آشنایی با انواع سیاه‌چاله‌ها

به گزارش مجله خبری نگار، حالا که با تعریفی از سیاه‌چاله آشنا شدیم، باید بدانیم که آن‌ها دارای انواع گوناگون هستند و به‌طور کلی به ۳ دسته تقسیم می‌شوند.

سیاه‌چاله با جرم ستاره‌ای - کوچک، اما کشنده

شناخته‌شده‌ترین سیاه‌چاله‌ها، سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای هستند و زمانی شکل می‌گیرند که سوخت یک ستاره بسیار بزرگ به پایان می‌رسد. در این موقع، ستاره منفجر می‌شود یا در خود فرومی‌ریزد. برای ستارگان کوچک‌تر یعنی آن‌هایی که جرم‌شان تقریبا ۳ برابر خورشید است، هسته جدید به یک ستاره نوترونی یا یک کوتوله سفید تبدیل خواهد شد، اما وقتی یک ستاره بزرگ‌تر فرو می‌ریزد، به فشرده‌شدن ادامه می‌دهد و یک سیاه‌چاله ستاره‌ای ایجاد می‌کند.

اگر جرم ستاره درحال فروپاشی بین ۸ تا ۲۰برابر خورشید باشد، سیاه‌چاله تشکیل نخواهد شد. در عوض، مواد درحال فروپاشی از هسته ستاره جهش کرده و سبب فروپاشی آن به شکل یک ابرنواختر می‌شود. اما اگر جرم ستاره درحال فروپاشی حدود ۲۰برابر جرم خورشید باشد، هسته آن به اندازه کافی قوی نیست که مانع از انفجار شود. درواقع، هیچ مکانیزمی نمی‌تواند از فروپاشی و تبدیل چنین ستاره‌ای به سیاه‌چاله جلوگیری کند. بسته به اندازه اولیه ستاره درحال انفجار، سیاه‌چاله با جرم ستاره‌ای حاصل می‌تواند تا حدود ۱۰۰ برابر یا بیشتر جرم خورشید رشد کند.

سیاه‌چاله‌های کلان جرم - تولد غول‌ها

سیاه‌چاله‌ها جمعیت بیشتری دارند، اما پسرعمو‌های آنها، سیاه‌چاله‌های کلان جرم، غالب هستند. این سیاه‌چاله‌های عظیم، میلیون‌ها یا حتی میلیارد‌ها برابر خورشید جرم دارند، اما قطرشان تقریباً برابر است. تصور می‌شود که چنین سیاه‌چاله‌هایی تقریباً در مرکز هر کهکشانی ازجمله کهکشان راه شیری قرار داشته باشند. دانشمندان خیلی مطمئن نیستند که چگونه چنین سیاه‌چاله‌های بزرگی تولید می‌شوند.

با این حال، نظریه‌های فراوانی در مورد تشکیل این نوع سیاه‌چاله‌ها وجود دارد، اما یکی از قانع‌کننده‌ترین آن‌ها این است که به‌دلیل یک رشته از واکنش‌های زنجیره‌ای غیرقابل کنترل ستاره‌ای، سیاه‌چاله‌ها بزرگ‌تر می‌شوند. پس از تشکیل، این غول‌ها جرم‌هایی را از گردوغبار و گاز اطراف خود جمع‌آوری می‌کنند؛ موادی که در مرکز کهکشان‌ها به وفور یافت می‌شوند و به آن‌ها اجازه می‌دهند تا به اندازه‌های عظیم‌تری رشد کنند.

در طول مسیر، سیاه‌چاله می‌تواند به سایر سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای و با جرم متوسط بپیوندد و حتی بزرگ‌تر هم بشود. اما درنهایت به هسته کهکشان می‌رسد (البته اگر پیش‌تر از آنجا شروع نشده باشد) و به گشتن در فضا و بلعیدن هر ماده‌ای که خیلی به آن نزدیک است، ادامه می‌دهد. طی میلیارد‌ها سال، این فرایند می‌تواند به سیاه‌چاله اجازه دهد تا به میلیون‌ها برابر جرم خورشید برسد!

سیاه‌چاله با جرم متوسط - وجود دارند

سیاه‌چاله با جرم متوسط بین سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای و سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم قرار دارد. این نوع سیاه‌چاله نه خیلی کوچک است و نه خیلی بزرگ، اما نادر است. دانشمندان زمانی فکر می‌کردند که سیاه‌چاله‌ها فقط در اندازه‌های کوچک و بزرگ هستند، اما تحقیقات احتمال وجود سیاه‌چاله‌های متوسط (IMBHs) را آشکار کرده است.

چنین اجرامی می‌توانند زمانی تشکیل شوند که ستاره‌های یک خوشه در یک واکنش زنجیره‌ای باهم برخورد کنند. چندین مورد از این IMBH که در همان منطقه شکل می‌گیرند، درنهایت می‌توانند در مرکز یک کهکشان با هم بیفتند و یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم ایجاد کنند. گمان می‌رود که سیاه‌چاله‌های با جرم متوسط زمانی تشکیل می‌شوند که چندین سیاه‌چاله با جرم ستاره‌ای تحت مجموعه‌ای بزرگ‌تر ترکیب شوند. این ترکیب‌ها بیشتر در مناطق شلوغ کهکشان‌ها اتفاق می‌افتد.

در سال ۲۰۱۴، اخترشناسان چیزی را یافتند که به‌نظر می‌رسید سیاه‌چاله‌ای با جرم متوسط در بازوی یک کهکشان مارپیچی باشد. در سال ۲۰۲۱ ستاره‌شناسان از یک انفجار پرتو گامای قدیمی برای شناسایی آن استفاده کردند. به‌گفته محققان، پس از تعدادی ترکیب متوالی، این سیاه‌چاله‌های با جرم متوسط درنهایت ممکن است از حدود ۱۰۰ به حدود یک میلیون جرم خورشیدی رشد کنند؛ اگرچه معیار تقسیم‌بندی بین طبقات مختلف این سیاه‌چاله‌ها هنوز موضوع بحث است.

تحقیقات انجام‌شده در سال ۲۰۱۸ نشان داد که این IMBH‌ها ممکن است در قلب کهکشان‌های کوتوله (یا کهکشان‌های بسیار کوچک) وجود داشته باشند. مشاهدات ۱۰ کهکشان از این قبیل (که ۵ تای آن‌ها قبل از این بررسی جدید برای علم ناشناخته بودند) فعالیت اشعه ایکس - که در سیاه‌چاله‌ها رایج است - را نشان داد که این وجود سیاه‌چاله‌هایی با جرم ۳۶ هزار تا ۳۱۶ هزار خورشیدی را تأیید می‌کند.

سیاه‌چاله‌های دوتایی - مشکل مضاعف

در سال ۲۰۱۵، ستاره‌شناسان با استفاده از تداخل‌سنج لیزری رصدخانه امواج گرانشی (LIGO) امواج گرانشی را از ادغام سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای شناسایی کردند. «دیوید شومیکر»، سخنگوی همکاری علمی LIGO گفت: «ما تأیید بیشتری در مورد وجود سیاه‌چاله‌هایی با جرم ستاره‌ای داریم که جرم آن‌ها بیش از ۲۰ خورشید است. این‌ها اجرامی هستند که قبل از شناسایی‌شان توسط LIGO نمی‌دانستیم وجود دارند.»

مشاهدات LIGO همچنین بینش‌هایی را در مورد جهت چرخش سیاه‌چاله ارائه می‌دهد. همانطور که ۲ سیاه‌چاله به دور یکدیگر مارپیچ می‌شوند، می‌توانند در یک جهت یا خلاف جهت بچرخند. ۲ نظریه در مورد چگونگی تشکیل سیاه‌چاله‌های دوتایی وجود دارد. یکی نشان می‌دهد که ۲ سیاه‌چاله تقریباً در یک زمان به شکل دوتایی هستند؛ از ۲ ستاره که باهم متولد شده و تقریبا در یک زمان به‌صورت انفجاری مرده‌اند.

ستارگان همدم باید جهت چرخش یکسانی با یکدیگر داشته باشند، بنابراین ۲ سیاه‌چاله به‌جای مانده نیز همینطور. در مدل دوم، سیاه‌چاله‌های یک خوشه ستاره‌ای به مرکز خوشه فرو می‌روند و جفت می‌شوند. براساس تحقیقات «همکاری علمی LIGO»، این همراهان دارای جهت‌گیری‌های چرخشی تصادفی در مقایسه با یکدیگر خواهند بود. مشاهدات LIGO از سیاه‌چاله‌های همراه با جهت‌گیری‌های چرخشی متفاوت، شواهد قوی‌تری برای این نظریه شکل‌گیری ارائه می‌دهد.

منبع: همشهری