۱۰ یافته بزرگ درباره‌ی سیاهچالهها در سال ۲۰۲۰
ما در عصر طلایی سیاهچالهها به سر می‌بریم. پژوهشگرها از سال ۲۰۱۵ با رصدخانه‌ی موج گرانش تداخل‌سنج لیزری (LIGO)، موفق به دریافت سیگنال مستقیم از سیاه‌چاله‌های در حال ادغام شدند و رصدخانه‌هایی مثل تلسکوپ ایونت هرایزن (EHT) اولین تصویر سایه‌ی سیاهچاله را تولید کردند. ۲۰۲۰ سالی پر از دستاورد علمی درباره‌ی سیاهچالهها بود و پژوهشگرها به نتایج منحصر‌به‌فردی درباره‌ی «افق رویداد» سیاهچاله رسیدند. در ادامه نگاهی به یافته‌های چشمگیر درباره‌ی سیاهچالهها در سال ۲۰۲۰ می‌پردازیم.
۱. برد جایزه‌ی نوبل فیزیک در زمینه‌ی سیاهچالهها
۲۰۲۰ برای پژوهش سیاهچاله سال خوبی بود و در ماه اکتبر جایزه‌ی نوبل را برای سه فیزیکدان به ارمغان آورد که به بررسی این اجرام کیهانی اسرارآمیز پرداخته بودند. نیمی از جایزه به راجر پنروز از دانشگاه آکسفورد بریتانیا به خاطر پژوهش در این زمینه اختصاص یافت. بر اساس یافته‌های پنروز، شکل‌گیری سیاهچاله کاملا منطبق با پیش‌بینی‌های نظریه‌ی نسبیت عام است. آندره گز از UCLA و راینهارد گنزل از دانشگاه بن و مؤسسه‌ی مکس پلانک فیزیک فرازمینی نیم دیگر جایزه را برای کشف جرم فشرده‌ی غول‌آسا در مرکز کهکشان راه شیری به دست آوردند. پس از ماری کوری (۱۹۰۳)، ماریا گوپرت مایر (۱۹۶۳) و دانا استریکلند (۲۰۱۸)، گز چهارمین زن برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک در طول تاریخ فیزیک است.
۲. LIGO بزرگ‌ترین برخورد سیاه‌چاله‌ای را رصد کرد
لیگو و همتای اروپایی آن ویرگو، از طریق امواج گرانشی موفق به رصد امواج عظیمی در بافت فضا زمان شدند؛ این امواج زمانی منتشر می‌شوند که اجرام سنگین نوسان کنند. این رصدخانه‌ها اکتشافات زیادی داشته‌اند؛ اما در ماه می پژوهشگرهای دو رصدخانه در اعلامیه‌ای مشترک از کشف بزرگ‌ترین برخورد سیاه‌چاله‌ای خبر دادند که جرم یکی از سیاهچالهها ۸۵ برابر و جرم دیگری ۶۶ برابر خورشید بود. با برخورد این دو سیاهچاله، سیاه‌چاله‌ای با جرم ۱۴۲ برابر خورشید به وجود آمد. ستاره‌شناس‌ها قبلا موفق به کشف سیاه‌چاله‌هایی هم‌اندازه با خورشید شده بود و می‌دانستند سیاه‌چاله‌های عظیم معمولا چند میلیون برابر سنگین‌تر از خورشید در مرکز کهکشان‌ها وجود دارند؛ اما در گذشته به هیچ‌گونه شواهدی درباره‌ی سیاه‌چاله‌های متوسط دست نیافته بودند. شکل‌گیری دقیق سیاهچالهها هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است که دانشمندان به دنبال حل آن هستند.
۳. سیاه‌چاله‌های آغازین
در فاصله‌ی کوتاهی پس از بیگ‌بنگ، جهان مملو از پرتوهای داغ و متلاطم شد. در برخی نقاط انرژی به اندازه‌ی کافی متراکم بود تا از نظر تئوری دچار فروپاشی شود و سیاه‌چاله‌ای تشکیل دهد. فیزیک‌دان‌ها هنوز از وجود سیاه‌چاله‌های آغازین (PBH-ها) مطمئن نیستند؛ اما با دقت در حال بررسی آن هستند. بر اساس مقاله‌های متعدد که یکی از آن‌ها در ماه نوامبر منتشر شد، این سیاهچالهها که برخی از آن‌ها از باقی‌مانده‌ی ستاره‌های مرده کوچک‌تر هستند، می‌توانند مواد تشکیل‌دهنده‌ی ماده‌ی تاریک باشند؛ ماده‌ای ناشناخته که تأثیر گرانشی زیادی بر کیهان دارد. آزمایش‌هایی برای جستجوی PBH در سال‌های آینده انجام خواهد شد.
۴. احتمال وجود سیاه‌چاله‌های فوق عظیم
پژوهشگرها در ماه سپتامبر از احتمال سیاه‌چاله‌های ابرغول‌آسا (SLAB) سخن گفتند. جرم این اجرام به یک تریلیون برابر جرم خورشید می‌رسد که ده برابر بیشتر از بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌ی شناخته‌شده به نام TON 618 است؛ جرم این سیاهچاله، ۶۶ میلیارد برابر خورشید است. برخی از SLAB-ها در آغاز جهان شکل گرفتند؛ بنابراین سیاه‌چاله‌ی آغازین هستند و می‌توان اثر آن‌ها را در تابش پس‌زمینه‌ی مایکروویو کیهانی رصد کرد؛ تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی به نور باقی‌مانده از جهان آغازین (در ۳۸۰ هزار سال اول) گفته می‌شود. آثار دیگر این سیاهچالهها را می‌توان از طریق انحراف نور ستاره‌های دوردست آشکار کرد. این سیاهچالهها فعلا در حد نظریه هستند؛ ولی توجه بسیاری به خود جلب کرده‌اند.
بر اساس نظریه‌ی ریسمان، سیاهچالهها می‌توانند مانند توپ‌های رشته‌ای تشکیل‌شده از رشته‌های بنیادی (فازبال) باشند.
۵. LIGO موفق به کشف یک ادغام‌گر نامتعادل شد
تعداد زیادی از سیاه‌چاله‌های دوتایی (باینری) که با ابزارهای لیگو و ویرگو کشف شدند، جرم یکسانی داشتند؛ اما در ماه آوریل، دانشمندان از رصد نامتقارن‌ترین برخورد سیاه‌چاله‌ای خبر دادند. این اجرام در فاصله‌ی ۲٫۴ میلیارد سال نوری با یکدیگر برخورد کردند؛ جرم یکی از آن‌ها هشت برابر و جرم دیگری ۳۰ برابر خورشید بود. چنین رویداد غیر منتظره‌ای به قدری نادر بود که ابزار موج گرانشی پس از چند سال فعالیت موفق به رصد آن نشده بود. این یافته فرضیه‌های زیادی را به چالش گرفت و پژوهشگرها بر این اساس ادغام‌کننده‌های سلسله مراتبی را تعریف کردند؛ در این ادغام‌ها سیاهچالهها با یکدیگر برخورد می‌کنند و بقایای آن‌ها با سیاه‌چاله‌ی دیگری ادغام می‌شود.
۶. تلسکوپ‌‌ها «اسپاگتی شدن» یک ستاره در سیاهچاله را رصد کردند
وقتی جرمی سنگین در فاصله‌ی مشخصی از یک سیاهچاله قرار می‌گیرد، نیروهای گرانشی شدید می‌توانند باعث کشیده شدن آن شوند. این فرایند اصطلاحا «اسپاگتی‌سازی» گفته می‌شود و بسیار نادر است؛ زیرا سیاهچالهها با ابری از گاز و غبار احاطه شده‌اند. در ماه اکتبر، ستاره‌شناسان رصدخانه‌ی جنوبی اروپا توانستند فرایند اسپاگتی‌سازی یک ستاره را با جزئیاتی بی‌سابقه با استفاده از تلسکوپ NTT و تلسکوپ بسیار بزرگ (Very Large Telescope) رصد کنند. این رویداد نادر که به نام AT 2019qiz شناخته می‌شود، دیدگاه‌هایی درباره‌ی چنین اتفاق‌هایی در اختیار ستاره‌شناس‌ها قرار داد و به آن‌ها در درک بهتر گرانش در محیط‌های کرانه‌ای کمک می‌کند.
۷. رصد نزدیک‌ترین سیاهچاله
هیچ کس نمی‌خواهد بیش از حد به سیاهچاله نزدیک شود و اسپاگتی شود! خوشبختانه پدیده‌ی کیهانی که در ماه می رصد شد در فاصله‌ای امن بود. این سیاهچاله با دو ستاره‌ی دیگر، منظومه‌ی سه‌تایی HR 6819 را تشکیل می‌دهد؛ اما سیاه‌چاله‌ای جدید در فاصله‌ی ۱۰۰۰ سال نوری از زمین کشف شده است که سه برابر نزدیک‌تر از رکورد قبلی است. ستاره‌شناس‌ها هنوز به‌طور مستقیم قادر به رصد سیاهچاله نیستند؛ اما می‌توانند با استفاده از تأثیر گرانشی دو جرم همراه آن، به وجود سیاهچاله پی ببرند. ناظران شب در نیم‌کره‌ی جنوبی می‌توانند ستاره‌های منظومه‌ی HR 6819 را با چشم غیر مسلح ببینند.
۸. سیاهچالهها می‌توانند فازبال باشند
برای شکل‌گیری سیاهچاله، باید ماده و انرژی در نقطه‌ای کوچک با چگالی نامحدود دچار فروپاشی شوند. ازآنجاکه بی‌نهایت‌های این‌چنینی از دیدگاه فیزیکی غیر ممکن هستند، نظریه‌پردازها مدت‌ها است به دنبال راهی برای حل این مسئله هستند. بر اساس نظریه‌ی ریسمان که تمام ذرات و نیروها را با رشته‌های لرزان زیراتمی جایگزین می‌کند، سیاهچالهها می‌توانند حتی عجیب‌تر باشند و به توپ نخ‌مانند فازی از رشته‌های بنیادی تبدیل شوند. طبق پژوهشی در ماه اکتبر، اگر اتم‌های ستاره‌های نوترونی (بقایای ستاره‌ای که تراکم آن برای شکل‌گیری سیاهچاله کافی نیست) به شکل مجموعه‌ای از رشته‌ها باشند، فشرده‌سازی این رشته‌ها منجر به شکل‌گیری فازبال می‌شود که به توپ نخی شباهت دارد. این ایده هنوز نیاز به بررسی بیشتری دارد؛ اما می‌تواند جایگزینی برای حل مسئله‌ی بی‌نهایت باشد.
۹. سیاه‌چاله‌های خطرناک عریان در کمین هستند
به عقیده‌ی فیزیک‌دان‌ها، هر سیاهچاله دارای افق رویداد است؛ مرزی که با سقوط در آن، هرگز قادر به خروج نخواهید بودد؛ اما آیا ممکن است سیاه‌چاله‌ای بدون افق رویداد موسوم به سیاه‌چاله‌ی عریان وجود داشته باشد؟ این پدیده در صورت وجود می‌تواند بسیار خطرناک باشد؛ زیرا قوانین فیزیکی افق رویداد سیاهچاله را در هم می‌شکنند و سیاه‌چاله‌ی عریان فاقد سد حفاظتی خواهد بود. اغلب نظریه‌پردازها وجود سیاه‌چاله‌ی عریان را غیر ممکن می‌دانند؛ اما بر اساس مقاله‌ای که در ماه نوامبر منتشر شد، راهی برای اطمینان از این مسئله وجود دارد. برای پی بردن به تفاوت این سیاهچالهها باید به قرص برافزایشی آن‌ها نگاه کرد؛ قرص برافزایشی حلقه‌ای از گاز و غبار است که هنگام ورود مواد به سیاهچاله شکل می‌گیرد؛ این قرص می‌تواند تفاوت سیاه‌چاله‌های عادی و سیاه‌چاله‌های عریان را آشکار کند.
۱۰. گنجینه‌ی سیاهچالهها
در ماه اکتبر، LIGO و ویرگو، کاتالوگ ده‌ها سیگنال موج گرانشی را منتشر کردند که بین آوریل و سپتامبر ۲۰۱۹ کشف شده بودند. ۳۹ رویداد در این کاتالوگ ثبت شده‌اند؛ شامل تعداد زیادی از یافته‌های مهم از جمله ادغام سیاه‌چاله‌های غول‌آسا که منجر به تولید سیاه‌چاله‌ای به جرم ۱۴۲ جرم خورشیدی شد، ادغام دو سیاه‌چاله‌ی ناهمسان با هشت جرم و سی جرم خورشیدی یا کشف جرم اسرارآمیزی که به نظر می‌رسید سیاه‌چاله‌ای کوچک یا یک ستاره‌ی نوترونی بزرگ است. پژوهشگرها از این داده‌ها به هیجان آمده‌اند و از آن برای درک بهتر رفتار و تکرار ادغام‌های سیاه‌چاله‌ای استفاده خواهند کرد.