میدان‌های مغناطیسی راز سیاهچاله‌های با جرم «غیرممکن» را فاش کردند

راز سیاهچاله‌های عظیم و سریع‌چرخش فاش شد

اخترفیزیکدانان موسسه فلتیرون و همکاران بین‌المللی‌شان با انجام مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌های دقیق، راز شکل‌گیری سیاهچاله‌هایی با جرم‌های غیرمنتظره و غیرممکن را فاش کردند. این کشف که با بررسی رویداد کیهانی GW231123 در سال ۲۰۲۳ صورت گرفت، نقش حیاتی میدان‌های مغناطیسی را در تکامل ستارگان غول‌پیکر و تعیین جرم نهایی سیاهچاله‌ها برجسته می‌کند.

رویداد GW231123 که در سال ۲۰۲۳ توسط همکاری LIGO Virgo KAGRA با استفاده از رصدخانه‌های امواج گرانشی ثبت شد، برخورد دو سیاهچاله غیرمعمولا بزرگ در فاصله حدود ۷ میلیارد سال نوری از زمین بود. اندازه و چرخش سریع این سیاهچاله‌ها باعث سردرگمی دانشمندان شد، زیرا انتظار نمی‌رفت اجرامی با این ویژگی‌ها در جهان شکل بگیرند.

اوره گوتلیب، اخترفیزیکدان مرکز اخترفیزیک محاسباتی موسسه فلتیرون و نویسنده اصلی این مطالعه می‌گوید: «هیچ‌کس این سیستم‌ها را به روشی که ما انجام دادیم بررسی نکرده بود؛ پیش از این اخترشناسان میانبر زده و میدان‌های مغناطیسی را نادیده می‌گرفتند. اما وقتی میدان‌های مغناطیسی را در نظر بگیرید، می‌توان منشأ این رویداد منحصر‌به‌فرد را توضیح داد.»

مشکل جرم غیرمنتظره و «بازه ممنوعه»

ستارگان عظیم معمولاً در پایان عمر خود به سیاهچاله تبدیل می‌شوند. با این حال، ستارگان در یک بازه جرمی خاص دچار پدیده‌ای به نام «ابرنواختر جفت-نوسانی» می‌شوند؛ انفجاری قدرتمند که ستاره را به‌طور کامل نابود می‌کند و هیچ بازمانده‌ای باقی نمی‌گذارد.

به همین دلیل، انتظار نمی‌رود سیاهچاله‌هایی با جرمی بین حدود ۷۰ تا ۱۴۰ برابر جرم خورشید شکل بگیرند. مشاهده سیاهچاله‌هایی در این بازه جرم، که به «بازه ممنوعه» مشهور است، برای دانشمندان بسیار شگفت‌آور بود.

در مورد برخورد GW231123، فرضیه ادغام سیاهچاله‌های کوچک‌تر نیز قابل قبول نبود. زیرا ادغام‌های معمولی معمولاً چرخش نهایی سیاهچاله را مختل می‌کنند، در حالی که سیاهچاله‌های این برخورد سریع‌تر از هر سیاهچاله‌ای بودند که تاکنون توسط LIGO اندازه‌گیری شده است. این تناقض نشان می‌داد که فرآیند دیگری مسئول شکل‌گیری این اجرام بوده است.

شبیه‌سازی دو مرحله‌ای با در نظر گرفتن میدان‌های مغناطیسی

محققان برای ارائه توضیحی ممکن، یک شبیه‌سازی دقیق و دو مرحله‌ای از تکامل ستارگان غول‌پیکر را انجام دادند:

• شبیه‌سازی ستاره اولیه: شبیه‌سازی یک ستاره غول‌پیکر با ۲۵۰ برابر جرم خورشید در طول عمر اصلی‌اش. این ستاره در زمان رسیدن به مرحله ابرنواختر، جرمش به حدود ۱۵۰ برابر خورشید کاهش یافته بود که درست بالای بازه جرم ممنوع است.
• شبیه‌سازی پس از فروپاشی: شبیه‌سازی پیچیده‌تر با در نظر گرفتن میدان‌های مغناطیسی. مدل با باقی‌مانده‌های ستاره، ابر گاز و غبار همراه با میدان مغناطیسی و یک سیاهچاله مرکزی آغاز شد. برخلاف مطالعات پیشین، شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که تمام جرم باقی‌مانده به سیاهچاله سقوط نمی‌کند.

نقش میدان‌های مغناطیسی در کاهش جرم

پس از فروپاشی یک ستاره سریع‌چرخش، باقی‌مانده‌ها یک دیسک چرخان تشکیل می‌دهند که باعث افزایش چرخش سیاهچاله می‌شود. در این مرحله، حضور میدان‌های مغناطیسی فشار قابل توجهی بر این دیسک وارد می‌کند و می‌تواند بخشی از ماده را از طریق جریان‌هایی با سرعت نزدیک به نور از سیستم پرتاب کند.

این جریان‌ها باعث کاهش قابل توجه جرم ورودی به سیاهچاله می‌شوند. هرچه میدان مغناطیسی قوی‌تر باشد، این اثر بیشتر است؛ در موارد شدید، تا نیمی از جرم اولیه ستاره از طریق جریان‌های دیسک پرتاب می‌شود. این روند موجب شد که سیاهچاله‌ای با جرمی در بازه ممنوعه شکل بگیرد.

وجود چرخش و میدان‌های مغناطیسی می‌تواند تکامل پس از فروپاشی ستاره را به‌طور بنیادی تغییر دهد و جرم سیاهچاله نهایی را به طور قابل توجهی کمتر از جرم کل ستاره کند.

ارتباط جرم و چرخش سیاهچاله‌ها

نتایج این تحقیق به یک الگوی کلی بین جرم و چرخش سیاهچاله‌ها اشاره دارد:

• میدان‌های مغناطیسی قوی: باعث کاهش چرخش سیاهچاله و پرتاب بیشتر جرم می‌شوند و در نتیجه سیاهچاله‌های سبک‌تر و کندتر ایجاد می‌کنند.
• میدان‌های مغناطیسی ضعیف: اجازه می‌دهند سیاهچاله‌های سنگین‌تر و سریع‌تر شکل بگیرند.

این کشف نه تنها چگونگی شکل‌گیری سیاهچاله‌های عظیم را توضیح می‌دهد، بلکه پیش‌بینی می‌کند که شکل‌گیری این نوع سیاهچاله‌ها ممکن است انفجار‌های پرتو گاما تولید کند که قابل مشاهده باشند. جستجوی این نشانه‌ها می‌تواند فرآیند شکل‌گیری پیشنهادی را تأیید کرده و درک ما از فیزیک بنیادی سیاهچاله‌ها را عمیق‌تر سازد.