نخستین امواج گرانشی شناسایی شده حاصل از پیوند سیاه چاله هایی عظیم و با قدمت زیاد هستند

نخستین امواج گرانشی شناسایی شده حاصل از پیوند سیاه چاله هایی عظیم و با قدمت زیاد هستند

در ماه فوریه، دانشمندان در رصدخانه‌ی لیگو (LIGO)، با شناسایی امواج گرانشی برای نخستین بار، تاریخ ساز شدند. این امواج در بافت فضا – زمان از جانب دو سیاه‌ چاله‌ای آمده‌اند که پیش از در هم آمیخته شدن طی یک انفجار شدید و پرانرژی، چند بار در ثانیه حول یکدیگر چرخیده‌اند. اکنون، پژوهشگران مبداء احتمالی این سیاه چاله‌ها را برآورد کرده‌اند. پژوهش جدید نشان می‌دهد که آنها احتمالا از جانب دو خورشید عظیمی آمده‌اند که در حدود ۱۲ میلیارد سال پیش یا دو میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، شکل گرفته‌اند.

پژوهشگران با اجرای یک شبیه‌سازی پیچیده موسوم به Synthetic Universe یا جهان ترکیبی، به این نتایج دست یافته و آن‌ها را در ژورنال نیچر منتشر کرده‌اند؛ “جهان ترکیبی” یک مدل کامپیوتری است که چگونگی تکامل جهان را از زمان آغاز انفجار بزرگ شبیه‌سازی می‌کند.

کریس بلژینسکی، از محققین اصلی این پژوهش و متخصص فیزیک نجومی در دانشگاه ورشو می‌گوید:

ما در این پژوهش نقش بزرگی را ایفا می‌کنیم، ما مدلی از کل جهان هستی را در کامپیوتر خود داریم. ما ستاره‌ها را از آغاز جهان هستی، از زمان انفجار بزرگ به مدل کامپیوتری اضافه کرده‌ایم، با اجرای این مدل، ستاره‌ها تکامل پیدا می‌کنند، سیاه‌چاله‌ها را تولید می‌کنند و غیره.

این شبیه‌سازی حتی شامل یک آشکارساز مصنوعی لیگو برای تعیین نوع اجرامی که ممکن است رصدخانه در طول زمان تشخیص دهد نیز هست. با استفاده از این مدل، بلژینسکی و تیم تحت سرپرستی او قادر به مشاهده‌ی آغاز جهان هستی و برآورد نوع ستاره‌های شکل دهنده‌ی سیاه چاله‌های شناسایی شده توسط لیگو، شده‌اند.

این ابزار نه تنها برای ردگیری مبداء ستاره‌ها سودمند بوده، انجام پیش‌بینی‌ها را نیز ممکن ساخته است. بلژینسکی ابتدا در سال ۲۰۱۰ بر اساس این مدل کامپیوتری پیش‌بینی کرده بود که رصدخانه‌ی لیگو امواج گرانشی ناشی از پیوند سیاه چاله‌های بزرگ را شناسایی خواهد کرد. این پیش‌بینی در تقابل با نظریه‌ی غالب آن زمان قرار گرفت.

بلژینسکی می‌گوید:

بخش اعظم جامعه‌ی نجوم بر این باور بودند که پیوند ستاره‌های نوترونی و نه سیاه چاله‌ها، جز اولین اکتشافات لیگو و در حقیقت غالب آن‌ها خواهد بود.

اما تا کنون، هر سه اکتشاف احتمالی لیگو، دو مورد تایید شده و یک مورد بالقوه، با پیش‌بینی شش سال پیش بلژینسکی مطابقت دارند.

و به لطف مدل کامپیوتری جهان ترکیبی، بلژینسکی پیش‌بینی می‌کند که اکتشافات بیشتری نیز در راه است. مدل‌های او نشان می‌دهند که با از سرگیری مشاهدات لیگو در پاییز امسال، در حدود ۶۰ اکتشاف دیگر نیز به وقوع خواهد پیوست. همچنین بر اساس این مدل‌ها، رصدخانه‌ی لیگو در اوج حساسیت خود، قادر به شناسایی حدود ۱٫۰۰۰ مورد، پیوند سیاه چاله بصورت سالانه است.

با توجه به محاسبات بلژینسکی، بسیاری از پیوندهای سیاه چاله‌ای شناسایی شده توسط لیگو، ابعاد معینی خواهند داشت. جرم ترکیبی آن‌ها به احتمال زیاد بین ۲۰ تا ۸۰ برابر جرم خورشید خواهد بود. این موضوع در خصوص آنچه که لیگو تا کنون شناسایی کرده، صادق بوده است.

اولین امواج گرانشی که تا به حال شناسایی شده (GW150914) از جانب دو سیاه چاله بترتیب با جرم‌های ۳۶ و ۲۹ برابر جرم خورشید بودند. بنابراین جرم ترکیبی آنها ۶۵ برابر جرم خورشید است.

به گفته‌ی بلژینسکی این سیاه چاله‌ها نسبتا بزرگ هستند. بطور معمول، جرم سیاه چاله‌های شناسایی شده در کهکشان ما در حدود ۵ تا ۱۰ برابر جرم خورشید است. از آنجا که سیاه چاله‌‌های خالق اولین امواج گرانشی شناسایی شده بسیار بزرگ بودند، بنابراین آنها باید از جانب ستاره‌های بسیار بزرگی آمده باشند. سیاه چاله‌ها اغلب در زمان فروپاشی و نابودی یک ستاره، شکل می‌گیرند. هر چه ستاره در حین نابودی بزرگتر باشد، سیاه چاله‌ی حاصله نیز بزرگتر خواهد بود.

بلژینسکی در خصوص ستاره‌های خالق GW150914 می‌گوید:

جرم هر دو ستاره باید بسیار زیاد و در حدود ۴۰ تا ۱۰۰ برابر جرم خورشید می‌بود.

احتمالا میزان فلزات موجود در این ستاره‌ها نیز بسیار پایین بوده است، به این مفهوم که آنها عناصر زیادی نداشته‌اند که سنگین‌تر از هلیوم باشند. ستاره‌هایی که فراوانی فلزات در آنها بالاست، بادهای خورشیدی زیادی (جریان ثابتی از ذرات باردار از جانب جو بالای یک ستاره)، تولید می‌کنند. این باد در طول زمان جرم را از ستاره جدا می‌کند.

بلژینسکی می‌گوید:

اگر بادهای خورشیدی به دفعات رخ دهند، بنابراین مقدار زیادی از جرم ستاره کاسته خواهد شد و سیاه‌ چاله‌ی حاصل نیز کوچک خواهد بود.

از آنجا که این سیاه چاله‌ها در زمان پیوند بسیار بزرگ بودند، بنابراین بادهای خورشیدی بوجود آمده در ستاره‌های نیز کم بوده است.

به همین دلیل مدل‌های بلژینسکی نشان دهنده‌ی آن هستند که احتمالا این ستاره‌‌ها شکل دهنده‌ی جهان اولیه بوده‌اند. درست پس از انفجار بزرگ، فلزات نسبتا کمیاب بودند و بنابراین فقط هیدروژن و هلیوم نسل اول ستاره‌ها را شکل داده‌اند. اما این ستاره‌ها فلزات سنگین‌تری را در داخل خود ایجاد کرده‌اند، و هر زمان که نابود و منفجر شدند، این فلزات را در سراسر جهان به فرم گاز پخش کرده‌اند. این فلزات گازی شکل در ایجاد نسل دوم از ستاره‌ها موثر بوده‌اند، که به نوبه‌ی خود پس از نابودی ستاره‌ها، فلزات بیشتری را در سراسر جهان هستی پخش کرده‌اند. این چرخه تا کنون و برای میلیاردها سال ادامه داشته است، بسیاری از ستاره‌‌های اخیر، مقدار بسیار بالایی از فلزات را درون خود دارند و در حین تکامل خود، جرم زیادی را از دست می‌دهند.

البته، یک نکته‌ی کوچک وجود دارد. جهان کنونی دارای کهکشان‌هایی با ستاره‌های کم فلز است.

بلژینسکی می‌گوید:

جهان یکنواخت نیست؛ تکامل یکنواخت نیست، بنابراین ممکن است ستاره‌های به وجود آورنده‌یGW150914 به تازگی شکل گرفته باشند، هر چند که احتمال صحت این مورد کم است. پیش بینی ما این است که آنها در گذشته‌ی بسیار دوری شکل گرفته‌اند، آنها در حال پیچ خوردن به دور یکدیگر بوده‌اند و اخیرا نیز به یکدیگر برخورد کرده‌اند.

مدل بلژینسکی نشان دهنده‌ی آن است که رصدخانه‌ی لیگو با گذر زمان، پیوندهای سیاه چاله‌ای بیشتری را شناسایی خواهد کرد. هر چه تعداد این اکتشافات بیشتر باشد، مهر تاییدی خواهد بود بر آنچه که مدل جهان ترکیبی در خصوص تکامل خورشیدی پیش‌بینی کرده و آن را به مرور بهبود خواهد بخشید.

کریستوفر فرایر، پژوهشگر لابراتوار ملی لوس آلاموس (او در این پژوهش شرکت نداشته است)، می‌گوید:

ما در حال حاضر به کمک امواج گرانشی در حال حرکت به سمت علم نجوم با دقت بالا هستیم، یافته‌های اخیر اطلاعات زیادی را در خصوص ماهیت تکامل ستاره‌های عظیم، در اختیار ما می‌گذارند.