سیاهچاله‌ها چقدر می‌توانند بزرگ باشند؟
دانشمندان در پژوهشی تازه عنوان می‌کنند که برخی از سیاهچالههای کیهان می‌توانند به شکلی خارق‌العاده بزرگ باشند و به اندازه‌ی ۱۰۰ میلیارد برابر خورشید یا بیشتر برسند.
در مرکز بیشتر کهکشان‌ها، اگر نگوییم همه‌ی آن‌ها، سیاهچالههای پرجرمی وجود دارد که جرمی میلیون‌ها تا میلیاردها برابر خورشید دارند. برای نمونه در قلب کهکشان راه شیری ما، در صورت فلکی قوس، یک سیاهچاله با جرمی ۴٫۵ میلیون برابر خورشید جای گرفته است.
در حال حاضر بزرگترین سیاهچاله‌ی شناخته شده، که انرژی اختروش (کوازار) دوردست TON 618 را تأمین می‌کند، جرمی ۶۶ میلیارد برابر خورشید دارد و توده‌ی عظیم آن باعث شده تا دانشمندان بیندیشند که آیا سیاهچالههای بزرگتری وجود دارند یا خیر؟ و اگر وجود دارند آیا می‌توان حدی نهایی برای جرم آن‌ها قائل بود؟
به گفته‌ی پژوهشگران کشف چنین سیاهچالههای بزرگی ممکن است بخشی از ماهیت ماده‌ی تاریک را نیز که چهار پنجم کیهان را تشکیل می‌دهد، روشن کند.
سیاهچاله‌ی بسیار غول‌پیکر
در پژوهشی تازه که ۱۸ آگوست (۲۸ مرداد) برای بازبینی ارائه شده، دانشمندان سیاهچاله‌هایی با جرم ۱۰۰ میلیارد برابر جرم خورشید و بیشتر را «سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ» (Stupendously Large Black Holes) یا SLAB نامیده‌اند. اگرچه هنوز هیچ مدرکی مبنی بر واقعی بودن این سیاهچالههای بسیار بزرگ وجود ندارد اما آن‌ها خاطرنشان کردند که سیاهچالههای کلان‌جرم تقریبا به همان اندازه وجود دارد.
«فلورین کوهنل» (Florian Kühnel) کیهان‌شناس نظری از دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ در این‌باره یادآور شد: «جای تعجب است که تا کنون به احتمال وجود سیاهچالههای عظیم توجه کمی شده است. زیرا این اجرام به طور اساسی می‌توانند وجود داشته باشند.»
مقایسه‌ی اندازه‌ی سیاهچاله‌ی کلان‌جرم کهکشان NGC 1277 با ابعاد ۱۷ میلیارد برابر منظومه‌ی شمسی
دایره‌ی بزرگ، ابعاد سیاهچاله، دایره‌ی آبی مدار سیاره‌ی نپتون و نقطه‌ی مرکزی مدار زمین به دور خورشید است.
Credit: D. Benningfield/K. Gebhardt/StarDate
با وجود اینکه هنوز چیزهای زیادی درباره‌ی چگونگی متولد شدن سیاهچالههای بزرگ معمول نامشخص است، یک پرسش کلیدی درباره‌ی سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ این است که آیا اصلا می‌توانند ایجاد شوند؟
ادغام سیاهچالههای کوچک
فرض متعارف این است که سیاهچالههای بزرگ در قلب کهکشان‌ها بر اثر ادغام سیاهچالههای کوچکتر تشکیل شده و ماده‌ی اطراف خود را مصرف می‌کنند. فرآیندی که امواج گرانشی هم ایجاد می‌کند. هرچند به گفته‌ی «برنارد کار» (Bernard Carr) کیهان‌شناس نظری از دانشگاه کوئین مری لندن، پژوهش‌های گذشته نشان داده است که این مدل، برای توضیح چگونگی شکل‌گیری سیاهچالههای کلان‌جرم، در هنگامی که کیهان تنها چند میلیارد سال عمر داشته، با چالش‌هایی روبه‌رو است.
سیاهچالههای اولیه
به گفته‌ی برنارد کار، یک روش دیگر برای توضیح چگونگی شکل‌گیری سیاهچالههای کلان‌جرم و احتمالا سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ، شکل‌گیری بر روی سیاهچالههای اصطلاحا اولیه است. فعالیت‌های گذشته نشان می‌داد که طی یک ثانیه پس از مِهبانگ (Big Bang) نوسان‌های چگالی در جهان تازه متولد شده‌‌ی داغ و به‌سرعت در حال گسترش، می‌تواند بسته‌های کافی از ماده را برای تبدیل شدن به سیاهچاله متمرکز کرده باشد. این سیاهچالههای اولیه، می‌توانستند به‌عنوان عاملی برای شکل‌گیری ساهچاله‌های بزرگتر در آینده باشند.
شکل‌گیری ماده‌ی تاریک
اگر این سیاهچالههای اولیه وجود داشته باشند، می‌توانند به توضیح ماده‌ی تاریک هم کمک کنند. اگرچه بیشتر جهان از ماده‌ی تاریک تشکیل شده اما یکی از بزرگترین رازهای کیهانی است و دانشمندان نمی‌دانند که این ماده‌ی عجیب از چه چیزی ساخته شده است، زیرا هنوز آن را ندیده‌اند و در حال حاضر، فقط از طریق اثرات گرانشی روی مواد شناخته‌شده شناسایی می‌شود.
«لوکا ویسینلی» (Luca Visinelli) یکی از نویسندگان این مطالعه در این‌باره گفت: «تمایل زیادی به کشف این موضوع وجود دارد که آیا سیاهچالههای اولیه با جرم متوسط می‌توانند ماده‌ی تاریک ایجاد کنند؟»
شناسایی سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ
اگرچه هنوز سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ شناسایی نشده‌اند، اما دانشمندان روش‌های گوناگونی برای شناسایی این سیاهچالههای ابرپرجرم که به صورت تئوری باید وجود داشته باشند، پیشنهاد می‌دهند.
عدسی گرانشی
یکی از راه‌های تشخیص سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ، استفاده از لنزهای گرانشی است. طبق نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، هرچه جرم یک جسم بیشتر باشد، فضا-زمان پیرامون آن بیشتر دچار اعوجاج شده و کشش گرانشی آن بیشتر می‌شود.
گرانش می‌تواند نور را هم خم کند. بنابراین اجرامی که از میان میدان‌های گرانشی قدرتمند، مانند میدان گرانشی سیاهچاله‌ها، دیده می‌شوند، از عدسی گرانشی گذشته‌اند. این مطالعه‌ی تازه بر یافتن اثر لنز گرانشی اجرام کوچکتر متمرکز شده است اما به گقته‌ی پژوهشگران چنین مطالعه‌ای می‌تواند به همین روش دنبال سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ هم باشد.
ایجاد پرتوهای قابل شناسایی
روش دیگر برای شناسایی سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ از طریق اثری است که بر روی محیط دارند؛ مانند خمش گرانشی کهکشان‌ها. این سیاهچاله‌ها همچنین می‌توانند با مصرف ماده‌ی پیرامون خود، گرما، نور و پرتوهای دیگری تولید کنند که می‌تواند توسط ستاره‌شناسان قابل تشخیص باشد.
هاله‌ی ذرات سنگین پیرامونی
به جز سیاهچالههای اولیه، یک گزینه‌ی دیگر هم برای شکل‌گیری ماده‌ی تاریک وجود دارد که با نام ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMP) شناخته می‌شوند. اگر این ذرات وجود داشته باشند، نامرئی و تا حد زیادی غیرقابل تشخیص هستند. اما تحقیقات قبلی نشان داده است که اگر دو ذره‌ی WIMP با هم برخورد کنند، یکدیگر را نابود کرده و پرتوهای گاما تولید می‌کنند که راهی برای ردیابی غیرمستقیم آن‌هاست.
جست‌وجوی WIMP توسط رصدخانه‌ی ردیاب نوترینو آیس‌کیوب در قطب جنوب
Credit: IceCube Collaboration/NSF
به گفته‌ی ویسینلی، کشش گرانشی قدرتمند سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ، هاله‌ای از ذرات WIMP را در اطراف خود شکل می‌دهد و پرتوهای گامایی که از برهم‌کنش این ذرات ایجاد می‌شوند، می‌توانند به دانشمندان برای یافتن سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ کمک کنند.
همان‌طور که «برنارد کار» اشاره می‌کند، هرچند ممکن است به دلیل تشکیل دشوار سیاهچالههای خارق‌العاده بزرگ، برخی در وجود آن‌ها تردید داشته باشند اما در مجموع، ما می‌دانیم که سیاهچاله‌ها در گستره‌ی وسیعی از توده‌ها وجود دارند، بنابراین طبیعی است که کنجکاو باشیم بدانیم آیا از نظر طبیعی حدی برای اندازه‌ی آن‌ها وجود دارد؟
عکس کاور: طرحی گرافیکی از یک سیاهچاله‌ی کلان‌جرم
Credit: Scott Woods, Western University
منبع: Space
