### فیزیکدانان: کشف نخستین “سه‌گانه سیاه‌چاله‌ها”!

کشف یک سیستم سه‌گانه سیاه‌چاله

بسیاری از سیاه‌چاله‌های شناسایی‌شده تاکنون به نظر می‌رسد که بخشی از یک جفت هستند. این سیستم‌های دوتایی شامل یک سیاه‌چاله و یک جسم ثانویه – مانند یک ستاره، یک ستاره نوترونی با چگالی بسیار بالا، یا یک سیاه‌چاله دیگر – هستند که به دور یکدیگر می‌چرخند و به دلیل جاذبه سیاه‌چاله به هم نزدیک می‌شوند و یک جفت مداری فشرده تشکیل می‌دهند. اکنون یک کشف شگفت‌انگیز، تصویر سیاه‌چاله‌ها، اجسامی که می‌توانند درون آن‌ها وجود داشته باشند و نحوه تشکیل آن‌ها را گسترش می‌دهد.

در مطالعه‌ای که در نشریه Nature منتشر شده، فیزیکدانان MIT و کالتک گزارش داده‌اند که برای اولین بار یک “سیاه‌چاله سه‌گانه” را مشاهده کرده‌اند. این سیستم جدید شامل یک سیاه‌چاله مرکزی است که در حال بلعیدن یک ستاره کوچک است که به شدت به سیاه‌چاله نزدیک می‌شود و هر ۶.۵ روز یک بار به دور آن می‌چرخد – پیکربندی‌ای مشابه با اکثر سیستم‌های دوتایی. اما به طرز شگفت‌انگیزی، یک ستاره دوم نیز به نظر می‌رسد که به دور سیاه‌چاله می‌چرخد، هرچند در فاصله‌ای بسیار بیشتر. فیزیکدانان تخمین می‌زنند که این هم‌نشین دور، هر ۷۰,۰۰۰ سال یک بار به دور سیاه‌چاله می‌چرخد. اینکه سیاه‌چاله ظاهراً بر روی جسمی در این فاصله دور جاذبه دارد، سوالاتی را درباره منشأ خود سیاه‌چاله به وجود می‌آورد.

به طور کلی، تصور می‌شود که سیاه‌چاله‌ها از انفجارهای شدید یک ستاره در حال مرگ شکل می‌گیرند – فرایندی که به آن سوپرنوا می‌گویند، که در آن یک ستاره مقدار زیادی انرژی و نور را در یک انفجار نهایی آزاد کرده و سپس به یک سیاه‌چاله نامرئی فرو می‌ریزد. با این حال، کشف تیم تحقیقاتی نشان می‌دهد که اگر سیاه‌چاله جدید مشاهده‌شده ناشی از یک سوپرنوا معمولی باشد، انرژی‌ای که قبل از فروپاشی آزاد می‌کرد باید هر جسم ضعیف‌تری را که در حاشیه‌اش قرار داشت، به دور می‌کرد. بنابراین، ستاره دوم نباید هنوز در اطراف باشد. در عوض، تیم تحقیقاتی مشکوک است که سیاه‌چاله از طریق یک فرایند ملایم‌تر به نام “فروپاشی مستقیم” شکل گرفته باشد، که در آن یک ستاره به سادگی به درون خود فرو می‌ریزد و بدون یک درخشش دراماتیک آخر، یک سیاه‌چاله تشکیل می‌دهد. چنین منشأ ملایمی به سختی می‌تواند اجسام ضعیف‌تری را که در فاصله دور قرار دارند، مختل کند.

از آنجا که سیستم سه‌گانه جدید شامل یک ستاره بسیار دور است، این نشان می‌دهد که سیاه‌چاله این سیستم از طریق یک فروپاشی مستقیم و ملایم به وجود آمده است. و در حالی که ستاره‌شناسان برای قرن‌ها سوپرنواهای خشن را مشاهده کرده‌اند، تیم تحقیقاتی می‌گوید که این سیستم سه‌گانه می‌تواند اولین شواهد از سیاه‌چاله‌ای باشد که از این فرایند ملایم‌تر شکل گرفته است. “ما فکر می‌کنیم بیشتر سیاه‌چاله‌ها از انفجارهای خشن ستاره‌ها شکل می‌گیرند، اما این کشف به ما کمک می‌کند تا این نظریه را زیر سوال ببریم”، می‌گوید نویسنده مطالعه، کوین برج، یک پژوهشگر پاپالاردو در دپارتمان فیزیک MIT. “این سیستم برای تکامل سیاه‌چاله‌ها بسیار هیجان‌انگیز است و همچنین سوالاتی را درباره وجود سیستم‌های سه‌گانه بیشتر مطرح می‌کند.”

حرکت همزمان

کشف سیاه‌چاله سه‌گانه تقریباً به طور تصادفی انجام شد. فیزیکدانان آن را در حین جستجو در Aladin Lite، یک مخزن مشاهدات نجومی که از تلسکوپ‌های فضایی و سراسر جهان جمع‌آوری شده، پیدا کردند. ستاره‌شناسان می‌توانند از این ابزار آنلاین برای جستجوی تصاویر یک بخش خاص از آسمان استفاده کنند که توسط تلسکوپ‌های مختلفی که به طول‌موج‌های مختلف انرژی و نور تنظیم شده‌اند، گرفته شده است. تیم در حال جستجو در کهکشان راه شیری برای نشانه‌هایی از سیاه‌چاله‌های جدید بود. از روی کنجکاوی، برج تصویری از V404 Cygni را بررسی کرد – یک سیاه‌چاله که حدود ۸,۰۰۰ سال نوری از زمین فاصله دارد و یکی از اولین اجسامی است که به عنوان یک سیاه‌چاله در سال ۱۹۹۲ تأیید شده است. از آن زمان، V404 Cygni به یکی از سیاه‌چاله‌های به‌خوبی مطالعه‌شده تبدیل شده و در بیش از ۱,۳۰۰ مقاله علمی مستند شده است. با این حال، هیچ‌یک از آن مطالعات گزارشی از آنچه برج و همکارانش مشاهده کردند، ارائه نکرده بود. در حین بررسی تصاویر نوری V404 Cygni، برج دو لکه نور را مشاهده کرد که به طرز شگفت‌انگیزی به یکدیگر نزدیک بودند.

کشف یک سیستم سه‌گانه با سیاه‌چاله و ستاره‌های در حال چرخش

اولین نور مشاهده‌شده به‌عنوان سیاه‌چاله و یک ستاره در حال چرخش نزدیک به آن شناسایی شد. این ستاره به قدری نزدیک است که مقداری از مواد خود را به سمت سیاه‌چاله رها می‌کند و نوری را تولید می‌کند که برادج توانست آن را ببیند. اما نور دوم چیزی بود که دانشمندان تا به حال به‌طور دقیق بررسی نکرده بودند. برادج مشخص کرد که این نور دوم احتمالاً از یک ستاره بسیار دور می‌آید. او می‌گوید: “اینکه ما می‌توانیم دو ستاره جداگانه را در این فاصله زیاد ببینیم، به این معنی است که این ستاره‌ها باید واقعاً از هم فاصله داشته باشند.” برادج محاسبه کرد که ستاره خارجی ۳۵۰۰ واحد نجومی (AU) از سیاه‌چاله فاصله دارد (۱ AU فاصله بین زمین و خورشید است). به عبارت دیگر، ستاره خارجی ۳۵۰۰ برابر دورتر از سیاه‌چاله است نسبت به فاصله زمین از خورشید. این فاصله همچنین برابر با ۱۰۰ برابر فاصله پلوتو از خورشید است.

سوالی که به ذهن می‌رسد این است که آیا ستاره خارجی به سیاه‌چاله و ستاره داخلی آن مرتبط است یا خیر. برای پاسخ به این سوال، محققان به داده‌های گایا، ماهواره‌ای که از سال ۲۰۱۴ حرکات تمام ستاره‌های کهکشان را به‌دقت ردیابی کرده است، مراجعه کردند. تیم محققان حرکات ستاره‌های داخلی و خارجی را در طول ۱۰ سال گذشته از داده‌های گایا تحلیل کردند و متوجه شدند که این ستاره‌ها به‌طور دقیق همزمان حرکت می‌کنند، در مقایسه با سایر ستاره‌های همسایه. آن‌ها محاسبه کردند که احتمال این نوع حرکت همزمان حدود یک در ۱۰ میلیون است. برادج می‌گوید: “این تقریباً قطعاً یک تصادف یا اتفاق نیست. ما دو ستاره را می‌بینیم که به‌دلیل این رشته ضعیف گرانشی به یکدیگر متصل هستند. بنابراین این باید یک سیستم سه‌گانه باشد.”

چگونه این سیستم شکل گرفته است؟

پس چگونه این سیستم می‌توانسته شکل بگیرد؟ اگر سیاه‌چاله از یک سوپرنوا معمولی به وجود آمده باشد، انفجار شدید آن باید ستاره خارجی را مدت‌ها پیش از بین می‌برد. برادج می‌گوید: “تصور کنید که شما یک بادبادک را می‌کشید و به‌جای یک رشته محکم، با یک تار عنکبوت می‌کشید. اگر خیلی محکم بکشید، تار پاره می‌شود و بادبادک را از دست می‌دهید. گرانش مانند این رشته ضعیف است که واقعاً ضعیف است و اگر کاری دراماتیک با سیستم داخلی انجام دهید، ستاره خارجی را از دست خواهید داد.”

برای آزمون واقعی این ایده، برادج شبیه‌سازی‌هایی انجام داد تا ببیند چگونه چنین سیستمی می‌تواند تکامل یابد و ستاره خارجی را حفظ کند. در آغاز هر شبیه‌سازی، او سه ستاره را معرفی کرد (سومین ستاره همان سیاه‌چاله بود، قبل از اینکه به سیاه‌چاله تبدیل شود). او سپس ده‌ها هزار شبیه‌سازی را اجرا کرد، هرکدام با سناریویی کمی متفاوت برای اینکه چگونه ستاره سوم می‌تواند به یک سیاه‌چاله تبدیل شود و به‌طور متعاقب بر حرکات دو ستاره دیگر تأثیر بگذارد. به‌عنوان مثال، او یک سوپرنوا را شبیه‌سازی کرد و مقدار و جهت انرژی که از آن آزاد می‌شود را تغییر داد. او همچنین سناریوهای فروپاشی مستقیم را شبیه‌سازی کرد، جایی که ستاره سوم به سادگی به درون خود فرورفت و بدون آزاد کردن هیچ انرژی، به یک سیاه‌چاله تبدیل شد. برادج می‌گوید: “بیشتر شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که آسان‌ترین راه برای کارکردن این سیستم سه‌گانه، از طریق فروپاشی مستقیم است.”

علاوه بر ارائه سرنخ‌هایی دربارهٔ منشاء سیاه‌چاله، ستاره خارجی همچنین سن سیستم را نیز فاش کرده است. فیزیکدانان مشاهده کردند که ستاره خارجی در حال تبدیل شدن به یک غول سرخ است — مرحله‌ای که در پایان عمر یک ستاره رخ می‌دهد. بر اساس این انتقال ستاره‌ای، تیم محققان تعیین کرد که ستاره خارجی حدود ۴ میلیارد سال سن دارد. با توجه به اینکه ستاره‌های همسایه معمولاً در یک زمان مشابه متولد می‌شوند، تیم نتیجه‌گیری کرد که سیستم سه‌گانه سیاه‌چاله نیز ۴ میلیارد سال سن دارد. برادج می‌گوید: “ما هرگز نتوانسته‌ایم این کار را برای یک سیاه‌چاله قدیمی انجام دهیم. اکنون می‌دانیم که V404 Cygni بخشی از یک سیستم سه‌گانه است، می‌تواند از طریق فروپاشی مستقیم شکل گرفته باشد و حدود ۴ میلیارد سال پیش شکل گرفته است، به‌لطف این کشف.”

این تحقیق به‌طور جزئی با حمایت بنیاد ملی علوم انجام شده است.