‌های میان‌جرم دشوار است، زیرا سیگنال آن‌ها در محدوده فرکانس پایین قرار دارد؛ محدوده‌ای که آشکارسازهای زمینی در آن با نویز زیادی مواجه هستند. این موضوع باعث می‌شود که تشخیص رویدادهای کیهانی واقعی از نویز پس‌زمینه دشوار باشد، به‌ویژه در مورد سیگنال‌های ضعیف یا دوردست.

راهکار دانشمندان برای شناسایی دقیق‌تر

• استفاده از سه مدل موج گرانشی متفاوت برای مقایسه شکل سیگنال‌ها
• بهره‌گیری از ابزار استنتاج بیزی برای تخمین دقیق‌تر جرم و چرخش سیاه‌چاله‌ها، حتی در مواردی که سیگنال‌ها کوتاه یا ضعیف بودند

ادغام‌های مکرر در خوشه‌های متراکم

بر اساس نظریه‌های ستاره‌ای، ابرنواخترهای ناپایداری جفت، ستارگانی را که هسته آن‌ها بیش از حد داغ می‌شود، منفجر می‌کند و اجازه تشکیل سیاه‌چاله‌هایی با جرم بین ۶۰ تا ۱۲۰ برابر خورشید را نمی‌دهد.

اما در این تحقیق، دست‌کم یکی از اجرام پیش از ادغام در همین بازه جرم قرار داشته و دو مورد دیگر نیز بالاتر از این محدوده قرار گرفته‌اند. این موضوع نشان می‌دهد که ادغام‌های پیاپی در خوشه‌های ستاره‌ای متراکم می‌تواند این مرز طبیعی را دور بزند.

ساختار سلسله‌مراتبی در ادغام‌ها

در این سناریو، سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر در خوشه‌های جوان ستاره‌ای که سرعت گریز در آن‌ها بالا است و تعداد زیادی همراه تازه وجود دارد، بارها ادغام می‌شوند و سیاه‌چاله‌های بزرگ‌تری را شکل می‌دهند.

یکی از نشانه‌های این فرآیند، چرخش‌هایی است که گاهی خلاف جهت حرکت مداری جرم‌های در حال ادغام است؛ ویژگی‌ای که در برخی از نمونه‌های میان‌جرم سبک مشاهده شده و فرضیه منشأ پویشی آن‌ها را تقویت می‌کند.

رصد آینده در صحنه کیهانی

آشکارسازهای فضایی می‌توانند همین دوتایی‌های در حال ادغام را سال‌ها پیش از برخورد نهایی‌شان روی زمین شناسایی کرده و مسیر ادغام‌شان را دنبال کنند.

پروژه LISA: آشکارسازی از فضا

پروژه LISA (آشکارساز تداخل‌سنجی لیزری فضایی)، محصول مشترک ناسا و آژانس فضایی اروپا (ESA)، قرار است در میانه دهه ۲۰۳۰ پرتاب شود و امواج گرانشی فرکانس پایین را شناسایی کند؛ امواجی که از زمین قابل شنیدن نیستند.

آن‌جالی یلیکار، پژوهشگر فوق‌دکترا در این پروژه، می‌گوید:
«دسترسی به فرکانس‌های پایین‌تر از سطح ماه می‌تواند به ما اجازه دهد محیط‌های میزبان این سیاه‌چاله‌ها را شناسایی کنیم.»

ترکیب رصدهای زمینی، فضایی و ماه‌نشین

ترکیب داده‌های به‌دست‌آمده از رصدخانه‌های زمینی، فضایی و ماه‌نشین می‌تواند بازه قابل مشاهده سیگنال‌های موج گرانشی را از چند دقیقه تا چند سال گسترش دهد و در نتیجه شناسنامه کامل‌تری از هر ادغام ارائه کند.

حلقه مفقوده در میان سیاه‌چاله‌ها

در این مطالعه، دورترین رویداد در فاصله ۳۷ میلیارد سال نوری و نزدیک‌ترین آن در فاصله ۲.۵ میلیارد سال نوری از ما قرار داشت.

از میان این یازده ادغام، پنج مورد بیش از ۹۵ درصد احتمال داشتند که بقایایی با جرم بیش از ۱۰۰ برابر خورشید تولید کنند. این‌ها سنگین‌ترین منابع امواج گرانشی ثبت‌شده در تاریخ هستند.

اهمیت سیاه‌چاله‌های میان‌جرم سبک

این سیاه‌چاله‌های میان‌جرم سبک می‌توانند حلقه مفقوده بین سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای و ابرپرجرم باشند. درک چگونگی شکل‌گیری این سیاه‌چاله‌ها و محیط‌های میزبان‌شان به اخترفیزیک‌دانان کمک می‌کند تا مدل‌های رشد کهکشان‌ها، پویایی خوشه‌های ستاره‌ای و تاریخچه ماده در کیهان را دقیق‌تر کنند.

داستان سیاه‌چاله‌های میان‌جرم

برخی نظریه‌ها معتقدند این سیاه‌چاله‌های میان‌جرم می‌توانند در نهایت به سیاه‌چاله‌های ابرپرجرمی که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند، تبدیل شوند. برخی دیگر نیز آن‌ها را یادگارهایی از نسل نخست ستارگان می‌دانند که نگاهی به دوران پیش از تشکیل نخستین کهکشان‌ها را ممکن می‌سازد.

رویز-روچا می‌گوید:
«امیدواریم این پژوهش، جایگاه سیاه‌چاله‌های میان‌جرم را به‌عنوان هیجان‌انگیزترین منابع در شبکه آشکارسازها تثبیت کند.»

با هر کشف تازه، اخترشناسان سرشماری دقیق‌تری از سیاه‌چاله‌ها انجام می‌دهند و یک گام دیگر به کشف نسل نخست ستارگانی که کهکشان‌های امروز را بذرپاشی کردند، نزدیک می‌شوند.

این مطالعه در نشریه Astrophysical Journal Letters منتشر شده است.