ستاره‌شناسان برای اولین بار نور برخورد دو سیاهچاله را کشف کردند

برای اولین بار ستاره‌شناسان موفق به رصد نور ناشی از برخورد دو سیاهچاله شدند. این دو سیاهچاله در فاصله‌ی ۷/۵ میلیارد سال نوری و در ماده‌‌ی چرخان و داغ اطراف سیاهچاله‌ای غول‌آسا، با یکدیگر برخورد کرده و ادغام شدند.

به بخش گرداب‌ مانند سیاهچاله، قرص برافزایشی هم گفته می‌شود. قرص برافزایشی دور افق رویداد سیاهچاله می‌چرخد. جاذبه‌ی این نقطه به قدری قدرتمند است که حتی نور هم نمی‌توان از آن فرار کند. به همین دلیل رصد برخورد دو سیاهچاله در نوع خود بی‌سابقه بوده است زیرا در غیاب نور تنها می‌توان با کشف امواج گرانشی، چنین رویدادهایی را تشخیص داد. امواج گرانشی نوسان‌هایی هستند که بر اثر برخورد اجرام سنگین به وجود می‌آیند.

برای اولین بار، آلبرت اینشتین ادغام دو سیاهچاله را پیش‌بینی کرده بود اما فکرش را هم نمی‌کرد امواج گرانشی قابل رصد باشند؛ زیرا این امواج به قدری ضعیف به نظر می‌رسیدند که امکان رصد آن‌ها از زمین به دلیل ارتعاش‌ها و نویزهای زیاد وجود نداشت.

پس از صد سال، معلوم شد حق با اینشتین بوده است؛ اما در سال ۲۰۱۵، یک زوج دستگاه در واشنگتن و لویزیانا اولین امواج گرانشی را کشف کردند: سیگنال‌هایی از ادغام دو سیاهچاله در فاصله‌ی ۱/۳ میلیارد سال نوری. این کشف منجر به گسترش زمینه‌ی جدیدی در علم نجوم شد و جایزه‌ی نوبل فیزیک را برای پژوهشگران آن به ارمغان آورد. نام رصدخانه LIGO (رصدخانه‌ی موج گرانشی تداخل‌سنجی لیزری) است. حالا برای اولین بار، دانشمندان برخورد سیاهچاله‌ای را که LIGO کشف کرده بود با نورهای جدید تطبیق دادند. این کار در گذشته غیرممکن به نظر می‌رسید زیرا سیاهچاله‌ها هیچ نوری را منتشر نمی‌کنند.

به عقیده‌ی پژوهشگرها، وقتی دو سیاهچاله با یکدیگر برخورد کنند، نیروی حاصل از برخورد، سیاهچاله‌ی جدید را به سمت گازهای قرص برافزایشی اطراف سیاهچاله منحرف می‌کند. به گفته‌ی بری مکرنان، ستاره‌شناس مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا و یکی از اعضای تیم پروژه: «واکنش گاز به این گلوله‌ی پرسرعت منجر به تولید زبانه‌ای درخشان می‌شود که امکان رصد آن با تلسکوپ وجود دارد.»

پژوهشگرها یافته‌های خود را در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر کردند. آن‌ها انتظار دارند، زبانه‌ای دیگر از همان سیاهچاله را در طول چند سال آینده ببینند. این زبانه وقتی به وجود می‌آید که سیاهچاله مجددا وارد قرص برافزایشی شود. به گفته‌ی مانسی کاسلیوال، استادیار نجوم کلتک:

با رصد چنین زبانه‌هایی می‌توان به پرسش‌های زیادی درباره‌ی اخترفیزیک و کیهان‌شناسی پاسخ داد. اگر دوباره در این کار موفق شویم و نور ادغام سیاهچاله‌های دیگر را رصد کنیم، می‌توانیم به منشان سیاهچاله‌ها پی‌ ببریم و نکات بیشتری را درباره‌ی آن‌ها بیاموزیم.

LIGO در ایالات‌متحده از دو آشکارساز موج گرانشی تشکیل‌شده است و همتای ایتالیایی آن Virgo، در می ۲۰۱۹، بی‌نظمی‌هایی را در فضا زمان تشخیص دادند. تنها چند روز بعد، تلسکوپ‌های رصدخانه‌ی پالوما در نزدیکی سن دیگو، نور درخشانی را از همان نقطه‌ی کیهان رصد کردند. با بررسی بیشتر پژوهشگران کلتک روی داده‌های آرشیوی متعلق به آن منطقه از آسمان، باز هم نور به درستی تشخیص داده شد. نور درخشان به آرامی و در طول یک ماه ناپدید شد. سیر زمانی و موقعیت پیدایش نور کاملا منطبق با مشاهدات LIGO بودند. به گفته‌ی متیو گراهام، استاد نجوم کلتک و مؤلف ارشد پژوهش:

این سیاهچاله‌ی غول‌آسا سال‌ها قبل از انتشار این نور در تلاطم بوده است. طبق نتایج ما، زبانه احتمالا حاصل ادغام دو سیاهچاله است اما نمی‌توانیم احتمال‌های دیگر را کاملا رد کنیم.»

با این حال پژوهشگرها معتقدند نور دیده‌شده حاصل انفجارهای متداولی است که در قرص برافزایشی سیاهچاله‌های غول‌آسا رخ می‌دهند. به همین دلیل قرص به مدت ۱۵ سال قبل از زبانه کشیدن، نسبتا آرام بوده است. به گفته‌ی کاسلیوال: «سیاهچاله‌های غول‌‌آسای این‌چنینی همیشه زبانه‌هایی را از خود منتشر می‌کنند و اجرام ساکنی نیستند اما زمان‌بندی، اندازه و موقعیت این زبانه چشمگیر بود.»

LIGO و Virgo دارای دو بازوی ۴ کیلومتری هستند. آشکارساز، اشعه‌ی لیزری را پرتاب کرده و آن را به دو قسمت تقسیم می‌کند. یکی از پرتوها به لوله‌ی ۴ کیلومتری فرستاده می‌شود و دیگری در لوله‌ای عمود با لوله‌ی قبلی وارد می‌شود. پرتوها بین آینه‌ها نوسان می‌کنند و نزدیک به تقسیم‌کننده‌ی پرتو همگرا می‌شوند. در چنین شرایطی موج‌های نوری با طول یکسان باز می‌گردند و به گونه‌ای تراز می‌شوند که در آشکارساز یکی می‌شوند.

اما وقتی موجی گرانشی با زمین برخورد می‌کند، فضا زمان را خم می‌کند. به همین دلیل یکی از لوله‌ها طویل‌تر از دیگری است. این اعوجاج انبساطی انقباضی تا زمان عبور موج ادامه پیدا می‌کند. در این شرایط، دو موج نوری با طول یکسان همگرا نمی‌شوند بنابراین یکدیگر را خنثی نمی‌کنند و آشکارساز می‌تواند زبانه‌های نور را ضبط کند.

به زودی با راه‌اندازی آشکارساز KAGRA (آشکارساز موج گرانشی کامیوکا)، دانشمندان انتظار کشف تعداد بیشتری از امواج گرانشی را دارند. آن‌ها انتظار دارند به کمک KAGRA، LIGO و Virgo به موقعیت دقیق برخوردها با سه برابر دقت برسند. به این ترتیب تلسکوپ‌ها به راحتی می‌توانند برخوردهای عامل امواج گرانشی را تأیید کنند و نور حاصل از آن‌ها را رصد کنند.

به گفته‌ی ویک کالوگرا، اخترفیزیکدان دانشگاه شمال غرب و LIGO، در نهایت می‌توان به شبکه‌ای جهانی دست یافت که قادر به کشف ۱۰۰ برخورد سالانه است. هرچقدر شبکه‌ی جهانی امواج گرانشی، تعداد بیشتری از برخوردها را با دقت بالاتری ثبت کند، دانشمندان به نکات بیشتری درباره‌ی ماهیت ادغام‌های غول‌آسا پی می‌برند.