یک رویداد بزرگ در دنیای نجوم اتفاق افتاده. دانشمندان بزرگترین ادغام سیاه‌چاله‌ای که تا امروز دیده شده رو شناسایی کردن. این رویداد که با استفاده از امواج گرانشی ردیابی شده، شامل سیاه‌چاله‌هایی اونقدر بزرگ میشه که میتونه مدل‌های فعلی فیزیک و درک ما از جهان رو به چالش بکشه. این کشف مهم توسط همکاری بین‌المللی لایگو-ویرگو-کاگرا (LVK) انجام شده و سوال‌های اساسی جدیدی رو در مورد چگونگی شکل‌گیری و رشد سیاه‌چاله‌ها مطرح میکنه.
اسم این سیگنال گرانشی رو گذاشتن GW231123. این سیگنال در تاریخ ۲۳ نوامبر سال ۲۰۲۳، ساعت ۱۳:۵۴:۳۰ به وقت جهانی (UTC) توسط دو آشکارساز لایگو در آمریکا دریافت شد. این رویداد نه تنها از نظر اندازه یک رکوردشکنی به حساب میاد، بلکه ویژگی‌های عجیب دیگه‌ای هم داره که فیزیکدان‌ها رو حسابی مشغول کرده. سیاه‌چاله‌هایی که در این ادغام شرکت داشتن، در محدوده‌ای از جرم قرار میگیرن که طبق نظریه‌های فعلی، وجودشون «ممنوع» به نظر میرسید. این کشف نشون میده که امواج گرانشی به شکل منحصر به فردی در حال آشکار کردن ماهیت بنیادی و عجیب سیاه‌چاله‌ها در سراسر جهان هستن و هنوز چیزهای زیادی برای کشف کردن وجود داره.
مشخصات رویداد GW231123
بیاین کمی دقیق‌تر به جزئیات این رویداد نگاه کنیم. GW231123 یک موج گرانشی بود که از ادغام دو سیاه‌چاله دوتایی به وجود اومد. این سیگنال خیلی کوتاه بود و کل رویداد فقط حدود ۰.۱ ثانیه طول کشید. این موج توسط آشکارسازهای لایگو (LIGO) شناسایی شد. تا سال ۲۰۲۵، این بزرگترین ادغام سیاه‌چاله دوتایی هست که تا به حال ردیابی شده.
جرمی که از این ادغام به وجود اومد، یک سیاه‌چاله جدیده که حدود ۲۲۵ برابر جرم خورشید ماست. بعضی منابع میگن این جرم «بیش از ۲۲۵ برابر» جرم خورشیده. این سیاه‌چاله جدید در دسته‌ای به اسم «سیاه‌چاله‌های با جرم متوسط» قرار میگیره. این دسته از سیاه‌چاله‌ها سنگین‌تر از سیاه‌چاله‌هایی هستن که از فروپاشی ستاره‌ها به وجود میان، اما خیلی سبک‌تر از سیاه‌چاله‌های ابرپرجرمی هستن که در مرکز کهکشان‌ها قرار دارن. پیدا کردن سیاه‌چاله‌های این دسته همیشه برای ستاره‌شناس‌ها یک چالش بزرگ بوده.
اما داستان وقتی جالب‌تر میشه که به دو سیاه‌چاله‌ای که این رویداد رو به وجود آوردن نگاه می‌کنیم. منابع مختلف اعداد متفاوتی برای جرم اون‌ها ارائه دادن. بعضی گزارش‌ها میگن این دو سیاه‌چاله به ترتیب جرمی حدود ۱۰۰ و ۱۴۰ برابر جرم خورشید داشتن. اما منابع دقیق‌تر مثل ویکی‌پدیا اعداد جزئی‌تری رو اعلام کردن: یکی از سیاه‌چاله‌ها جرمی معادل ۱۳۷ برابر جرم خورشید (با خطای مثبت ۲۲ و منفی ۱۷) و دیگری جرمی معادل ۱۰۳ برابر جرم خورشید (با خطای مثبت ۲۰ و منفی ۵۲) داشته. این اعداد نشون میده که حداقل یکی از این دو سیاه‌چاله یا هر دو، در محدوده‌ای از جرم قرار دارن که بهش «شکاف جرم سیاه‌چاله» میگن.
این رویداد در فاصله خیلی دوری از ما اتفاق افتاده. بر اساس داده‌ها، فاصله‌اش حدود ۲.۲ گیگاپارسک (با خطای مثبت ۱.۹ و منفی ۱.۵) تخمین زده شده. برای اینکه درک بهتری از این فاصله داشته باشیم، منابع دیگه این فاصله رو بین ۲.۳ میلیارد تا ۱۳.۴ میلیارد سال نوری اعلام کردن. عدد انتقال به سرخ (Redshift) این رویداد هم ۰.۳۹ (با خطای مثبت ۰.۲۷ و منفی ۰.۲۴) اندازه‌گیری شده.
قبل از این رویداد، رکورد بزرگترین ادغام سیاه‌چاله متعلق به رویدادی به اسم GW190521 بود که در سال ۲۰۲۱ شناسایی شد و جرم نهایی اون حدود ۱۴۰ برابر جرم خورشید بود. رویداد جدید یعنی GW231123 حدود ۵۰ درصد از رکورددار قبلی بزرگتره و این یک جهش بزرگ به حساب میاد.
راز سیاه‌چاله‌های «ممنوعه»
مهم‌ترین چیزی که این کشف رو اینقدر هیجان‌انگیز کرده، جرم بالای سیاه‌چاله‌های اولیه است. طبق مدل‌های استاندارد تکامل ستاره‌ای، ستاره‌های خیلی سنگین وقتی به پایان عمرشون میرسن، دچار یک نوع انفجار به اسم «اَبَرنواختر جفت ناپایدار» (Pair-instability supernova) میشن. این نوع انفجار اونقدر شدیده که ستاره رو کاملن متلاشی میکنه و هیچ هسته یا باقی‌مونده‌ای از خودش به جا نمیذاره که تبدیل به سیاه‌چALEH بشه. در نتیجه، فیزیکدان‌ها انتظار دارن که یک «شکاف» در توزیع جرم سیاه‌چاله‌ها وجود داشته باشه. این شکاف جرمی معمولن بین ۶۰ تا ۱۳۰ برابر جرم خورشید در نظر گرفته میشه، هرچند که در مورد مرزهای دقیقش هنوز عدم قطعیت وجود داره.
حالا مشکل اینجاست: سیاه‌چاله‌هایی که GW231123 رو ساختن، با جرم‌های حدود ۱۳۷ و ۱۰۳ برابر جرم خورشید، دقیقن در داخل یا نزدیک همین شکاف جرمی ممنوعه قرار دارن. این موضوع این سوال رو ایجاد میکنه که اگه این سیاه‌چاله‌ها نمیتونستن از مرگ یک ستاره غول‌پیکر به وجود بیان، پس چطوری شکل گرفتن؟
مارک هانام، فیزیکدان دانشگاه کاردیف و عضو همکاری LVK، میگه: «سیاه‌چاله‌هایی با این جرم از طریق مدل‌های استاندارد تکامل ستاره‌ای ممنوع هستن.» پریاموادا ناتاراجان، اخترفیزیکدان نظری در دانشگاه ییل که در این تحقیق نقشی نداشته، هم این موضوع رو «فوق‌العاده هیجان‌انگیز» توصیف میکنه و میگه: «ما در حال دیدن این سیاه‌چاله‌های پرجرم ممنوعه هستیم.»
فرضیه ادغام سلسله مراتبی
محتمل‌ترین توضیح برای این معما، فرضیه‌ای به اسم «ادغام سلسله مراتبی» (hierarchical merger) هست. این فرضیه میگه که این دو سیاه‌چاله غول‌پیکر، خودشون نتیجه ادغام سیاه‌چاله‌های کوچکتر در گذشته بودن. به عبارت دیگه، اون‌ها از مرگ ستاره‌ها به وجود نیومدن، بلکه نسل دوم یا حتی سوم سیاه‌چاله‌ها هستن.
آلن واینستاین، فیزیکدان موسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک) و عضو LVK، این فرآیند رو با یک تشبیه جالب توضیح میده: «مثل اینه که چهار پدربزرگ و مادربزرگ با هم ادغام بشن و دو تا پدر و مادر رو به وجود بیارن، و بعد اون‌ها هم با هم ادغام بشن و یک بچه سیاه‌چاله رو بسازن.» این ایده نشون میده که فرآیند تشکیل سیاه‌چاله‌ها میتونه خیلی پیچیده‌تر از چیزی باشه که قبلا فکر میکردیم.
این کشف میتونه سرنخ‌های مهمی در مورد یکی از بزرگترین سوالات علم نجوم به ما بده: سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم که در مرکز کهکشان‌هایی مثل کهکشان راه شیری ما قرار دارن، چطور در کیهان اولیه اینقدر بزرگ شدن؟ پیدا کردن سیاه‌چاله‌هایی با جرم متوسط (بین ۱۰۰ تا ۱۰۰ هزار برابر جرم خورشید) همیشه سخت بوده. به قول ناتاراجان، «ما اون‌ها رو نمیبینیم.» حالا GW231123 یک نمونه عالی از این سیاه‌چاله‌های کمیاب رو به ما نشون داده و میتونه حلقه‌ای گمشده در زنجیره رشد سیاه‌چاله‌ها باشه.
چرخش فوق‌العاده سریع
جرم بالا تنها ویژگی عجیب این سیاه‌چاله‌ها نیست. داده‌ها نشون میدن که اون‌ها چرخش (اسپین) فوق‌العاده زیادی هم داشتن. به نظر میرسه حداقل یکی از این سیاه‌چاله‌ها، یا هر دو، با سرعت خیلی زیادی به دور خودشون میچرخیدن. این چرخش اونقدر زیاده که به گفته چارلی هوی از دانشگاه پورتسموث و عضو LVK، «نزدیک به حدی هست که نظریه نسبیت عام انیشتین برای پایداری یک سیاه‌چاله اجازه میده.»
اعداد دقیق‌تری هم برای این چرخش‌ها ارائه شده. طبق داده‌های ویکی‌پدیا، مقدار اسپین برای دو سیاه‌چاله به ترتیب ۰.۹ (با خطای مثبت ۰.۱۰ و منفی ۰.۱۹) و ۰.۸ (با خطای مثبت ۰.۲۰ و منفی ۰.۵۱) بوده. در این مقیاس، عدد ۱ به معنی حداکثر چرخش ممکن هست. بنابراین این سیاه‌چاله‌ها واقعن با سرعت سرسام‌آوری میچرخیدن.
یک منبع این سرعت رو به شکل قابل فهم‌تری توصیف کرده: «حدود ۴۰۰ هزار برابر سرعت چرخش زمین.» منبع دیگری هم گفته که اون‌ها «حدود ۴۰ بار در ثانیه» به دور خودشون میچرخیدن. این سرعت بالا نه تنها یک پدیده فیزیکی جالبه، بلکه یک سرنخ مهم دیگه برای تایید فرضیه ادغام سلسله مراتبی هم هست. مدل‌ها نشون میدن که وقتی سیاه‌چاله‌ها با هم ادغام میشن، سیاه‌چاله حاصل میتونه اسپین بالایی داشته باشه. پس چرخش زیاد این دو سیاه‌چاله هم از این ایده که اون‌ها خودشون حاصل ادغام‌های قبلی بودن، پشتیبانی میکنه.
البته این چرخش بالا یک چالش فنی هم ایجاد کرده. به گفته چارلی هوی، این ویژگی باعث میشه که مدل‌سازی و تفسیر سیگنال دریافت شده خیلی سخت بشه. اما از طرف دیگه، این یک «مورد مطالعاتی عالی برای پیشبرد توسعه ابزارهای نظری ما» هست.
فناوری و همکاری پشت این کشف بزرگ
این کشف بدون وجود فناوری‌های پیشرفته و یک همکاری علمی گسترده بین‌المللی ممکن نبود. بازیگران اصلی این کشف، آشکارسازهای امواج گرانشی و شبکه‌ای به اسم LVK هستن.
LVK مخفف همکاری سه پروژه بزرگ هست:
- لایگو (LIGO): رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری. این پروژه که بودجه‌اش توسط بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) تامین میشه و توسط کلتک و MIT اداره میشه، دو آشکارساز دوقلو داره. یکی در لیوینگستون، لوئیزیانا و دیگری در هنفورد، واشنگتن. لایگو در سال ۲۰۱۵ با اولین شناسایی مستقیم امواج گرانشی تاریخ‌ساز شد. اون رویداد اول، که اسمش GW150914 بود، از ادغام دو سیاه‌چاله به وجود اومد که یک سیاه‌چاله نهایی با جرم ۶۲ برابر خورشید رو ساخت.
- ویرگو (Virgo): آشکارساز اروپایی که در نزدیکی پیزا در ایتالیا قرار داره. این پروژه توسط رصدخانه گرانشی اروپا (EGO) میزبانی میشه و بودجه‌اش توسط مرکز ملی پژوهش‌های علمی فرانسه (CNRS)، موسسه ملی فیزیک هسته‌ای ایتالیا (INFN) و موسسه ملی فیزیک زیراتمی هلند (Nikhef) تامین میشه. همکاری ویرگو حدود ۸۸۰ عضو از ۱۵۲ موسسه در ۱۷ کشور مختلف داره.
- کاگرا (KAGRA): آشکارساز ژاپنی که یک تداخل‌سنج لیزری با بازوهای ۳ کیلومتری در کامیوکا، گیفو، ژاپن هست. میزبان اصلی این پروژه موسسه تحقیقات پرتوهای کیهانی (ICRR) دانشگاه توکیو هست و رصدخانه ملی نجوم ژاپن (NAOJ) و سازمان تحقیقات شتاب‌دهنده پرانرژی (KEK) هم در اون همکاری دارن. کاگرا بیش از ۴۰۰ عضو از ۱۲۸ موسسه در ۱۷ کشور و منطقه داره.
این شبکه جهانی از آشکارسازها از سال ۲۰۱۵ تا امروز حدود ۳۰۰ ادغام سیاه‌چاله رو رصد کرده. جالبه که بیش از ۲۰۰ مورد از این کشف‌ها در دور چهارم رصدی (O4) اتفاق افتاده که از ماه می ۲۰۲۳ شروع شده. GW231123 هم یکی از همین کشف‌های دور چهارم بوده.
این رویداد به گفته سوفی بینی، پژوهشگر فوق دکترا در کلتک و عضو LVK، «ابزار دقیق و توانایی‌های تحلیل داده ما رو تا مرز چیزی که در حال حاضر ممکنه، پیش میبره.» این یک مثال قدرتمند از اینه که چقدر میتونیم از نجوم امواج گرانشی یاد بگیریم و چقدر چیزهای بیشتری برای کشف کردن وجود داره.
آینده و سوالات پیش رو
کشف GW231123 پایان داستان نیست، بلکه تازه اول راهه. گرگوریو کارولو، استادیار دانشگاه بیرمنگام و عضو LVK، میگه: «سال‌ها طول خواهد کشید تا جامعه علمی بتونه این الگوی سیگنال پیچیده و تمام پیامدهای اون رو به طور کامل باز کنه.»
اگرچه محتمل‌ترین توضیح برای این سیگنال، ادغام دو سیاه‌چاله هست، اما کارولو اشاره میکنه که «سناریوهای پیچیده‌تر میتونن کلید رمزگشایی از ویژگی‌های غیرمنتظره اون باشن.» برای مثال، در یکی از منابع اشاره شده که چون سیگنال به شدت کوتاه بوده، این احتمال ضعیف هم وجود داره که منشا اون چیز دیگه‌ای مثل «ریسمان‌های کیهانی» (cosmic strings) باشه، هرچند این احتمال خیلی کم در نظر گرفته میشه.
نتایج این کشف در کنفرانس بین‌المللی بیست و چهارم نسبیت عام و گرانش (GR24) و شانزدهمین کنفرانس ادواردو آمالدی در مورد امواج گرانشی ارائه شد. این دو کنفرانس به طور مشترک در گلاسکو، اسکاتلند، در تاریخ ۱۴ تا ۱۸ جولای ۲۰۲۵ برگزار شدن. داده‌های کالیبره شده‌ای که برای شناسایی و مطالعه GW231123 استفاده شده، از طریق مرکز علوم باز امواج گرانشی (GWOSC) در دسترس عموم و بقیه محققان قرار خواهد گرفت تا اون‌ها هم بتونن این داده‌ها رو تحلیل کنن.
این کشف در زمانی اتفاق افتاده که به گفته یکی از منابع، بودجه آمریکا برای شناسایی امواج گرانشی با کاهش‌های شدیدی روبرو شده. این موضوع اهمیت حمایت از چنین پروژه‌های علمی بنیادی رو بیشتر نشون میده.
در نهایت، GW231123 یک یادآوری هیجان‌انگیز از اینه که جهان ما پر از پدیده‌های عجیب و غریبه که درک ما رو به چالش میکشن. به قول دیو رایتز، مدیر اجرایی لایگو در کلتک، «این رصد یک بار دیگه نشون میده که امواج گرانشی چطور به طور منحصر به فردی ماهیت بنیادی و شگفت‌انگیز سیاه‌چاله‌ها رو در سراسر جهان آشکار میکنن.» همونطور که کارولو گفت، «روزهای هیجان‌انگیزی در پیشه!»
منابع
- GW231123 – Wikipedia
- News | LIGO-Virgo-KAGRA Detect Most Massive Black Hole Merger to Date | LIGO Lab | Caltech
- GW231123: LIGO-Virgo-KAGRA detect most massive black …
- Monster black hole merger is biggest ever seen
- LIGO-Virgo-KAGRA detect most massive black hole merger to date | EurekAlert!
- Gravitational waves reveal most massive black hole merger ever detected — one ‘forbidden’ by current models | Space
- Astrophysicists Detect Gravitational Waves from Most Massive Black Hole Merger to Date | Sci.News
- Astronomers Detect a Black Hole Merger That’s So Massive It Shouldn’t Exist
دیدگاهتان را بنویسید