مطالعه جدید پیشنهاد می‌کند که انبساط جهان به طور مستقیم بر رشد سیاهچالهها تأثیر می‌گذارد
اولین تصویر از یک سیاهچاله که توسط ماده در حال فروپاشی روشن شده است. در این مطالعه، محققان مدلی را پیشنهاد کرده‌اند که در آن این اجرام می‌توانند بدون افزودن ماده جرم بگیرند: آنها می‌توانند از نظر کیهانی با رشد خود کیهان مرتبط شوند. اعتبار تصویر: ژان پیر لومینه، “تصویر سیاهچاله کروی با قرص برافزایشی نازک”، اخترشناسی و اخترفیزیک 75 (1979): 228-35.
در طول 6 سال گذشته، رصدخانه‌های امواج گرانشی ادغام سیاهچالهها را شناسایی کرده‌اند که پیش‌بینی اصلی نظریه گرانش آلبرت اینشتین را تأیید می‌کند. اما یک مشکل وجود دارد – بسیاری از این سیاهچالهها به طور غیرمنتظره‌ای بزرگ هستند. اکنون، تیمی از محققان دانشگاه هاوایی در مانوآ، دانشگاه شیکاگو و دانشگاه میشیگان در آن آربور راه حل جدیدی برای این مشکل ارائه کرده‌اند: سیاهچالهها همراه با انبساط جهان رشد می‌کنند.
از زمان اولین رصد ادغام سیاهچالهها توسط رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) در سال 2015، ستاره‌شناسان بارها از جرم بزرگ آنها شگفت زده شده‌اند. اگرچه آنها نوری از خود ساطع نمی‌کنند، اما ادغام سیاهچالهها از طریق انتشار امواج گرانشی آنها مشاهده می‌شود – موج هایی در بافت فضازمان که توسط نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده بود. فیزیکدانان در ابتدا انتظار داشتند که سیاهچالهها جرمی کمتر از 40 برابر خورشید داشته باشند، زیرا سیاهچالههای ادغام شده از ستارگان پرجرم به وجود می‌آیند که اگر خیلی بزرگ شوند نمی‌توانند خود را کنار هم نگه دارند.
رصدخانه‌های LIGO و Virgo سیاهچالههای زیادی با جرم بیشتر از 50 خورشید پیدا کرده‌اند که جرم برخی از آنها به 100 برابر خورشید می‌رسد. سناریوهای شکل‌گیری متعددی برای تولید چنین سیاهچالههای بزرگی پیشنهاد شده‌اند، اما هیچ سناریوی واحدی قادر به توضیح تنوع ادغام‌های سیاهچالههای مشاهده‌شده تا کنون نبوده است و هیچ توافقی در مورد اینکه ترکیبی از سناریوهای شکل‌گیری از نظر فیزیکی قابل اجراست وجود ندارد. این مطالعه جدید که در مجله Astrophysical Journal Letters منتشر شده است، اولین مطالعه ای است که نشان می‌دهد هم جرم سیاهچالههای بزرگ و کوچک می‌توانند از یک مسیر منفرد ناشی شوند که در آن سیاهچالهها از انبساط خود کیهان جرم می‌گیرند.
ستاره‌شناسان به طور معمول سیاهچاله‌هایی را در درون کیهانی مدل‌سازی می‌کنند که نمی‌توانند منبسط شوند. کوین کروکر، پروفسور دپارتمان فیزیک و ستاره‌شناسی UH Mānoa می‌گوید: «این فرضی است که معادلات اینشتین را ساده می‌کند، زیرا جهانی که رشد نمی‌کند چیزهای کمتری برای پیگیری دارد. “هر چند یک معامله وجود دارد: پیش‌بینی‌ها ممکن است فقط برای مدت زمان محدودی معقول باشند.”
از آنجا که رویدادهای فردی قابل تشخیص توسط LIGO-Virgo تنها چند ثانیه طول می‌کشد، هنگام تجزیه و تحلیل هر رویداد واحد، این ساده‌سازی معقول است. اما همین ادغام‌ها به طور بالقوه بیلیون‌ها سال در حال ساخت هستند. در طول زمان بین تشکیل یک جفت سیاهچاله و ادغام نهایی آنها، جهان عمیقاً رشد می‌کند. اگر جنبه‌های ظریف‌تر نظریه انیشتین به دقت مورد بررسی قرار گیرد، احتمال شگفت‌انگیزی ظاهر می‌شود: جرم سیاهچالهها می‌توانند همگام با جهان رشد کنند، پدیده‌ای که کروکر و تیمش آن را جفت کیهانی می‌نامند.
شناخته شده‌ترین نمونه از مواد جفت شده از نظر کیهان‌شناسی خود نور است که با رشد جهان انرژی خود را از دست می‌دهد. دانکن فارا، یکی از نویسندگان این تحقیق و پروفسور فیزیک و نجوم UH Mānoa، گفت: «ما فکر کردیم که اثر معکوس را در نظر بگیریم. “اگر سیاهچالهها از نظر کیهانی جفت شوند و بدون نیاز به مصرف ستارگان یا گازهای دیگر انرژی بگیرند، LIGO-Virgo چه چیزی را مشاهده می‌کند؟”
برای بررسی این فرضیه، محققان تولد، زندگی و مرگ میلیون‌ها جفت ستاره بزرگ را شبیه‌سازی کردند. هر جفتی که در آن هر دو ستاره مرده و سیاهچالهها را تشکیل می‌دهند، از زمان مرگشان به اندازه جهان مرتبط می‌شوند. با ادامه رشد جهان، جرمهای این سیاهچالهها با مارپیچ به سمت یکدیگر رشد کردند. هنگامی که محققان داده‌های LIGO-Virgo را با پیش‌بینی‌های خود مقایسه کردند، به خوبی موافق بودند. گرگوری تارله، یکی از نویسندگان پژوهش و پروفسور دانشگاه میشیگان، گفت: «باید بگویم در ابتدا نمی دانستم به چه فکر کنم. “این یک ایده بسیار ساده بود، من شگفت زده شدم که آنقدر خوب کار کرد.”
به گفته محققان، این مدل جدید مهم است زیرا نیازی به هیچ تغییری در درک فعلی ما از شکل‌گیری ستاره‌ها، تکامل یا مرگ ندارد. توافق بین مدل جدید و داده‌های کنونی ما صرفاً از پذیرش این موضوع ناشی می‌شود که سیاهچالههای واقعی در یک جهان ساکن وجود ندارند. با این حال، محققان مراقب بودند تا بر این نکته تاکید کنند که راز LIGO – سیاهچالههای پرجرم Virgo هنوز حل نشده است.
دکتر مایکل زوین، یکی از نویسندگان این تحقیق و همکار ناسا هابل، می‌گوید: «بسیاری از جنبه‌های ادغام سیاهچالهها، مانند محیط‌های شکل‌گیری غالب و فرآیندهای فیزیکی پیچیده‌ای که در طول زندگی آنها ادامه دارد، به طور دقیق شناخته نشده است. “می توانیم ببینیم که جفت کیهانی ایده مفیدی است، اما هنوز نمی‌توانیم قدرت این جفت شدن را اندازه‌گیری کنیم.”
کرتیس نیشیمورا، یکی از نویسندگان پژوهش و پروفسور فیزیک و نجوم UH Mānoa، خوش‌بینی خود را برای آزمایش‌های آینده این ایده جدید ابراز کرد: «از آنجایی که رصدخانه‌های امواج گرانشی به بهبود حساسیت‌ها در دهه آینده ادامه می‌دهند، افزایش کمیت و کیفیت داده‌ها امکان تجزیه و تحلیل جدید را فراهم می‌کند. این امر به زودی اندازه گیری خواهد شد.”
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
New study proposes expansion of the universe directly impacts black hole growth
by University of Hawaii at Manoa
https://phys.org/news/2021-11-expansion-universe-impacts-black-hole.html