نخستین سیاهچاله سرگردان در راه شیری با کمک محققان ایرانی کشف شد - سیلور 7

به نظر می رسد کهکشان راه شیری مانند یک ژاکت کش باف پشمی باستانی، باید پر از سیاهچاله باشد. بر اساس بهترین تخمین ها، باید بین 10 میلیون تا 1 میلیارد سیاهچاله با جرم ستاره ای وجود داشته باشد که آرام و بی سروصدا در کهکشان حرکت می کنند. هنگام شمارش آن ها فقط یک مشکل وجود دارد؛ این اجرام باید اندازهی از مواد عبوری را در میدان گرانشی خود به دام بیندازند، زیرا اساسا نامرئی هستند.

نامرئی بودن به معنای غیرقابل تشخیص بودن آن ها نیست. طبق مقاله ای که در استروفیزیکال ژورنال (Astrophysical Journal) داوری همتا خواهد شد، برای نخستین بار یک تیم بین المللی پژوهشی از جمله با همکاری پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف شامل دکتر سهراب راهوار (Sohrab Rahvar) و دکتر صدیقه سجادیان (Sedighe Sajadian) پیروز به کشف سیاهچاله ای تنها و خاموش در فاصله کمتر از 5200 سال نوری از زمین شده اند.

چگونگی کشف سیاهچاله تنها

با توجه به اینکه هم اکنون و شاید هرگز، ابزاری برای کاوش مستقیم سیاهچاله نداریم، باید اثراتش را بر فضای اطراف آن مشاهده کنیم. اغلب سیاهچاله ها از طریق جذب مواد ستاره همدم خود و درخشش مواد جذب شده به درون آن شناسایی می شوند. برای یک سیاهچاله خاموش اما این اثر بر محیط اطراف، به صورت گرانشی است و چون میدان گرانشی سیاهچاله بسیار شدید است، هر نوری را که ممکن است از آن بگذرد را تاب می دهد و می پیچاند.

بنابراین هنگامی که جرمی نامرئی نور یک ستاره دوردست را بزرگنمایی و به طرز عجیبی درخشان تر می کند، ستاره شناسان می دانند که احتمالا یک میدان گرانشی قوی وجود دارد که نور ستاره از آن گذشته است. این پدیده ریزعدسی گرانشی یا میکرولنزینگ گرانشی (Gravitational Microlensing) نام دارد و دانشمندان از آن برای شناسایی اجرام کوچک و کم نوری استفاده کرده اند که به جز این، تشخیص آن ها از طریق تلسکوپ ها بسیار سخت است. اما اکنون نخستین بار است که یک سیاهچاله تنها را از این روش می بینیم.

این تیم از اخترشناسان به سرپرستی کایلاش ساهو (Kailash Sahu) از مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی در تشریح این یافته نوشت: ما نخستین کشف و اندازه گیری جرم یک سیاهچاله تنها با جرم ستاره ای را انجام و نشان دادیم که این عدسی نور قابل تشخیصی از خود ساطع نمی کند و داشتن جرمی بالاتر از حد ممکن برای یک کوتوله سفید یا ستاره نوترونی، نشان می دهد یک سیاهچاله است.

ریزعدسی گرانشی زمانی روی می دهد که جرمی با میدان گرانشی، تقریبا به صورت خیلی دقیق از مقابل یک ستاره دوردست می گذرد. میدان گرانشی باعث انحنای فضا-زمان می شود و هنگامی که نور از میان میدان گرانشی می گذرد، همان انحنا را دنبال می کند و جهت آن به طور قابل توجهی خم می شود. این انحراف، نور را بزرگنمایی می کند و همچنین موقعیت ظاهری ستاره دوردست را کمی تغییر می دهد.

رویدادهای میکرولنزینگ قبلی باعث کشف سیاره های فراخورشیدی و ستارگانی شده اند که برای رصد بسیار کم نور هستند. آزمایش هایی که برای پایش آسمان تنظیم شده اند، هر سال هزاران رویداد ریزعدسی را شناسایی می کنند و بیشتر آن ها ستارگانی هستند که در مقابل ستاره های دیگر حرکت می کنند، که با توجه به شمار زیاد ستاره های کیهان، تعجب آور نیست.

در 2 ژوئن 2011 (12 خرداد 1390) دو بررسی جداگانه میکرولنزی، شامل آزمایش لنز گرانشی نوری (OLGE) و مشاهدات میکرولنزینگ در اخترفیزیک (MAO) به طور مستقل رویدادی را ثبت کردند که در 20 جولای ()29 تیر به اوج خود رسید.

این رویداد با نام MOA-2011-BLG-191/OGLE-2011-BLG-0462 یا به شکل کوتاه تر MOA-11-191/OGLE-11-0462 بسیار قابل توجه بود زیرا نه تنها به طور غیرمعمول طولانی بود و حدود 270 روز طول کشید، بلکه بزرگنمایی غیرعادی زیادی را هم نشان داد. با توجه به اینکه رویدادهای با بزرگنمایی بالا به آشفتگی ها حساس هستند، مانند آنچه ممکن است از سیاره ای که به دور یک جرم عدسی شده می چرخد دیده شود، دانشمندان برای انجام مشاهدات بعدی و انجام تجزیه وتحلیل ها، گرد هم آمدند.

رصدهای این محدوده در هشت موقعیت جداگانه با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل تا سال 2017 انجام شد. ساهو و تیمش این داده ها را بررسی کردند و دریافتند که بهترین تشخیص برای آن ها یک سیاهچاله و نه یک ستاره است.

سیاهچاله های سرگردان دیگر

اگرچه این نخستین کشف سیاهچاله های تنها در کهکشان راه شیری است اما دانشمندان پیش از این هم شواهدی از آن ها را در کهکشان های دیگر دیده ند. ازجمله در سال 2016 دانشمندان از کشف یک کهکشان سرگردان به نام XJ1417+52 با جرم 100 هزار برابر خورشید در لبه یک کهکشان عدسی-مانند با فاصله 4.5 میلیارد سال نوری خبر دادند.

در سال 2020 هم ستاره شناسان اعلام کردند که 13 سیاهچاله بزرگ را در برخی دیگر از کهکشان های کوتوله یافته اند. در حالی که برخی از سیاهچاله ها در مرکز این کهکشان ها قرار داشتند، اما حدود نیمی از آن ها چنین نبودند و به نظر می رسید که در اطراف کهکشان هایشان سرگردان هستند. این سیاهچاله ها 400 هزار برابر خورشید جرم داشتند.

مطالعات دقیق تر

پژوهشگران حتی پیروز به اندازه گیری سیاهچاله هم شدند. تغییرات مشاهده شده در پرتو ستاره دوردست به تیم امکان داد تا جرم و حرکت آن را محاسبه کنند. بدین ترتیب آن ها دریافتند که سیاهچاله جرمی حدود 7.1 برابر جرم خورشید دارد که باعث می شود که افق رویداد آن در حدود 42 کیلومتر عرض داشته باشد.

برای درک شگفت آور بودن این کشف باید اشاره کرد که دانشمندان پیروز شده اند جرمی نامرئی با ابعاد کمتر از یک دهم طول دره گرند کانیون را از فاصله بیش از 5000 سال نوری به کمک مطالعه نور متغیر ستاره ای دورتر، شناسایی کنند.

این یافته زمانی هیجان انگیزتر می شود که بدانیم تیم سرعت حرکت سیاهچاله در کهکشان راه شیری را هم محاسبه کرد و آن را 45 کیلومتر بر ثانیه تخمین زد. این سرعت نشان می دهد که این سیاهچاله نه یک سیاهچاله قدیمی، بلکه یک سیاهچاله فراری باشد.

این سیاهچاله احتمالا زمانی که ستاره پیشین آن با یک انفجار ابرنواختری منفجر شده، به فضا پرتاب شده است. اگر انفجار ابرنواختری یکنواخت و متقارن نباشد، نیروی ناهموار آن می تواند هسته فروپاشیده ستاره را به فضا پرتاب کند. چیزی که با عنوان ضربه ناتال (Natal Kick) شناخته می شود. ازجمله این نمونه ها می توان به کوتوله سفید LP 40-365 و تپ اختر PSR J0002+6216 اشاره کرد.

یک مطالعه در سال 2019 نشان داد که ممکن است میلیون ها سیاهچاله با ضربه ناتال در اطراف کهکشان راه شیری با سرعت زیاد در حال گذر باشند. اگر MOA-11-191/OGLE-11-0462 یکی از آن ها باشد، بسیار جالب خواهد بود.

این امکان وجود دارد که این جرم در یک منطقه با چگالی بالا از فضا در حال حرکت باشد. به گفته پژوهشگران، مطالعات آینده در این زمینه می تواند شامل استفاده از تلسکوپ های حساس پرتو ایکس برای تعیین این موضوع باشد که آیا سیاهچاله احتمالی در حال حذب موادی از محیط میان ستاره ای اطراف خود است یا خیر.

علاوه بر این، ابزارهای آینده می توانند سیاهچاله های با جرم ستاره ای تنهای بیشتری را شناسایی کنند. زمانی که شمار مناسبی کشف و مطالعه شد، می توان از آن داده ها برای کسب اطلاعات بیشتر درباره MOA-11-191/OGLE-11-0462 و سیاهچاله هایی که به طور کلی در کهکشان راه شیری زندگی می کنند، استفاده کرد.

عکس کاور: محدوده سیاهچاله MOA-11-191/OGLE-11-0462 از نگاه هابل در سال 2017

Credit: Sahu et al

منابع: Science Alert, EarthSky, ISNA