سياه چاله

[Babak Radfar]

سياهچاله اي با جرم متوسط
منجمين تا به حال نشانه هايي از وجود سياهچاله هايي غول آسا با جرم چند ميليون ستاره در مركز كهكشان ها و يا سياهچاله هايي با جرم يك ستاره يافته اند.اما سياهچاله هاي متوسط (با جرم ۱۰۰ تا ۱۰.۰۰۰ ستاره) كميابند. يكي از جديدترين مدارك مبني بر وجود يك سياهچاله ي متوسط توسط رصدخانه ي اشعه ايكس چاندرا بدست آمده است. در اين شواهد ، مدار يك ستاره كه به دور يك سياهچاله با جرم متوسط به دام افتاده ، اندازه گيري شده است
دانشمندان با استفاده از كاوشگر اشعه ايكس “روسي” ، ستاره اي را يافته اند كه در حال چرخش به دور يك سياهچاله متوسط مي باشد. اين دسته از سياهچاله ها (با جرم متوسط) كه ناتواني در تاييد وجود آنها در حدود يك دهه موجب نارضايتي دانشمندان شده بود ، تا به حال تنها در نظريه ها موجود بودند. با كشف اين ستاره و دوره تناوب چرخش آن به دور سياهچاله ، دانشمندان در حال حاضر يك قدم بسيار مهم در راه محاسبه ي جرم سياهچاله به پيش رفته اند.مكان و دوره تناوب گردش ستاره نيز در نظريه اي اساسي در مورد توضيح چگونگي شكل گيري اين سياهچاله ها ،صدق مي كند.
تيمي به رهبري پروفسور “فيليپ كارت” از دانشگاه آيووا اين نتايج را در مجله ي “ساينس اكسپرس” اعلام كرده اند. اين نتايج همچنين در مقاله اي در تاريخ ۲۷ ژانويه در مجله ي “ساينس” چاپ خواهد شد.“كارت” مي گويد :“ما اين ستاره ي به ظاهر عادي را در مرحله اي استثنايي از تحولش پيدا كرديم.در مرحله اي نزديك به مرگ كه در آن ستاره منبسط شده و تبديل به غول سرخ مي شود.در نتيجه گاز اين ستاره در حال سرازير شدن به داخل سياهچاله و موجب نوراني شدن محدوده ي سياهچاله مي شود.ما با پشتكار فراوان و كمي شانس موفق يه كشف اين ستاره شده ايم.”


سياهچاله جسمي بسيار چگال با نيروي گرانشي بسيار قوي مي باشد كه هيچ چيز ، حتي نور ، نمي تواند از دام نيروي گرانشي فوق العاده قوي آن فرار كند.منطقه اي كه در آن سياهچاله واقع شده است هنگامي روشن و نوراني مي شود كه جرمي به آن نزديك شده و در دام ميدان گرانشي آن بيفتد.در اثر اين نزديكي ، دماي اين جرم افزايش يافته تا جايي كه از خود نور تابش مي كند.اين نور قبل از رسيدن جرم به مرزهاي گرانشي سياهچاله تابش مي شود (آخرين تابش هاي اين جرم كه پس از آن نور جرم نمي تواند از ميدان گرانشي سياهچاله فرار كند) به “افق رويداد” معروف است.
در كهكشان ما سياهچاله هاي بسيار زيادي با جرمي در حدود جرم يك ستاره (در حدود چند جرم خورشيد) موجودند.اين سياهچاله ها از فروريزش ستاره هايي با جرم بسيار زياد شكل مي گيرند.در مركز اكثر كهكشان ها ، سياهچاله هايي با جرم چند ميليون تا چند ميليارد خورشيد قرار دارد و در منطقه اي به وسعت منظومه ي شمسي واقع شده اند.دانشمندان به طور دقيق از نحوه ي شكل گيري اين سياهچاله ها (كه در مركز كهكشان ها قرار دارند) مطلع نمي باشند ، اما به نظر مي رسد كه اين اجسام پرجرم از فروريزش مقادير زيادي از گازهاي اوليه ي هستي شكل گرفته باشند.
دكتر “جين سوانك” دانشمند پروژه ي كاوشگر “روسي” در مركز فضايي گودارد ناسا مي گويد :“در دهه ي گذشته ،ماهواره هاي بسياري شواهدي از وجود سياهچاله هايي با جرم ۱۰۰ تا ۱۰.۰۰۰ برابر جرم خورشيد به دست آورده اند.تا به حال بحث در مورد چگونگي شكل گيري و جرم اين سياهچاله ها بوده اما اكنون “روسي” به ما بينش جديدي از اين اجرام داده است.”
از آنجا كه سياهچاله هاي با جرم متوسط منابع بسيار روشني از اشعه ي ايكس مي باشند به اجرام “فوق نوراني اشعه ايكس” معروفند. در واقع ، بسياري از تخمين هاي انجام شده براي محاسبه ي جرم اين گونه از سياهچاله ها بر پايه ي شدت اشعه ي ايكس دريافت شده از اين اجرام مي باشد.تيم “كارت” از دانشگاه آيووا ، اندازه گيري هايي را انجام دادند كه مي تواند براي محاسبه ي مقدار جرم به روش مستقيم مفيد باشد.با استفاده از فيزيك ساده ي نيوتوني ، دانشمندان مي توانند جرم يك جسم را با توجه به دوره تناوب و سرعت اجرام دوران كننده به دور آن ، محاسبه كنند.
يكي از محققين اين گروه مي گويد:“ ما نوساناتي را با دوره تناوب ۶۲ روز در اشعه ايكس دريافت شده از محدوده ي سياهچاله يافتيم كه علت اين نوسانات ، دوره تناوب چرخش ستاره ي دوران كننده به دور سياهچاله بود.اندازه گيري سرعت حركت اين ستاره بسيار مشكل است چون ستاره در منطقه اي واقع شده است كه توسط غبار تاريك و محو مي شود.اين واقعه ، رصد ستاره و اندازه گيري سرعت آن توسط تلسكوپ هاي اپتيكي و فرو سرخ را مشكل مي سازد. اما هنوز دانستن دوره تناوب مداري ستاره بسيار كارساز است.”
اين سياهچاله ي متوسط به نام M۸۲ X-۱ ، يكي از اجرام “فوق نوراني اشعه ي ايكس” مي باشد كه در يك خوشه ستاره اي حاوي يك ميليون ستاره كه در منطقه اي به ابعاد ۱۰۰ سال نوري واقع شده اند ،قرار دارد.بر طبق نظريه اي اساسي ، بر اثر وقوع تعداد زيادي برخورد ستاره اي در منطقه اي مملو از ستاره (مانند خوشه ي ستاره اي كه M۸۲ X-۱ در آن قرار دارد) ، ستاره ي غول پيكري با عمر كوتاه ايجاد مي شود كه از فروريزش آن سياهچاله اي با جرم ۱۰۰۰ برابر جرم خورشيد پديد مي آيد. خوشه ي ستاره اي كه M۸۲ X-۱ در آن واقع شده است چگالي لازم براي ايجاد چنين سياهچاله اي را دارا مي باشد.
يك ستاره ي همدم عادي نمي تواند چنين تابشي (تابش اشعه ي ايكس در نزديكي M۸۲ X-۱) را در حوالي يك سياهچاله ايجاد كند. اما دوره تناوب ۶۲ روزه به اين معناست كه اين همدم بايد چگالي كمي داشته باشد.در نتيجه اين ستاره ، تنها مي تواند يك غول سرخ منبسط شده باشد كه جرم خود را يا نرخي بالا از دست مي دهد و تابش M۸۲ X-۱ را توليد مي كند.“كارت” مي گويد: “با بدست آوردن دوره تناوب ، ما تصوير معيني از يك دوتايي با سياهچاله اي متوسط را بدست آورده ايم.اين سياهچاله در خوشه اي با تعداد زيادي ستاره تشكيل شده و همدمي را نيز به سمت خود جذب كرده است.اين ستاره ي همدم سپس به مرحله ي غول سرخ رسيده و هم اكنون به دليل گسترش ستاره ي همدم و تامين ماده ي لازم براي ايجاد تابش ، اين مجموعه تبديل به يك منبع فوق نوراني اشعه ايكس شده است.”



رشد سياهچاله هاي مرکزي کهکشان ها
تجزيه و تحليل ژرف ترين تصوير تلسكوپ فضايي هابل از كيهان نشان داده است كه سياهچاله هاي غول پيكر كه در مركز كهكشان ها يافت مي شوند ، از ابتدا با اين اندازه متولد نشده و به دنبال تركيب كهكشان ها با يكديگر ، رشد كرده و به اين اندازه رسيده اند.
“راجير ويندهورست” از دانشگاه ايالتي آريزونا و عضو يكي از دو تيم انجام دهنده ي اين تحقيق مي گويد:“با مطالعه ي كهكشان هاي دوردست در “زمينه ي ژرف هابل”(HUDF) ، اولين مدارك در مورد ارتباط بين رشد سياهچاله هاي بسيار پرجرم و تركيب كهكشان ها بدست آمده است.سياهچاله ها از طريق جذب و بلعيدن ستارگان ، غبار و گاز رشد مي كنند.هنگامي كه دو كهكشان با يكديگر تركيب مي شوند اين نوع اجرام بيشتر در دسترس سياهچاله هاي مركزي قرار مي گيرند.دو تيم تحقيق كننده بر روي اين موضوع نتايج كار خود را در كنفرانس خبري در دهم ژانويه كه در 207 امين جلسه ي انجمن نجوم آمريكا در شهر واشنگتن برگزار شد ، اعلام كردند.

سياهچاله جسمي بسيار پرجرم است كه به دليل جرم بالاي خود تمايل به بلعيدن تمام اجرام موجود در اطراف خود را دارد. بر اساس يك نظريه ، در مركز كهكشان ها سياهچاله هايي بسيار عظيم وجود دارند كه باعث مي شوند تا كهكشان به شكل منسجم در آمده و به دور سياهچاله بچرخد.بررسي هاي جديد نشان مي دهند كه اين سياهچاله ها بر اثر تركيب دو كهكشان و بلعيدن مقدار بيشتري ماده ، بزرگ تر شده و رشد مي كنند.به اين عمل “تغذيه ي سياهچاله” مي گويند.

مطالعات انجام شده در “زمينه ي ژرف هابل” ،پيش بيني هاي مدل سازي هاي كامپيوتري را تاييد مي كند. در اين مدل ها، كهكشان هاي تازه تركيب شده آنقدر از غبار پوشيده شده اند كه منجمين جذب و بلعيده شدن جرم هاي بسيار بزرگ توسط سياهچاله ي مركزي را نمي بينند.پس از وقوع اين تركيب هاي كهكشاني ،صدها ميليون تا يك ميليارد سال طول مي كشد تا غبار ايجاد شده در اطراف كهكشان تركيبي پاك شود و منجمين تغذيه ي سياهچاله مركزي توسط ستارگان و گازها را مشاهده كنند.يكي از علائم وقوع اين تغذيه ، تغيير روشنايي اين كهكشان ها در طول زمان است.

دو تيم “زمينه ي ژرف هابل” معتقدند كه در تحول كهكشان ها دو بخش كاملا جدا وجود دارد: بخش اول يا مرحله ي نوزادي كه نمايانگر كهكشان هايي است كه تازه به هم پيوسته اند و غبار موجود در اطراف آنها مانع از ديده شدن سياهچاله ي مركزي مي گردد و بخش دوم مرحله ي تغييرات نوري است كه در آن كهكشان تركيبي آنقدر از غبار پاك شده است كه مواد در حال بلعيده شدن در اطراف سياهچاله ي اصلي قابل رويت هستند.

“ويندهورست” توضيح مي دهد:“تفاوت واضح بين اين دو بخش بسيار تعجب آور است چون معمولا عقيده بر اين است كه تركيب كهكشان ها و فعاليت سياهچاله هاي مركزي ارتباط نزديكي با يكديگر دارند.در اطراف كهكشان ما اكثرا كهكشان هاي بالغ موجودند كه براي درك چگونگي شكل گيري آنها ، بايد جواني و نوزادي آنها را بررسي كرد.ما به وسيله ي “زمينه ي ژرف هابل” تصاويري از كهكشان هاي اوليه به دست مي آوريم كه به ما كمك مي كند تا بر روي كهكشان هاي جوان مطالعه كنيم.”

ارتباط بين رشد كهكشانها در جريان تركيب آنها و تغذيه ي سياهچاله هاي مركزي مدت ها مورد بررسي بوده است.اما نتايج ، سال ها بي فايده بوده اند.“ست كوهن” از دانشگاه آريزونا و سرپرست يكي از دو تيم مي گويد:“ زمينه ي ژرف هابل اطلاعاتي با كيفيت بالا فراهم كرده و اين اولين اطلاعاتي است كه بوسيله ي آن ، اين نظريه آزمايش شده است.ما در اين پژوهش بر روي 5000 كهكشان دوردست در مدت 4 ماه مطالعه كرده ايم.”

رصدهاي زمينه ي ژرف هابل توجه منجمين را به ارتباط بين رشد سياهچاله هاي غول آسا و رشد كهكشان ها جلب كرده است.تيمي به سرپرستي “آمبرا استرا” از دانشگاه ايالتي آريزونا ، زمينه ي ژرف هابل را براي يافتن كهكشان هاي نوزاد جستجو كردند.اين دسته از كهكشان ها به خاطر وجود گره ها و دم هايي كه بر اثر تركيب كهكشان ها ايجاد شده است به اين نام معروفند.اين قسمت ها (گره و دم) هنگامي پديدار مي شوند كه كهكشان ها اثر گرانشي خود بر ستارگان را از دست داده و تعدادي از آنها را در فضا رها مي كنند.اين تيم در حدود 165 كهكشان نوزاد يافت كه 6 درصد كل تعداد اين كهكشان ها را تشكيل مي دهد.“استران” مي گويد: “اين كهكشان هاي نوزاد هيچ گونه تغيير در روشنايي از خود نشان نمي دادند.هنگامي كه تغييرات روشنايي پديدار شود ، نور از موادي كه در اطراف سياهچاله موجودند تابش مي شود.اين مواد قبل از بلعيده شدن گرم شده و شروع به تابش مي كنند هرچه اين مواد به سياهچاله نزديك تر مي شوند ، روشنايي آنها به سرعت تغيير مي كند.اين مطالعه بر روي كهكشان هاي نوزاد بيان مي كند كه سياهچاله ها در كهكشان هاي تركيبي از غبار پوشيده شده اند و در نتيجه مشاهده ي ماده ي بلعيده شده براي ما غير ممكن است.”

تيم “كوهن” در مورد روشنايي 4600 جرم در زمينه ي ژرف هابل مطالعه كرده اند.اين تيم در مورد 45 جرم كه يك درصد كهكشان هاي كم نور مطالعه شده را تشكيل مي دهند ، تغييرات قابل ملاحظه اي در روشنايي را ثبت كردند.اين واقعيت نشان مي دهد كه كهكشان ها احتمالا شامل سياهچاله هاي بسيار پرجرمي هستند كه از ستارگان و گازها تغذيه مي كنند.

“ويندهورست” مي گويد:“مدت تغذيه ي يك سياهچاله معمولي در حدود چند ميليون سال است.اين همانند آن است كه اين سياهچاله 15 دقيقه در روز را به تغذيه و بلعيدن اجرام نزديك خود اختصاص دهد. ”

تجزيه و تحليل زمينه ي ژرف هابل نيز مطالعات قبلي تلسكوپ فضايي هابل بر روي سياهچاله هاي غول پيكر در مركز كهكشان هاي نزديك را تقويت مي كند.اين مطالعات نشان داده بودند كه ارتباط نزديكي بين جرم حباب مركزي و جرم سياهچاله ي مركزي در كهكشان ها برقرار است.كهكشان ها ار سياهچاله هاي مركزي با جرمي در حدود چند ميليون تا چند ميليارد جرم خورشيد تشكيل شده اند.