روشی جدید برای اندازه گیری فضای خالی در یک جفت سیاهچاله پرجرم ادغام شده

در این شبیه‌سازی ادغام سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم، سیاه‌چاله آبی با جابجایی نزدیک به بیننده، سیاه‌چاله قرمز جابجا شده در پشت را توسط عدسی‌های گرانشی تقویت می‌‌ند. هنگامی که نزدیکترین سیاهچاله از مقابل سایه همتای خود عبور کرد، محققان افت مشخصی در روشنایی را کشف کردند، رصدی که می‌تواند برای اندازه‌گیری اندازه سیاهچاله‌ها و آزمایش نظریه‌های جایگزین گرانش استفاده شود. اعتبار: جوردی داولار

سه سال پیش، اولین تصویر از یک سیاهچاله جهان را مبهوت کرد: گودالی سیاه از نیستی محصور در حلقه آتشین نور. این تصویر نمادین از سیاهچاله در مرکز کهکشان مسیه 87 به لطف تلسکوپ افق رویداد، یک شبکه جهانی از تلسکوپ‌های رادیویی همگام شده مورد توجه قرار گرفت که به عنوان یک تلسکوپ غول پیکر عمل می‌کند.

اکنون، یک جفت محقق کلمبیایی راه بالقوه ساده‌تری برای خیره شدن به عمق آنها ابداع کرده‌اند. در مطالعات تکمیلی در Physical Review Letters و Physical Review D، تکنیک تصویربرداری آنها می‌تواند به اخترشناسان اجازه دهد تا سیاهچاله‌های کوچکتر از M87 را مطالعه کنند، هیولایی با جرم 6.5 برابر بیلیون خورشید که در کهکشان‌های دورتر از M87 که در 55 سال میلیون نوری وجود دارد (سالها دورتر، هنوز نسبتا نزدیک به کهکشان راه شیری ما می‌باشد).

این تکنیک فقط دو الزام دارد. ابتدا به یک جفت سیاهچاله بسیار پرجرم نیاز دارید که در حال ادغام باشند. دوم، شما باید به جفت با زاویه‌ای تقریباً یک طرفه نگاه کنید. از این نقطه دید جانبی، هنگامی که یک سیاهچاله از مقابل دیگری می‌گذرد، باید بتوانید یک جرقه نور درخشان را ببینید، زیرا حلقه درخشان سیاهچاله دورتر توسط سیاهچاله نزدیک نسبت به شما بزرگ می‌شود، یپدیده‌ای که به عنوان عدسی گرانشی شناخته می‌شود.

اثر عدسی گرانشی به خوبی شناخته شده است، اما چیزی که محققان در اینجا کشف کردند یک سیگنال پنهان بود: یک افت مشخص در روشنایی مطابق با “سایه” سیاهچاله در پشت آن. این کم‌نوری ظریف بسته به این که سیاهچاله‌ها چقدر جرم دارند و مدار آنها چقدر در هم تنیده شده‌اند، می‌تواند از چند ساعت تا چند روز طول بکشد. به گفته محققان، اگر اندازه‌گیری کنید که این شیب چقدر طول می‌کشد، می‌توانید اندازه و شکل سایه‌ای را که توسط افق رویداد سیاهچاله ایجاد می‌شود، یعنی نقطه بدون خروجی، جایی تخمین بزنید که هیچ چیزی حتی نور فرار نمی‌کند.

جوردی دیوالار (Jordy Davelaar)، پسادکتر در کلمبیا و مرکز اخترفیزیک محاسباتی مؤسسه فلاتیرون، می‌گوید: « سال‌ها تلاش گسترده ده‌ها دانشمند طول کشید  تا تصویری با وضوح بالا از سیاه‌چاله‌های M87 تهیه کنند.» این رویکرد فقط برای بزرگ‌ترین و نزدیک‌ترین سیاه‌چاله‌ها کار می‌کند – جفتی که در قلب M87 و احتمالاً راه شیری خودمان قرار دارند.»

شبیه‌سازی عدسی‌های گرانشی در یک جفت سیاه‌چاله‌ پرجرم در حال ادغام. اعتبار: جوردی دیوالار

وی افزود: “با تکنیک ما، شما روشنایی سیاهچاله‌ها را در طول زمان اندازه‌گیری می‌کنید. یافتن این سیگنال در بسیاری از کهکشان‌ها باید امکان‌پذیر باشد.”

سایه سیاهچاله اسرارآمیزترین و آموزنده‌ترین ویژگی آن است. زولتان هیمن، استاد فیزیک در کلمبیا، یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: «این نقطه تاریک به ما در مورد اندازه سیاهچاله، شکل فضا-زمان اطراف آن و چگونگی سقوط ماده در سیاهچاله نزدیک به افق خود می‌گوید.

سایه‌های سیاه‌چاله ممکن است راز ماهیت واقعی گرانش، یکی از نیروهای بنیادی جهان ما را نیز دربر داشته باشد. نظریه گرانش اینشتین که به نسبیت عام معروف است، اندازه سیاهچاله‌ها را پیش‌بینی می‌کند. بنابراین، فیزیکدانان به دنبال آنها بوده‌اند تا نظریه‌های جایگزین گرانش را در تلاش برای آشتی دادن دو ایده رقیب در مورد چگونگی کارکرد طبیعت بیازمایند: نسبیت عام اینشتین که پدیده‌های مقیاس بزرگ مانند سیارات در حال چرخش و جهان در حال انبساط و فیزیک کوانتومی را توضیح می‌دهد. چگونه ذرات ریز مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها می‌توانند چندین حالت را همزمان اشغال کنند.

محققان پس از مشاهده یک جفت سیاهچاله پرجرم مشکوک در مرکز یک کهکشان دور در جهان اولیه، به بررسی ابرسیاهچاله‌های پرجرم علاقه‌مند شدند. تلسکوپ فضایی کپلر شکار سیاره ناسا در حال بررسی افتهای کوچک درخشندگی مربوط به سیاره‌ای بود که از مقابل ستاره میزبانش می‌گذشت. در عوض، کپلر در نهایت شعله‌های چیزی را شناسایی کرد که هایمن و همکارانش ادعا می‌کنند یک جفت سیاه‌چاله در حال ادغام هستند.

آنها کهکشان دوردست را به این علت «Spikey» نامیدند: خوشه‌های درخشنده ناشی از سیاهچاله‌های مشکوک آن که یکدیگر را در هر چرخش کامل توسط اثر عدسی بزرگ‌نمایی می‌کنند.

در این شبیه‌سازی از یک جفت سیاه‌چاله‌ پرجرم ادغام شده استفاده شده است، نزدیکترین سیاه‌چاله به بیننده نزدیکتر می‌شود و بنابراین آبی به نظر می‌رسد (قاب 1) که سیاهچاله‌ی قرمز جابجا شده در پشت را توسط عدسی گرانشی بزرگنمایی می‌کند. از آنجایی که نزدیکترین سیاهچاله نور سیاهچاله دورتر را تقویت می‌کند (قاب 2)، بیننده جرقه نور درخشانی را می‌بیند. اما وقتی نزدیکترین سیاه‌چاله از مقابل سایه دورترین سیاه‌چاله عبور می‌کند، بیننده اندکی کاهش روشنایی را می‌بیند (قاب 3). این کاهش روشنایی (3) به وضوح در داده‌های منحنی نور در زیر تصاویر نشان داده می‌شود. اعتبار: جوردی دیوالار

با این حال، هنگامی گیج شدند که جفت سیاهچاله شبیه‌سازی شده آنها هر بار که یکی در مقابل دیگری می‌چرخید، درخشندگی غیرمنتظره اما دوره‌ای را ایجاد کرد. در ابتدا فکر کردند که این یک اشتباه کدنویسی است. اما بررسی بیشتر باعث شد که آنها به سیگنال اعتماد کنند.

همانطور که آنها به دنبال مکانیزم فیزیکی برای توضیح آن بودند، متوجه شدند که هر افت روشنایی با زمانی مطابقت دارد که طول می‌کشد تا نزدیک‌ترین سیاهچاله به بیننده از مقابل سایه سیاه‌چاله در پشت عبور کند.

محققان در حال حاضر به دنبال داده‌های تلسکوپ دیگری هستند تا شیب موجود در داده‌های کپلر را تأیید کنند تا تأیید کنند که Spikey در واقع دارای یک جفت سیاه‌چاله ادغام شده است. اگر همه چیز بررسی شود، این تکنیک می‌تواند روی تعداد انگشت‌شماری از جفت‌های مشکوک دیگر از ادغام سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم در میان 150 سیاهچاله یا بیشتر که تاکنون مشاهده شده و در انتظار تایید هستند، اعمال شود.

همانطور که تلسکوپ‌های قدرتمندتر در سال‌های آینده آنلاین می‌شوند، فرصتهای دیگری نیز ممکن است ایجاد شود. رصدخانه ورا روبین که قرار است امسال افتتاح شود، بیش از 100 میلیون ابرسیاهچاله پرجرم را دید. زمانی که آشکارساز امواج گرانشی ناسا، LISA، در سال 2030 به فضا پرتاب شود، جستجوی سیاه‌چاله‌های بیشتر امکان‌پذیر خواهد بود.

دیوالار می‌گوید: «حتی اگر تنها بخش کوچکی از این سیاهچاله‌های دوتایی شرایط مناسبی برای اندازه‌گیری اثر پیشنهادی ما داشته باشند، می‌توانیم بسیاری از این سیاه‌چاله‌ها را پیدا کنیم.»

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

In a pair of merging supermassive black holes, a new method for measuring the void

by Kim Martineau, Columbia University MAY 9, 2022

https://phys.org/news/2022-05-pair-merging-supermassive-black-holes.html