در فاصله‌ای بسیار دور از منظومه‌ی شمسی، غول‌هایی حضور دارند که ابعاد آن‌ها در تصور هم نمی‌گنجد. کره‌هایی عظیم و ابَرچگال از ماده که هر چیزی که از افق رویداد آن‌ها بگذرد، حتی نور را در خود می‌بلعند. این‌ها بزرگترین سیاهچاله‌های جهان هستند که مطالعه‌ی آن‌ها می‌تواند به دانشمندان برای یافتن پاسخ بسیاری از پرسش‌های کیهانی کمک کند.
سیاهچاله چیست؟
سیاهچالهها را باید یکی از مرموزترین اجرام کیهانی دانست و با وجود آنکه تا کنون مطالعات زیادی درباره‌ی آن‌ها انجام شده است اما هنوز هم به طور کامل شناخته نشده‌اند و حتی دقیقا نمی‌دانیم که داخل سیاهچاله چیست. البته روشن است که این اجرام واقعا یک حفره نیستند! بلکه تراکم عظیمی از ماده هستند که در فضایی بسیار کوچک جمع شده است. یک «سیاهچاله» (Black Hole) بسیار چگال است و گرانش درست زیر سطح آن، یعنی افق رویداد، به اندازه‌ای قوی است که هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند از آن فرار کند. افق رویداد مانند سطح زمین یا حتی خورشید نیست، بلکه مرزی است که تمام مواد تشکیل‌دهنده‌ی سیاهچاله را دربر می‌گیرد.
کهکشان راه شیری می‌تواند بیش از ۱۰۰ میلیون سیاهچاله را در خود جای دهد، هرچند شناسایی این اجرام بسیار دشوار است. با این حال در قلب کهکشان راه شیری یک سیاهچالهی بسیار پرجرم به نام «کمان ای*» (*Sagittarius A) قرار دارد که به گفته‌ی ناسا، حدود ۴ میلیون برابر خورشید جرم و تقریبا ۲۶ هزار سال نوری از زمین فاصله دارد.
نخستین تصویر از یک سیاهچاله در سال ۲۰۱۹ توسط تلسکوپ افق رویداد (EHT) گرفته شد. این عکس خیره‌کننده، سیاهچالهی مرکز کهکشان M87 در فاصله‌ی ۵۵ میلیون سال نوری از زمین را به نمایش گذاشت و دانشمندان و علاقه‌مندان سراسر جهان را به وجد آورد.
Credit: Solarseven/Getty Images
اندازه‌گیری جرم و ابعاد سیاهچاله
واضح است که اندازه‌گیری چنین اجرام عظیم و دوردستی که طبق تعریف، سیاه هستند و نمی‌توان آن‌ها را مستقیما مشاهده کرد، دشوار است. اما اخترشناسان از روش‌های غیرمستقیم و مبتنی بر تأثیرات گرانشی سیاهچالهها بر اجرام اطرافشان، برای تخمین جرم خود آن‌ها استفاده می‌کنند. از جمله مهم‌ترین و معتبرترین روش‌های استفاده شده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
اندازه‌گیری حرکت ستارگان در اطراف سیاهچاله
در سامانه‌های ستاره‌ای دوتایی اگر یک سیاهچاله در با یک همدم ستاره‌ای حضور داشته باشد، با بررسی حرکت مداری ستاره می‌توان جرم سیاهچاله را تخمین زد. برای این محاسبات از قوانین حرکت کپلر و گرانش نیوتن استفاده می‌شود. در مرکز بسیاری از کهکشان‌ها از جمله کهکشان راه شیری هم سیاهچاله‌های کلان‌جرم وجود دارند که با بررسی حرکت ستارگان در اطراف مرکز کهکشان می‌توان جرم سیاهچالهی مرکزی را به دست آورد.
اندازه‌گیری حرکت گازهای اطراف سیاهچاله
بسیاری از سیاهچالهها قرص برافزایشی هم دارند یعنی صفحه‌ای دایره‌ای که از گازوغبار تشکیل شده است و با سرعت بسیار زیادی دور سیاهچاله می‌چرخد. با بررسی طیف نوری این گازها و استفاده از اثر دوپلر، می‌توان سرعت چرخش آن‌ها را اندازه‌گیری کرد و سپس با استفاده از قوانین فیزیک، به برآوردی از جرم سیاهچاله رسید.
همچنین با مطالعه‌ی تابش ساطع شده از قرص برافزایشی و مدل‌سازی آن، می‌توان به اطلاعاتی در مورد اندازه و ساختار قرص دست یافت که این اطلاعات به نوبه‌ی خود می‌تواند در تخمین ابعاد سیاهچالهی مرکزی کمک کند.
اندازه‌گیری امواج گرانشی
استفاده از تداخل‌سنج‌های لیزری مانند «لایگو» (LIGO) و «ویرگو» (VIRGO) هم یکی دیگر از روش‌های تخمین جرم سیاهچاله‌هاست. با کمک این ابزارها می‌توان امواج گرانشی ناشی از ادغام سیاهچالهها را آشکارسازی و از روی ویژگی‌های این امواج، جرم سیاهچاله‌های ادغام شده را با دقت بسیار بالایی محاسبه کرد. علاوه بر این، اطلاعاتی درباره‌ی چرخش و فاصله‌ی آن‌ها به دست می‌آید که می‌تواند در تخمین ابعاد سیاهچالهها کمک کند.
لنز گرانشی
سیاهچالهها به دلیل جرم بسیار زیاد، باعث انحراف نور اجرام پشت سر خود می‌شوند. بدین ترتیب با مطالعه‌ی این انحراف نور که از آن تحت عنوان «لنز گرانشی» یاد می‌شود، می‌توان جرم سیاهچاله را تخمین زد. همچنین با بررسی میزان انحراف نور، می‌توان شعاع انحنای فضا-زمان ناشی از حضور سیاهچاله را محاسبه کرد و اطلاعاتی در مورد اندازه‌ی مؤثر سیاهچاله به دست آورد.
پدیده عدسی گرانشی بر اثر حضور سیاهچاله
Credit: ESA/Hubble, Digitized Sky Survey, Nick Risinger (skysurvey.org), N. Bartmann
مدل‌سازی نظری
از سویی شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای هم برای تخمین جرم سیاهچالهها به کمک اخترشناسان آمده است. آن‌ها از مدل‌های نظری و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای برای بررسی رفتار سیاهچالهها و اجرام اطراف آن‌ها استفاده می‌کنند. با مقایسه نتایج شبیه‌سازی با مشاهدات، می‌توان به اطلاعاتی در مورد جرم سیاهچالهها دست یافت.
انواع سیاهچالهها
دانشمندان تا کنون سه نوع سیاهچاله را شناسایی کرده‌اند که شامل سیاهچاله‌های ستاره‌ای، سیاهچاله‌های کلان‌جرم و سیاهچاله‌های میانی می‌شود.
سیاهچاله‌های ستاره‌ای؛ کوچک اما مرگ‌بار
هنگامی که یک ستاره آخرین ذخیره‌ی سوخت خود را می‌سوزاند، ممکن است ماده بر اثر گرانش به درون سقوط کند یا به عبارتی بِرُمبَد. برای ستارگان کوچک‌تر یعنی آن‌هایی که دارای جرم تقریبا تا ۳ برابر خورشید هستند، هسته‌ی جدید به یک ستاره‌ی نوترونی یا یک کوتوله‌ی سفید تبدیل خواهد شد. اما وقتی یک ستاره‌ی بزرگ‌تر فرو می‌ریزد، به فشرده شدن ادامه می‌دهد و یک سیاهچالهی ستاره‌ای ایجاد می‌کند.
سیاهچاله‌هایی که از فروپاشی ستارگان منفرد به وجود آمده‌اند، نسبتا کوچک اما به طرز باورنکردنی چگال هستند. برای نمونه می‌توانند با جرمی بیش از ۳ برابر جرم خورشید، قطری تنها به اندازه‌ی یک شهر داشته باشند. این جرم، نیروی گرانشی دیوانه‌واری ایجاد می‌کند که اجرام اطراف را به سوی خود می‌کشد. بدین ترتیب سیاهچاله‌های ستاره‌ای غبار و گاز کهکشان‌های اطراف خود را مصرف می‌کنند که باعث می‌شود اندازه‌ی آن‌ها بیشتر شود.
سیاهچاله های کلان‌جرم؛ تولد غول‌ها
هرچند سیاهچاله‌های کوچک جهان را پر کرده‌اند، اما باز هم پسرعموهای آن‌ها، یعنی سیاهچاله‌های کلان‌جرم، غالب هستند. این سیاهچاله‌های عظیم که از انواع بزرگترین سیاه چاله محسوب می‌شوند، میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند، اما قطرشان تقریبا برابر است. تصور می‌شود که چنین سیاهچاله‌هایی تقریبا در مرکز هر کهکشانی از جمله کهکشان راه شیری قرار داشته باشند. پس از تشکیل این غول‌ها، با مصرف گردوغبار و گاز اطراف خود که در مرکز کهکشان بسیار یافت می‌شود، جرمشان باز هم بیشتر می‌شود و به آن‌ها امکان می‌دهد تا به اندازه‌های بسیار بزرگ‌تری دست یابند.
دانشمندان مطمئن نیستند که این نوع از سیاهچاله‌های بسیار بزرگ چگونه تولید می‌شوند اما چند روش پیشنهادی برای شکل‌گیری سیاهچاله‌های کلان‌جرم وجود دارد. ممکن است نتیجه‌ی ادغام صدها یا هزاران سیاهچالهی کوچک باشند. از سویی ابرهای گازی بزرگ هم می‌توانند مسؤول شکل‌گیری این سیاهچالهها باشند، که روی هم فرو می‌ریزند و به سرعت جرم سیاهچاله را افزایش می‌دهند.
روش سوم فروپاشی یک خوشه‌ی ستاره‌ای است، یعنی گروهی از ستاره‌ها که همه با هم به درون خود فرو می‌ریزند و در نهایت روش چهارم، سیاهچاله‌های کلان‌جرم می‌توانند از خوشه‌های بزرگ ماده تاریک به وجود بیایند. ماده‌ای است که می‌توانیم از طریق اثر گرانشی بر اجرام دیگر، آن را درک کنیم. با این حال، نمی‌دانیم از چه چیزی تشکیل شده است چون نور ساطع نمی‌کند و نمی‌توان مستقیما آن را مشاهده کرد.
طرحی گرافیکی از یک سیاهچاله کلان‌جرم
Credit: NASA/JPL-Caltech
سیاهچاله‌های میانی
در گذشته دانشمندان تصور فکر می‌کردند که سیاهچالهها فقط در اندازه‌های کوچک و بزرگ وجود دارند، اما تحقیقات تازه احتمال وجود سیاهچاله‌های با اندازه‌ی میانی یا همان سیاهچاله‌های متوسط (IMBHs) را هم آشکار کرده است. چنین اجرامی می‌توانند هنگامی تشکیل شوند که ستاره‌های یک خوشه در یک واکنش زنجیره‌ای با هم برخورد کنند. چندین مورد از این IMBH که در همان منطقه شکل می‌گیرند، در نهایت می‌توانند در مرکز یک کهکشان با هم ادغام شده و یک سیاهچالهی بسیار پرجرم ایجاد کنند.
در سال ۲۰۱۴ بود که اخترشناسان چیزی را یافتند که به نظر می‌رسید سیاهچاله‌ای با جرم متوسط در بازوی یک کهکشان مارپیچی باشد و چندین سال بعد در سال ۲۰۲۱ از یک انفجار پرتو گامای قدیمی برای شناسایی بهتر آن استفاده کردند. به گفته‌ی «تیم رابرتز» (Tim Roberts) یکی از نویسندگان این مطالعه از دانشگاه دورهام در بریتانیا «ستاره‌شناسان به شدت به دنبال این سیاهچاله‌های با اندازه‌ی متوسط بوده‌اند. نشانه‌هایی مبنی بر وجود آن‌ها هست اما IMBHها مانند یک خویشاوند گمشده عمل می‌کنند که علاقه‌ای به پیدا شدن ندارد!»
تحقیقات انجام شده در سال ۲۰۱۸ هم نشان داد که این سیاهچاله‌های میانی ممکن است در قلب کهکشان‌های کوتوله (یا کهکشان‌های بسیار کوچک) وجود داشته باشند. مشاهدات ۱۰ کهکشان از این نوع که ۵ تای آن‌ها پیش از این کاوش جدید ناشناخته بودند، فعالیت پرتو ایکس که در سیاهچالهها رایج است، وجود سیاهچاله‌هایی با جرم ۳۶ هزار تا ۳۱۶ هزار برابر خورشید را نشان می‌دهد. این اطلاعات از Sloan Digital Sky Survey به دست آمده است که حدود ۱ میلیون کهکشان را بررسی می‌کند و می‌تواند نوع نوری را که اغلب از سیاهچاله‌هایی که در حال جمع‌آوری بقایای مجاور خود هستند، به زمین می‌رسد، تشخیص دهد.
بزرگترین سیاه چاله جهان
هنگام بررسی این ساختارهای عظیم کیهانی، یکی از پرسش‌هایی که به ذهن می‌رسد این است که «بزرگترین سیاه چاله کیهان کدام است؟» پیش از پاسخ به این پرسش، ابتدا باید اشاره شود که تعیین بزرگترین سیاهچاله کاری پرچالش است.
یکی از بزرگترین نامزدهایی که تا کنون کشف شده است، Ton 618 نام گرفته است که در وسط یک اختروش در فاصله‌ی کیهانی ۱۸.۲ میلیارد سال نوری و در محدوده‌ی نزدیک به مرز صورت‌های فلکی «تازی‌ها» (Canes Venatici) و «گیسوی برنیکه» (Coma Berenices) قرار دارد. تخمین زده می‌شود که جرم این سیاهچاله ۴۰ تا ۶۶ میلیارد برابر خورشید و ابعاد آن ۴۰ برابر بیشتر از فاصله‌ی میان نپتون و خورشید ما باشد. علاوه بر این سیاهچاله‌ای که در مرکز کهکشان خوشه‌ای Holm 15A قرار دارد نیز به تازگی حدود ۴۴ میلیارد بار سنگین‌تر از خورشید و با ابعاد ۳۰ برابر فاصله‌ی نپتون و خورشید تخمین زده شده است.
برای تعیین بزرگترین سیاه چاله، باید توجه داشت که پیوسته کاوش‌های متفاوتی درباره‌ی این ساختارهای کیهانی انجام می‌شود اما از مهم‌ترین چالش‌های موجود می‌توان به مشکلات رصدی اشاره کرد. مشاهده‌ی مستقیم سیاهچالهها با توجه به اینکه نوری از خود ساطع نمی‌کنند، بسیار دشوار است. بنابراین دانشمندان اغلب از روش‌های غیرمستقیم مانند مطالعه‌ی اثر گرانشی آن‌ها بر مواد اطرافشان یا مشاهده‌ی امواج گرانشی برای شناسایی سیاهچالهها استفاده می‌کنند؛ روشی که همواره محدودیت‌هایی دارد.
طرحی گرافیکی از سیاهچاله کلان‌جرم تون ۶۱۸ و مقایسه‌ی آن با ابعاد کهکشان راه شیری
Credit: Universe Science
حتی اگر بتوان فهرستی از سیاهچاله‌های مختلف تهیه کرد، باید دید از کدام منظر می‌خواهیم آن‌ها را با هم مقایسه کنیم. آیا باید بر اساس جرم، شعاع یا برخی دیگر از ویژگی‌ها، آن‌ها را با هم مقایسه کرد؟ یا باید به خطرناک ترین سیاه چاله اشاره کرد؟ با این وجود، بر اساس مشاهدات و معیارهای فعلی می‌توان گفت که TON 618 هم از نظر جرم و هم ابعاد، یکی از بزرگترین سیاهچاله‌هایی است که تا کنون شناسایی شده است. غولی تاریک که در مرکز یک اختروش (کوازار) و در فاصله‌ی ۱۸.۲ میلیارد سال نوری از زمین قرار دارد و جرمش حدود ۴۰ تا ۶۶ میلیارد برابر جرم خورشید و ابعاد آن ۴۰ برابر فاصله‌ی میان نپتون و پلوتون تخمین زده شده است.
اما این جرم و ابعاد بدان معنا نیست که TON 618 قطعا بزرگترین سیاه چاله در جهان است، بلکه ممکن است سیاهچاله‌های بسیار بزرگ‌تری هم وجود داشته باشند که هنوز کشف نشده‌اند. از جمله سیاهچاله‌های IC 1101 که در مرکز یک کهکشان بیضوی غول‌پیکر قرار دارد، سیاهچالهی «فونیکس ای» (Phoenix A) که در مرکز یک کهکشان بسیار درخشان جای گرفته است و SDSS J123132.37+013814.1 که یکی از دورترین سیاهچاله‌هایی است که تاکنون کشف شده است، همگی می‌توانند جرمی بیشتر از تون ۶۱۸ داشته باشند اما هنوز تخمین دقیقی برای آن‌ها به دست نیامده است.
اسم بزرگترین سیاه چاله کشف شده
همان‌طور که اشاره شد، و به عبارتی بزرگترین سیاه چاله کشف شده تا کنون «تون ۶۱۸» (TON 618) نام دارد. این غول تاریک، نام خود را از «رصدخانه‌ی تونانزینتلا» (Tonantzintla Observatory) می‌گیرد که برای نخستین بار در سال ۱۹۵۷ میلادی موفق به شناسایی آن شد اما پژوهشگران این مرکز که این جرم را به عنوان جرم ۶۱۸ در فهرست رصدخانه، فهرست‌بندی کردند، در آن زمان آن را به عنوان سیاهچاله در نظر نگرفتند.
ویژگی‌های بزرگترین سیاه چاله‌ها
سیاهچاله TON 618 را باید یکی از بزرگترین و درخشان‌ترین سیاهچاله‌هایی دانست که تاکنون کشف شده است. این سیاهچاله با جرم زیاد خود یک هیولای کیهانی کامل محسوب می‌شود. از جمله ویژگی‌های برجسته‌ی این سیاهچاله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- جرم بسیار زیاد: همان‌طور که اشاره شد، جرم TON 618 بسیار زیاد است که آن را به یکی از پرجرم‌ترین سیاهچاله‌های شناخته شده تبدیل کرده است.
- درخشندگی بسیار زیاد: این سیاهچاله به دلیل بلعیدن مقدار زیادی ماده، بسیار درخشان است به گونه‌ای که حتی از فاصله‌ی بسیار دور هم قابل مشاهده است.
- اندازه‌ی بزرگ: به دلیل جرم بسیار زیاد، شعاع شوارتزشیلد این سیاهچاله هم بسیار بزرگ است. شعاع شوارتزشیلد، شعاعی است که در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور می‌شود و هیچ چیزی حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند.
- فاصله‌ی زیاد: TON 618 در فاصله‌ی بسیار دوری از زمین قرار دارد و حدود ۱۰.۸ میلیارد سال طول می‌کشد تا نور آن به زمین برسد.
- حضور در یک اختروش: این سیاهچاله در مرکز یک اختروش قرار دارد. اختروش‌ها هسته‌های کهکشان‌های فعال هستند که درخشندگی بسیار زیادی دارند.
- سرعت بالای گازهای اطراف: گازهای اطراف این سیاهچاله با سرعت بسیار زیادی در حال چرخش هستند. این سرعت به اندازه‌ای بالاست که خطوط طیفی هیدروژن در نور ساطع شده از این گازها به شدت جابه‌جا شده‌اند.
طرحی گرافیکی از قرص برافزایشی اطراف یک سیاهچاله کلان‌جرم
Credit: Penn State
تأثیر TON 618 بر محیط اطراف
- تغذیه از مواد اطراف: این سیاهچاله با بلعیدن مقدار زیادی گاز و غبار از محیط اطراف خود، به رشد و بزرگ شدن ادامه می‌دهد.
- ایجاد بادهای کیهانی: بلعیدن مواد توسط این سیاهچاله، باعث ایجاد بادهای کیهانی بسیار قدرتمندی می‌شود که بر محیط اطراف تأثیر می‌گذارند.
- شکل‌دهی به کهکشان میزبان: این سیاهچاله با نیروی گرانشی عظیم خود، بر شکل و ساختار کهکشان میزبان تأثیر می‌گذارد.
اهمیت مطالعه‌ی بزرگترین سیاهچالهها
مطالعه‌ی این نوع سیاهچاله از جمله شنیدن صدای سیاه چاله فضایی، به دانشمندان کمک می‌کند تا به پرسش‌های اساسی درباره‌ی کیهان پاسخ دهند. سیاهچاله‌هایی مانند TON 618 نقش مهمی در شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها دارند. از سویی محیط اطراف این سیاهچالهها، شرایط فیزیکی بسیار شدیدی را فراهم می‌کند که به دانشمندان امکان می‌دهد تا قوانین فیزیک را در این شرایط تازه آزمایش کنند و همچنین مطالعه‌ی این نوع خاص از سیاهچالهها می‌تواند به تعیین ماهیت ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک کمک کند.
جمع‌بندی
سیاهچالهها، اجرامی قدرتمند و همچنان اسرارآمیز هستند که با گرانش شدید خود، حتی نور را هم به دام می‌اندازند. بزرگترین سیاهچالهها را می‌توان غول‌های حقیقی کیهان دانست. آن‌ها یی که جرمی میلیاردها برابر خورشید دارند و با تأثیرات عمیقی که بر کهکشان‌های میزبان خود می‌گذارند، نقش مهمی در تکامل کیهان ایفا می‌کنند.
در نهایت، سیاهچاله‌های ابرپرجرم یکی از جذاب‌ترین انواع سیاهچالهها هستند و با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در زمینه‌ی اخترفیزیک، هنوز رازهای بسیاری دارند که مطالعات بیشتر درباره‌ی آن‌ها، می‌تواند به کشف حقایق شگفت‌انگیزی درباره کیهان منجر شود.
عکس کاور: سیاهچاله کلان جرم در مرکز یک کوازار
Credit: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
منبع: خبرآنلاین
منبع: faradeed-214830