رصدخانه‌های موج گرانشی برای اولین بار ادغام نادر سیاه‌چاله‌ها با ستاره‌های نوترونی را تشخیص می‌دهند

تصویری از یک شبیه سازی ادغام دوتایی NSBH. اعتبار: Deborah Ferguson (UT Austin) ، Bhavesh Khamesra (Georgia Tech) و Karan Jani (Vanderbilt)

سالواتوره ویتاله توضیح می‌دهد که چگونه سیگنالهای موج گرانشی نشان می‌دهد سیاهچاله‌ها ستاره های نوترونی همراهشان را کاملا بلعیده‌اند.

به تازگی، یک تیم بین‌المللی از دانشمندان، از جمله محققان در MIT، از کشف نوع جدیدی از سیستم اخترفیزیکی خبر داده‌اند: برخورد بین سیاهچاله و ستاره نوترونی – دو مورد از متراکم‌ترین و عجیب‌ترین اجرام جهان.

دانشمندان سیگنال‌های برخورد سیاهچاله‌ها و برخورد ستاره‌های نوترونی را کشف کرده‌اند، اما تاکنون ادغام سیاهچاله با یک ستاره نوترونی را تأیید نکرده‌اند. در تحقیقی که امروز در مجله Astrophysical Journal Letters منتشر شد، دانشمندان گزارش دادند که نه تنها یک واقعه، بلکه دو واقعه نادر مشاهده شده است که هرکدام از آنها امواج گرانشی ایجاد می‌کنند که در طیف وسیعی از جهان طنین‌انداز می‌شوند.

امواج گرانشی ناشی از هر دو برخورد توسط رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری بنیاد ملی علوم (LIGO) در ایالات متحده و توسط ویرجین در ایتالیا شناسایی شد. این رویدادها برای تاریخی که هر موج گرانشی مشاهده شده است GW200105 و GW200115 نامگذاری شده‌اند. هر دو سیگنال لحظه‌های پایانی را به صورت سیاهچاله و ستاره نوترونی در هم پیچیده و با هم ادغام می‌کنند. برای GW200105، سیاهچاله حدود 9 برابر جرم خورشید، با یک ستاره نوترونی همدم  با 1.9 جرم خورشید تخمین زده شده است. این دو شی در حدود 900 میلیون سال پیش ادغام شده‌اند. GW200115 محصول سیاهچاله‌ای با جرم 6 خورشیدی است که حدود 1 بیلیون سال پیش با یک ستاره نوترونی حدود 1.5 برابر جرم خورشید ما برخورد کرده است. در هر دو رویداد، سیاهچاله‌ها به اندازه کافی بزرگ بودند که به احتمال زیاد ستاره‌های نوترونی خود را کاملاً بلعیده و در نتیجه پس از آن نور بسیار کمی باقی می‌ماند.

سالواتوره ویتاله، عضو تیم LIGO، استادیار فیزیک MIT و عضو موسسه کاولی اخترفیزیک و تحقیقات فضایی، با MIT News در مورد نادر بودن هر دو کشف و آنچه ادغام سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی و  تکامل ستارگان در جهان محاسبه کرده است.

سالواتوره ویتاله، استادیار فیزیک در MIT و عضو همکاری علمی LIGO. اعتبار: با مجوز از موسسه MIT کاولی اخترفیزیک و تحقیقات فضایی

س: درباره این سیستم‌های شدید و دست نیافتنی برای ما بگویید. به طور کلی، چه چیزی در مورد برخورد سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی قبل از این کشفها شناخته شده بود؟

ج: ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها پس از اتمام سوخت هسته‌ای توسط ستارگان پرجرم باقی می‌مانند. از آنجا که بخش بزرگی از ستارگان در جهان در سیستم‌های دوتایی قرار دارند، انتظار می‌رود وجود همه ترکیبات دوتایی ممکن باشد: دو ستاره نوترونی، دو سیاهچاله، یا یک ستاره نوترونی و یک سیاهچاله.

ستاره‌های نوترونی دوتایی دهه‌هاست که با استفاده از تابش الکترومغناطیسی کشف شده‌اند. سیاهچاله‌های دوتایی برای اولین بار در سال 2015 با تشخیص موج گرانشی GW150914 مشاهده شد. پس از آن، ردیابهای موج گرانشی مانند LIGO و Virgo دهها سیاهچاله دوتایی و  ستاره دوتایی نوترونی کشف کرده‌اند. با این حال، دوتایی‌هایی با یک ستاره نوترونی و یک سیاهچاله (NSBH) حداقل تاکنون هرگز با استفاده از تابش الکترومغناطیسی و نه با امواج گرانشی پیدا نشده‌اند.

س: در مورد سیگنال سناریوهای احتمالی که می‌توانستند این اشیا را در وهله اول گرد هم آورند، چه چیزی می‌توانید بگویید؟

متأسفانه، در این مرحله! نه خیلی زیاد، محتمل‌ترین سناریو این است که دو جسم در هر دوتایی در تمام زندگی خود به صورت ستاره‌های غول‌پیکر با هم بوده‌اند. با کمبود سوخت، انفجارهای قدرتمندی را که به ابرنواختر معروف است پشت سر گذاشتند و یک ستاره نوترونی و یک سیاهچاله تبدیل شدند. سپس دو جسم موجود در سیستم دوتایی نزدیکتر و نزدیکتر می‌شوند، زیرا از طریق انتشار موج گرانشی انرژی را از دست می‌دهند تا زمانی که با هم برخورد کنند. LIGO و Virgo چند ثانیه آخر منجر به برخورد را دیدند.

از لحاظ تئوری این ادغام‌ها می‌توانند نور تولید کنند که بسیار هیجان‌انگیز است! با این حال، لازم است پس از برخورد مقداری از ماده در اطراف سیستم باقی بماند. متأسفانه، اگر سیاهچاله بیش از حد پرجرم باشد، یا اگر به اندازه کافی در اطراف محور خود نچرخد، ستاره نوترونی را کاملاً می‌بلعد. وقتی این اتفاق می‌افتد، هیچ ماده‌ای برجای نمی‌گذارد و از این رو هیچ نوری وجود ندارد. این همان اتفاقی است که ممکن است در هر دو تشخیص موج گرانشی رخ داده باشد.

با این حال، این احتمال نیز وجود دارد که نوری در واقع ساطع شده باشد اما توسط تلسکوپهایی که این سیستمها را پیگیری می‌کنند، تشخیص داده نشده است. دلیل آن این است که موقعیت آنها در آسمان – براساس داده‌های موج گرانشی – نسبتاً نامشخص بود و این بدان معناست که تلسکوپها پیش از محو شدن، فرصتی برای یافتن همتای الکترومغناطیسی نداشته‌اند.

س: اهمیت کلی این کشف جدید چیست؟ و در این کشف چه راه‌هایی در درک ما از جهان وجود دارد؟

این دو سیستم از آنجا که اولین کشف واضح دوتایی‌های سیاهچاله و ستاره نوترونی هستند، نوعی منبع می‌باشند که هرگز مشاهده نشده است، دارای موجهای الکترومغناطیسی یا گرانشی که از اهمیت خاصی برخوردار هستند. این امر به ما می‌گوید که این سیستمها وجود دارند اما نادرتر از ستاره‌های دوتایی نوترونی هستند. فقط با دو منبع، تعداد آنها هنوز بسیار نامشخص هستند، اما تقریباً: به ازای هر 10 ستاره نوترونی دوتایی، یک ادغام NSBH وجود دارد.

نرخ ادغامی که ما با استفاده از این دو سیگنال و خصوصیات اجسام جمع و جور محاسبه کرده‌ایم، کمک بزرگی به اخترشناسان و مدل‌سازانی می‌کند که می‌خواهند شکل‌گیری و تکامل NSBHها را درک کنند.

در حقیقت، از آنجا که قبلاً هیچ یک از آنها مشاهده نشده بود، روش خوبی برای اصلاح مدلهای نظری و عددی وجود نداشت. این مدلها پیچیده هستند و به بسیاری از پارامترهای فیزیکی سیستم دوتایی و همچنین تاریخچه آن بستگی دارند. به عنوان مثال: انفجار ابرنواختری که ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها را پشت سر می‌گذارد، چقدر شدید است؟ آیا آنقدر قدرتمند است که بتواند سیستم دوتایی را به کلی نابود کند؟

سرانجام دسترسی به ادغامهای NSBH به اصلاح این مدلها و در نتیجه درک ما از شکل‌گیری و تکامل اجسام جمع و جور کمک می کند.

ترجمه: نجمه قاسمی

منبع:

Gravitational-Wave Observatories Detect Rare Mergers of Black Holes With Neutron Stars for the First Time

By JENNIFER CHU, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY JULY 17, 2021

https://scitechdaily.com/gravitational-wave-observatories-detect-rare-mergers-of-black-holes-with-neutron-stars-for-the-first-time/