حل پارادوکس تشکیل ابرسیاهچاله پر جرم توسط ابر رایانه!!

شبیه‌سازی‌های جدید نشان می‌دهد که ادغام کهکشان‌های سه‌تایی می‌تواند به توضیح چگونگی رشد سریع بزرگترین سیاهچاله‌های جهان کمک کند.

این تصویر تلسکوپ فضایی هابل، منظره نادری از سه کهکشان در حال ادغام را به تصویر می‌کشد که هر کدام دارای یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم هستند. براساس شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای اخیر، ادغام‌های سه‌گانه‌ای مانند این ممکن است چگونگی شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم – آن‌هایی که ده‌ها بیلیون برابر خورشید جرم دارند – در کیهان اولیه با این سرعت شکل بگیرد. ESA/NASA

با میدان گرانشی آنقدر قوی که حتی نور هم نمی‌تواند از چنگال آن فرار کند، سیاهچاله‌ها احتمالاً جالبترین و عجیبترین اجرام در جهان هستند.

به دلیل ویژگی‌های آنها، توصیف نظری این اجرام آسمانی در چارچوب نظریه کلاسیک گرانش نیوتن غیرممکن است. این امر نیاز به استفاده از نسبیت عام دارد، نظریه‌ای که اینشتین در سال 1915 ارائه کرد که میدانهای گرانشی را به عنوان تغییر شکل در بافت فضا-زمان تلقی می‌کند.

سیاهچاله‌ها معمولاً از فروپاشی ستارگان پرجرم در مرحله نهایی تکاملشان به وجود می‌آیند. بنابراین، هنگامی که یک سیاهچاله متولد می‌شود، جرم آن از چند ده برابر جرم خورشید بیشتر نمی‌شود.

با این حال، پس از تشکیل، سیاهچاله شروع به جذب مواد اطراف خود می‌کند و اگر در مرکز یک کهکشان قرار گیرد، جایی که چگالی ماده زیاد است، می‌تواند تا میلیون‌ها و حتی بیلیونها جرم خورشیدی رشد کند و تبدیل به یک سیاه‌چاله بزرگ شود. کهکشان راه شیری ما نیز میزبان چنین سیاهچاله‌ای به نام Sagittarius A* است که بیش از چهار میلیون بار سنگینتر از خورشید است.

اگرچه Sagittarius A* در مقایسه با هر جرم دیگری در کهکشان ما یک غول است، اما توسط برخی از سیاهچاله‌های شناخته شده دیگر به نام ابرپرجرم که دهها بیلیون برابر جرم خورشید هستند، کوتوله شده است. در حالی که این غول‌ها شگفت‌انگیز هستند، چالشی جدی برای دانشمندان ایجاد می‌کنند. مشکل اینجاست که طبق نظریه کنونی شکل گیری و تکامل کهکشانها، هیچ سیاهچاله‌ای نباید زمان کافی برای به دست آوردن چنین جرم عظیمی داشته باشد، حتی اگر اندکی پس از انفجار بزرگ شکل گرفته باشد.

برای حل این تناقض بین تئوری و مشاهدات، محققان فرضیه‌ای را مطرح کردند که توسط داده‌های نجومی خاص پشتیبانی می‌شود، مبنی بر اینکه سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم ممکن است نه در طول تکامل یک کهکشان، بلکه در نتیجه برخورد دو یا حتی سه کهکشان سنگین میزبان ابرسیاهچاله‌های پرجرم ایجاد شوند.

آنها معتقد بودند که با چنین ادغامی، سیاهچاله‌ها با هم برخورد می‌کنند و سیاهچاله‌ای با جرم بزرگتر تشکیل می‌دهند و مهمتر از همه، سرعت جذب ماده این سیاهچاله بزرگتر چندین برابر بیشتر از اجداد آن است که امکان تشکیل یک ابرسیاهچاله پرجرم را در مدت زمان معقولی فراهم می‌کند.

جستجوی ابرسیاهچاله‌های رجرم با شبیه‌سازی

مانند هر فرضیه دیگری، این نظریه ادغام سیاهچاله‌های پرجرم نیاز به آزمایش داشت و برای انجام این کار، تیمی از اخترفیزیکدانان آمریکایی به رهبری یوئینگ نی اخیراً از شبیه‌سازی تشکیل کهکشان به نام آسترید استفاده کردند که یکی از بزرگترین شبیه‌سازی‌های کیهانی است که تا به امروز توسعه یافته است.

نی، یک محقق فوق دکتری در مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین در مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس، گفت: “هدف علمی آسترید مطالعه شکل‌گیری کهکشان‌ها، ادغام ابرسیاهچاله‌های پرجرم و یونیزاسیون مجدد در طول تاریخ کیهانی است.” آسترید حجم زیادی از کیهان را که صدها میلیون سال نوری را در بر می‌گیرد، مدلسازی کند، اما می‌تواند تا وضوح بسیار بالا زوم کند.

شبیه‌سازی‌های آسترید روی ابرکامپیوتر Frontera انجام شد که توسط NSF تأمین مالی می‌شود و در مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس (TACC) در دانشگاه تگزاس، آستین قرار دارد.

TACC

برای اجرای شبیه‌سازی، اخترفیزیکدانان از ابررایانه فرونترا TACC، قدرتمندترین ابررایانه دانشگاهی در ایالات متحده استفاده کردند، نی گفت: “فرونترا تنها سیستمی است که ما از روز اول Astrid را در آن اجرا کردیم.” “این یک شبیه‌سازی خالص مبتنی بر Frontera است.”

در این مطالعه که در 30 نوامبر در ژورنال Astrophysical منتشر شد، گروه بر مرحله ای از تکامل کیهان تمرکز کردند که حدود 10 تا 11 بیلیون سال پیش رخ داد. در این دوره که «ظهر کیهانی» نامیده می‌شود، سرعت شکل‌گیری ستاره و همچنین تجمع ماده توسط سیاهچاله‌ها به اوج خود رسید.

نی گفت: «ما دریافتیم که یکی از کانال‌های احتمالی تشکیل ابرسیاه‌چاله‌های پر‌جرم از ادغام شدید کهکشان‌های پرجرم است که به احتمال زیاد در عصر «ظهر کیهانی» اتفاق می‌افتد.

اخترفیزیکدانان در شبیه سازی‌های خود، تکامل 3000 کهکشان را در نظر گرفتند که منجر به تشکیل بیش از 700 سیاهچاله با جرم بیش از 1 بیلیون برابر خورشید شد. از این باغ‌وحش کیهانی، چندین سیستم کهکشانی سه‌تایی خودنمایی می‌کردند که میزبان ابرسیاهچاله‌های پرجرم بودند و هر یک از آنها در نهایت در یک ابرکهکشان پرجرم ادغام شدند.

نی گفت: «در این دوره، ما یک ادغام شدید و نسبتاً سریع از سه کهکشان پرجرم را مشاهده کردیم. جرم هر یک از کهکشانها 10 برابر جرم کهکشان راه شیری خودمان است و یک ابرسیاهچاله پرجرم در مرکز هر کهکشان قرار دارد. یافته‌های ما این احتمال را نشان می‌دهد که این سیستم‌های سه‌تایی اختروش، مولد آن ابرسیاه‌چاله‌های نادر پر‌جرم هستند (پس از اینکه این سه‌تایی‌ها به صورت گرانشی برهم‌کنش می‌کنند و با یکدیگر ادغام می‌شوند).

شبیه‌سازی‌های آسترید که بر روی ابررایانه فرونترا مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس اجرا می‌شوند نشان می‌دهند که چگونه ابرسیاهچاله‌های پرجرم ممکن است در مدت زمان کوتاهی پس از انفجار بزرگ شکل گرفته باشند. در اینجا یک سیستم اختروش سه‌تایی نشان داده شده است که بر روی پرجرم‌ترین اختروش سیاه‌چاله (BH1) متمرکز شده است. خطوط قرمز و زرد مسیری را نشان می‌دهند که دو اختروش پرجرم دیگر (BH2 و BH3) هنگام مارپیچ شدن به یکدیگر و ادغام شدن، طی کردند. DOI 10.3847/2041-8213/aca160

سیاهچاله‌ها در کهکشان‌های پرجرم تازه تشکیل شده به سرعت شروع به رشد کردند و تنها در چند صد میلیون سال (به یاد بیاورید که سن جهان تقریباً 13.8 بیلیون سال است) به جرم تقریباً 50 بیلیون، 65 بیلیون و 100 بیلیون رسیدند. توده‌های خورشیدی، پس از آن رشد آنها به طور قابل توجهی کاهش یافت.

نی گفت: «آنچه ما پیدا کردیم سه ابرسیاهچاله پرجرم بود که جرم خود را در ظهر کیهانی جمع کردند، زمانی که 11 بیلیون سال پیش تشکیل ستاره، هسته‌های فعال کهکشانی و به طور کلی ابرسیاه‌چاله‌های پرجرم به اوج فعالیت خود می‌رسند.

نتیجه شبیه‌سازی به خوبی با مشاهدات مطابقت دارد، زیرا بزرگترین سیاهچاله‌های شناخته شده دارای جرمی در حدود 40 تا 65 بیلیون برابرخورشید هستند. علاوه بر این، نه تنها توده‌های ابرسیاه‌چاله‌های پر‌جرم، بلکه ساختار و درخشندگی کهکشان‌های میزبان آن‌ها، تقریباً کاملاً با مشاهدات مطابقت دارند و این مطالعه را حتی قابل اعتمادتر می‌کند.

یکی دیگر از ویژگی‌های جالب شبیه‌سازی این است که جرم ابرسیاه‌چاله‌های پرجرم بسیار نزدیک به حداکثر است، پس از آن سیاه‌چاله باید تقریباً جذب ماده از قرص برافزایشی اطراف خود را متوقف کند. این بیشتر هم دقت شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و هم درستی درک نظری ما از نحوه تعامل سیاه‌چاله‌ها با ماده را تأیید می‌کند.

یافتن سیاهچاله های فوق پرجرم در آینده

تنها چند سیاهچاله فوق پرجرم تا به امروز کشف شده است، بنابراین مشاهدات بیشتری برای آزمایش دقت این مدل شکل گیری مورد نیاز است.

خوشبختانه، بسیاری از تلسکوپ‌های موجود و برنامه‌ریزی‌شده مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و آشکارسازهای امواج گرانشی مانند LIGO و VIRGO وجود دارند که باید به محققان کمک کنند سیاه‌چاله‌های بیشتری را شناسایی کنند و ویژگی‌های آنها را بهتر درک کنند. (LIGO و VIRGO در حال حاضر فقط می توانند ادغام سیاهچاله های کوچکتر با جرم ستاره‌ای را تشخیص دهند، زیرا این آشکارسازها قادر به تشخیص امواج گرانشی از ادغام سیاهچاله‌های بسیار پرجرم یا پرجرم نیستند.)

علاوه بر این، رصدخانه امواج گرانشی آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری مبتنی بر فضای آینده (LISA) به ما درک بسیار بهتری از نحوه ادغام و/یا ادغام این سیاهچاله‌های پرجرم، همراه با ساختار سلسله مراتبی، شکل گیری و کهکشان می‌دهد. نی گفت: ادغام در طول تاریخ کیهانی. این یک زمان هیجان‌انگیز برای اخترفیزیکدانان است و خوب است که بتوانیم شبیه‌سازی داشته باشیم تا بتوانیم پیش‌بینی‌های نظری را برای آن مشاهدات انجام دهیم.»

علاوه بر این، گروه تحقیقاتی نی در حال برنامه‌ریزی برای استفاده از این رصدخانه‌ها و شبیه‌سازی‌های آسترید برای مطالعه نه تنها سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم، بلکه همچنین خواص هسته‌های فعال کهکشانی (AGN) – مناطق فشرده و فوق‌نور که تصور می‌شود از ابرسیاهچاله‌های پرجرم و کهکشان‌هایی نیرو می‌گیرند که میزبان آنها هستند.

نی گفت: “آنها یک هدف علمی بسیار مهم برای جیمزوب هستند که مورفولوژی کهکشانهای میزبان هسته فعال کهکشانی و تفاوت آنها را در مقایسه با جمعیت وسیع کهکشان در طول ظهر کیهانی تعیین می کنند.”

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Paradox of ultramassive black hole formation solved by supercomputer

By Andrey Feldman  |  Published: Friday, March 10, 2023

https://www.astronomy.com/news/2023/03/paradox-of-ultramassive-black-hole-formation-solved-by-supercomputer