کشف بزرگ دانشمندان: DNA کیهانی، از رموز تولد سیاهچاله‌های ابَرپرجرم پرده برمی‌دارد

تیمی از دانشمندان به سرپرستی دانشگاه «کاردیف» دریافته‌اند می‌توان اصل و نسب سیاهچاله‌های ابَرپرجرم را با بررسی چرخش آن‌ها به کمک امواج گرانشی مطالعه کرد. این سیاهچاله‌ها که عمدتا از ادغام سیاهچاله‌های کوچکتر فعال تشکیل می‌شوند، اطلاعات ارزشمندی در چرخش خود دارند. به عبارت دیگر، دانشمندان دریافته‌اند اندازه هر سیاهچاله و سرعت چرخش آن می‌تواند اطلاعاتی درباره چگونگی شکل‌گیری آن و محل تولدش در اختیار آن‌ها قرار دهد.

دانشمندان همچنین دریافتند الگوهای چرخشی سیاهچاله‌ها می‌تواند منطقه‌ای از فضایی که سیاهچاله در آن متولد شده است را نیز آشکار کند. می‌توان گفت که الگوهای چرخشی همانند یک آزمایش DNA کیهانی عمل می‌کنند، درحالیکه آزمایش DNA برای انسان‌ها نمی‌تواند مشخص کند فرد در چه بیمارستانی متولد شده است.

اما این آزمایش DNA کیهانی چطور انجام می‌شود و اطلاعات مرتبط با هر سیاهچاله چطور استخراج می‌شود؟ امواج گرانشی که در رصدخانه‌های «LIGO» و «Virgo» شناسایی و مطالعه می‌شوند، می‌توانند برای خواندن این اطلاعات به کار روند. پس امواج گرانشی نقش DNA کیهانی در آشکارسازی اطلاعات را ایفا می‌کنند.

دانشمندان در مطالعه سیاهچاله‌ها، پس از یافتن برخی از اجرام که ابرپرجرم هستند، به یک سوال بزرگ رسیدند: این دسته از سیاهچاله‌های ابرپرجرم چطور شکل گرفته‌اند؟ زمانی که ستاره‌ای با جرم ۱۰ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید، سوخت لازم برای همجوشی هسته‌ای را مصرف می‌کند و به پایان عمر خود نزدیک می‌شود، تحت یک انفجار گرانشی تبدیل به سیاهچاله‌ می‌شود. بدین ترتیب، سیاهچاله‌های کم‌جرم شکل می‌گیرند. اما سیاهچاله‌های ابرپرجرم که جرم آن‌ها میلیون‌ها یا میلیاردها برابر خورشید است، چطور شکل می‌گیرند؟ هیچ ستاره‌ای نمی‌تواند فروپاشی کند تا چنین سیاهچاله عظیمی شکل بگیرد. پس دانشمندان باور دارند ادغام سیاهچاله‌های کوچکتر منجر به شکل‌گیری این اجرام می‌شود.

اولین‌بار در سال ۲۰۱۵، دانشمندان موفق شدند در رصدخانه‌های LIGO و Virgo امواج گرانشی را شناسایی کنند - درست ۱۰۰ سال پس از اینکه «آلبرت اینشتین» وجود آن‌ها را در نظریه گرانش خود موسوم به «نسبیت عام» پیش‌بینی کرد. این شناسایی و نتایج نظری، منجر به تایید نظریه ادغام سیاهچاله‌های کوچکتر در شکل‌گیری سیاهچاله‌های ابرپرجرم شد.

نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند که هر جسم به علت اینکه جرم دارد، سبب می‌شود تار و پود فضا-زمان دچار اعوجاج - درهم‌تنیدگی یا تاب‌خوردگی - شود و جاذبه از این تاب برداشتن ناشی می‌شود. در نظر داشته باشید که اجرام با جرم معمولی که در زندگی روزمره با آن‌ها سروکار داریم نیز فضا-زمان را دچار اعوجاج می‌کنند که بسیار ناچیز است، اما اعوجاج ناشی از اجرام کیهانی همانند سیاهچاله‌ها قابل‌توجه است.

اینشتین همچنین پیش‌بینی کرد که وقتی اجسام در فضا-زمان شتاب می‌گیرند، موج‌هایی ایجاد می‌کنند که با سرعت نور گسترش می‌یابند. با این‌حال، این امواج که آن‌ها را «امواج گرانشی» می‌نامیم، تنها زمانی قابل‌تشخیص هستند که اجرام درگیر در این فرآیند واقعا پرجرم باشند. خوشبختانه سیاهچاله‌ها گزینه مناسبی هستند و ادغام آن‌ها به‌طور ذاتی منجر به تولید و انتشار امواج گرانشی می‌شود.

هنگامی که سیاهچاله‌ها به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک می‌شوند تا درحین چرخش به دور یکدیگر تشکیل یک سیستم دوتایی بدهند، تار و پود فضا-زمان را با امواج گرانشی دچار اعوجاج می‌کنند. افزایش سرعت چرخش سیاهچاله‌ها به دور هم سبب نزدیک شدن آن‌ها به یکدیگر شده تا درنهایت با هم برخورد کرده و سپس درهم ادغام شوند.

این ادغام سبب ایجاد سیاهچاله‌ای می‌شود که جرم بیشتری نسبت به دو سیاهچاله اولیه دارد اما جرم آن از ترکیب جرم دو سیاهچاله اولیه کمتر است زیرا مقداری از انرژی خود را در امواج گرانشی از دست داده است.

«فابیو آنتونینی» سرپرست تیم محققان از دانشکده فیزیک دانشگاه کاردیف می‌گوید: «همانطور که ادغام سیاهچاله‌های بیشتری را در LIGO و Virgo شناسایی می‌کنیم، بیشتر مطمیٔن می‌شویم که سیاهچاله‌ها الگوهای چرخشی متفاوتی دارند و این نشان می‌دهد که الگوهای چرخشی اطلاعات ارزشمندی راجع به روش تشکیل آن‌ها در خود دارند. اما همین مسیٔله کار ما را سخت می‌کند زیرا تشخیص اینکه کدام یک از سناریوهای شکل‌گیری رایج‌تر است، دشوارتر می‌شود.»

برای کشف این راز بزرگ، دانشمندان داده‌های مرتبط با ۶۹ رویداد امواج گرانشی ثبت شده در LIGO و Virgo را مورد بررسی قرار دادند. آنچه آن‌ها دریافتند این بود که چرخش یک سیاهچاله با رسیدن آن به سیاهچاله به نحوی تغییر می‌کند که مرتبط با جرم آن است. الگوی کشف شده توسط تیم با مدل‌هایی مطابقت دارد که نشان می‌دهد سیاهچاله‌ها از طریق برخوردهای مکرر در خوشه‌های ستاره‌ای متراکم رشد می‌کنند تا تبدیل به یک سیاهچاله ابرپرجرم شوند.

با استفاده از این یافته‌ها، دانشمندان اکنون می‌توانند تکنیک مدل‌سازی کامپیوتری مورد استفاده برای شبیه‌سازی نحوه شکل‌گیری و رشد سیاهچاله را اصلاح کنند.