میدان‌های مغناطیسی عامل ایجاد سیاهچاله ها!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،یک تیم از اخترفیزیکدانان موسسه فلتیرون و همکاران بین‌المللی‌شان با انجام مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌های دقیق نشان دادند که میدان‌های مغناطیسی می‌توانند باعث ایجاد سیاهچاله‌هایی با جرم‌هایی شوند که پیش از این تقریبا غیرممکن تصور می‌شد.

به گزارش Science daily، در سال ۲۰۲۳ اخترشناسان یک رویداد کیهانی قابل توجه را ثبت کردند: دو سیاهچاله غیرمعمولا بزرگ در فاصله حدود ۷ میلیارد سال نوری از زمین با هم برخورد کردند. اندازه و چرخش سریع این سیاهچاله‌ها باعث شد که دانشمندان دچار سردرگمی شوند، زیرا انتظار نمی‌رفت که اجرامی با این ویژگی‌ها در جهان شکل بگیرند.

محققان مرکز اخترفیزیک محاسباتی موسسه فلتیرون (CCA) با همکاری پژوهشگرانی از دیگر کشور‌ها حالا توانسته‌اند توضیحی ممکن برای شکل‌گیری و ادغام این سیاهچاله‌ها ارائه دهند. شبیه‌سازی‌های دقیق آنها که سیر تکاملی کامل سیستم را از تولد ستارگان اولیه تا فروپاشی نهایی رصد می‌کند عامل مهمی را نشان داد که در مطالعات پیشین نادیده گرفته شده بود: تأثیر میدان‌های مغناطیسی.

به گفته اوره گوتلیب، اخترفیزیکدان CCA و نویسنده اصلی این مطالعه منتشرشده در The Astrophysical Journal Letters: هیچ‌کس این سیستم‌ها را به روشی که ما انجام دادیم بررسی نکرده بود؛ پیش از این اخترشناسان میانبر زده و میدان‌های مغناطیسی را نادیده می‌گرفتند. اما وقتی میدان‌های مغناطیسی را در نظر بگیرید، می‌توان منشأ این رویداد منحصر‌به‌فرد را توضیح داد.

مشکل جرم غیرمنتظره سیاهچاله‌ها

برخورد ثبت‌شده در سال ۲۰۲۳، با نام GW ۲۳۱۱۲۳ شناخته می‌شود و توسط همکاری LIGO Virgo KAGRA کشف شد؛ این گروه با استفاده از رصدخانه‌های امواج گرانشی، اختلالات بسیار جزئی در فضا زمان ناشی از حرکت‌های عظیم کیهانی را اندازه‌گیری می‌کند.

ابتدا دانشمندان نمی‌توانستند توضیح دهند که چگونه سیاهچاله‌هایی با این جرم و چرخش بالا شکل گرفته‌اند. ستارگان عظیم معمولا در پایان عمر خود در انفجار‌های ابرنواختری به سیاهچاله تبدیل می‌شوند، اما ستارگان در یک بازه جرمی خاص رفتار متفاوتی دارند و دچار ابرنواختر جفت-نوسانی می‌شوند؛ انفجاری قدرتمند که ستاره را به‌طور کامل نابود می‌کند و هیچ بازمانده‌ای باقی نمی‌گذارد.

گوتلیب توضیح می‌دهد: به همین دلیل انتظار نمی‌رود سیاهچاله‌هایی با جرمی بین حدود ۷۰ تا ۱۴۰ برابر جرم خورشید شکل بگیرند؛ بنابراین دیدن سیاهچاله‌هایی در این بازه جرم برای دانشمندان بسیار شگفت‌آور بود.

یک احتمال این است که سیاهچاله‌های این بازه جرمی زمانی شکل می‌گیرند که سیاهچاله‌های کوچک‌تر با هم ادغام شوند. اما در مورد GW ۲۳۱۱۲۳ این توضیح قابل قبول به نظر نمی‌رسید. زیرا ادغام سیاهچاله‌ها اغلب چرخش نهایی سیاهچاله را به‌هم می‌ریزد، در حالی که سیاهچاله‌های این برخورد سریع‌تر از هر سیاهچاله‌ای بودند که تاکنون توسط LIGO اندازه‌گیری شده بود. احتمال شکل‌گیری دو سیاهچاله عظیم و سریع‌چرخش از طریق ادغام‌های معمولی تقریباً صفر بود و این نشان می‌داد که فرآیند دیگری مسئول بوده است.

شبیه‌سازی تکامل ستارگان غول‌پیکر

گوتلیب و همکارانش برای بررسی این موضوع شبیه‌سازی دو مرحله‌ای انجام دادند:

• شبیه‌سازی یک ستاره غول‌پیکر با ۲۵۰ برابر جرم خورشید در طول عمر اصلی‌اش از آغاز سوختن هیدروژن تا پایان سوخت و فروپاشی در ابرنواختر. این ستاره هنگام رسیدن به مرحله ابرنواختر، جرمش به حدود ۱۵۰ برابر خورشید کاهش یافته بود که درست بالاتر از بازه جرم ممنوع است و می‌تواند سیاهچاله‌ای برجای بگذارد.

• شبیه‌سازی پیچیده‌تر با در نظر گرفتن میدان‌های مغناطیسی که به بررسی آثار بعدی ابرنواختر می‌پرداخت. مدل با باقی‌مانده‌های ستاره، ابر گاز و غبار همراه با میدان مغناطیسی و یک سیاهچاله مرکزی آغاز شد. در مطالعات پیشین فرض می‌شد تمام جرم باقی‌مانده به سیاهچاله سقوط می‌کند، اما شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که این‌طور نیست.

دانشمندان راز ادغام غیرممکن دو سیاهچاله عظیم را کشف کردند

نقش میدان‌های مغناطیسی در شکل‌گیری سیاهچاله‌ها

پس از فروپاشی یک ستاره غیرچرخان باقی‌مانده‌ها سریعا به سیاهچاله می‌ریزند، اما اگر ستاره اولیه سریع بچرخد، این باقی‌مانده‌ها یک دیسک چرخان تشکیل می‌دهند که باعث افزایش چرخش سیاهچاله می‌شود. حضور میدان‌های مغناطیسی فشار قابل توجهی بر این دیسک وارد می‌کند و می‌تواند بخشی از ماده را با سرعت نزدیک به نور از سیستم پرتاب کند.

این جریان‌ها باعث کاهش جرم ورودی به سیاهچاله می‌شوند. هرچه میدان مغناطیسی قوی‌تر باشد، این اثر بیشتر است؛ در موارد شدید، تا نیمی از جرم اولیه ستاره از طریق جریان‌های دیسک پرتاب می‌شود. در شبیه‌سازی‌ها این روند موجب شد که سیاهچاله‌ای در بازه جرم ممنوع شکل بگیرد.

گوتلیب می‌گوید: وجود چرخش و میدان‌های مغناطیسی می‌تواند تکامل پس از فروپاشی ستاره را به‌طور بنیادی تغییر دهد و جرم سیاهچاله نهایی را به طور قابل توجهی کمتر از جرم کل ستاره کند.

ارتباط جرم و چرخش سیاهچاله‌ها

نتایج نشان می‌دهد که ارتباطی بین جرم و چرخش سیاهچاله‌ها وجود دارد. میدان‌های مغناطیسی قوی می‌توانند چرخش سیاهچاله را کاهش دهند و بخشی از جرم ستاره را از بین ببرند، و در نتیجه سیاهچاله‌های سبک‌تر و کندتر ایجاد کنند. میدان‌های ضعیف اجازه می‌دهند سیاهچاله‌های سنگین‌تر و سریع‌تر شکل بگیرند.

این الگو می‌تواند به یک قانون کلی بین جرم و سرعت چرخش سیاهچاله‌ها اشاره داشته باشد. هرچند تاکنون داده‌های مشاهده‌ای کافی برای تأیید این ارتباط وجود ندارد دانشمندان امیدوارند مشاهدات آینده این نظریه را بررسی کنند.

همچنین شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که شکل‌گیری این نوع سیاهچاله‌ها انفجار‌های پرتو گاما تولید می‌کند که ممکن است قابل مشاهده باشند. جستجوی این نشانه‌های پرتو گاما می‌تواند فرآیند شکل‌گیری پیشنهادی را تأیید کرده و فراوانی این سیاهچاله‌های عظیم در جهان را مشخص کند.

این کشف می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا درک عمیق‌تری از فیزیک بنیادی سیاهچاله‌ها پیدا کنند و چگونگی ارتباط جرم، چرخش و میدان‌های مغناطیسی را روشن سازند.