دانشمندان برای اولین‌بار موفق شدند برخورد ستاره نوترونی و سیاه‌چاله را اثبات کنند

در ماه‌های ابتدایی سال گذشته، دانشمندان اولین‌بار بلعیده‌شدن ستاره‌ای نوترونی به‌وسیله سیاه‌چاله را مشاهده کردند و پس از گذشت دَه روز از شناسایی این پدیده، مجددا متوجه تکرار همین اتفاق این بار در بخش دیگری از کیهان شدند. حالا این موفقیت‌های بزرگ به‌عنوان یکی از تازه‌ترین اکتشافات در حوزه اخترشناسی گرانشی به‌صورت مقاله‌ای در Astrophysical Journal Letters چاپ شده است. این حوزه از اخترشناسی به بررسی انبساط و انقباض فضازمان ناشی از تحولات عظیم در جهان منجر می‌شود.

پاتریک بریدی، پروفسور فیزیک دانشگاه ویسکانسین و سخن‌گوی برنامه علمی رصدخانه تداخل‌سنج لیزری موج-گرانشی (LIGO)، درباره این اکتشاف بزرگ می‌گوید: «در‌واقع، اولین‌بار است که موفق شده‌ایم برخورد ستاره نوترونی و سیاه‌چاله را در نقطه‌ای از جهان تشخیص دهیم و ثبت کنیم.»

پیش از این اکتشاف، اخترشناسان بر گمان می‌کردند برخورد سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی کاملا امکان‌پذیر است؛ اما فرضیه یادشده تا پیش از مشاهده موفق این برخوردها، به‌صورت علمی اثبات نشده بود. چنین اکتشافی در‌واقع به پرکردن جاهای خالی دانسته‌های آن‌ها در زمینه سیستم‌های دوستاره‌ای کمک و این پرسش را مطرح می‌کند که «چرا اخترشناسان تا‌به‌حال موفق نشده‌اند چنین پدیده‌ای را در کهکشان راه شیری مشاهده کنند؟»

به‌مدت بیش از بیست سال، لایگو به‌دنبال یافتن این پدیده‌ها به‌عنوان نوعی پیش‌بینی از تئوری نسبیت عام انیشتین بود. تا اینکه در سال ۲۰۱۵ هر دو رصدخانه این مجموعه در هنفورد و واشنگتن و لیوینگستون و لوییزیانا موفق شدند نشانه‌هایی از این امواج گرانشی را دریافت کنند. این موج‌ها به‌دلیل برخورد دو سیاه‌چاله با ابعاد ستاره‌ای به‌وجود آمده بودند. دو سیاه‌چاله مذکور در مدار یکدیگر می‌چرخیدند و به‌هم نزدیک‌تر می‌شدند تا در‌نهایت به‌هم برخورد کنند و به جرمی واحد تبدیل شوند.

دو سال بعد، لایگو موفق شد برخورد دو ستاره نوترونی را ثبت کند. ستاره نوترونی بقایای ستاره‌ای مُرده با جرمی بیشتر از خورشید ما است که آن‌قدر عظیم نبود تا بعد از فروپاشی به سیاه‌چاله تبدیل شود. اخترشناسان با کمک ویرگو، رصدخانه‌ای کوچک‌تر اما مشابه لایگو واقع در ایتالیا، محل وقوع این انفجار در کیهان را ردیابی کردند. همچنین با استفاده از چندین تلسکوپ، رد ذرات نور ساطع‌شده از انفجار را گرفتند که طیف امواج رادیویی تا اشعه ایکس را در‌بر می‌گرفت.

این انیمیشن الگوی امواج گرانشی را هم‌زمان با ادغام سیاه‌چاله و ستاره نوترونی به‌تصویر می‌کشد.

پژوهشگران نزدیک به نیم قرن در پیداکردن نشانه‌ای از ستاره نوترونی در مدار سیاه‌چاله ناکام بودند. به‌نقل از پروفسور بریدی، ناکامی در یافتن سیستم دوتایی ستاره نوترونی-سیاه‌چاله برای اخترشناسان و دانشمندان به معمایی حل‌نشدنی تبدیل شده بود تا اینکه در سال ۲۰۱۹، دو ردگیری از امواج گرانشی می‌توانست به‌معنای پایان این جست‌وجوی طولانی باشد؛ اما بررسی‌های دقیق نتایج مثبتی دربر نداشت.

به‌گفته پروفسور بریدی، این احتمال کم بود که سیگنال‌های دریافتی از پدیده‌ای اخترفیزیکی ساطع شده باشند و شاید تنها مجموعه‌ای از داده‌های ناقص و نامعتبر به‌دست آن‌ها رسیده باشد. داده‌های به‌دست‌آمده از دومین ردگیری در همان سال نیز همچنان به‌صورت معمایی حل نشده باقی ماند. با اینکه اخترشناسان بر این باورند که جسم بزرگ‌تر در این برخورد سیاه‌چاله بود؛ چون جرم جسم کوچک‌تر ۲٫۶ برابر بزرگ‌ترین ستاره نوترونی شناخته‌شده به‌دست آمد، تشخیص ماهیت دقیق این جرم با شکست همراه شد.

درنهایت، آخرین مشاهده امواج گرانشی بدون هیچ شکی وجود سیستم دوتایی ستاره نوترونی-سیاه‌چاله در دنیا را به اخترشناسان ثابت کرد. اولین نشانه‌های این پدیده که بسیار دور از کهکشان راه شیری به‌وقوع پیوست، ابتدای سال ۲۰۲۰ میلادی به‌واسطه رصدخانه هنفورد شناسایی و سپس ازطریق حسگر ویرگو در ایتالیا و با دریافت سیگنالی ضعیف تأیید شد.

پس از این ردگیری، اخترفیزیک‌دانان با مطالعه نوسان‌های فرکانسی در امواج گرانشی موفق شدند ویژگی‌های اجرامی را تعیین کنند که در دورترین نقاط کیهان با یکدیگر برخورد می‌کردند. سیاه‌چاله ردیابی‌شده جرمی ۹ برابر خورشید داشت و ستاره نوترونی با وجود جرم بسیار کمتر، همچنان با دو برابر جرم خورشید و در فاصله ۹۰۰ میلیون سال نوری از زمین، با سیاه‌چاله برخورد کرده بود.

۱۵ ژانویه ۲۰۲۰، هر سه رصدخانه دومین برخورد از سیاه‌چاله با ستاره نوترونی را ثبت کردند. این برخورد کمی دورتر از برخورد اول اتفاق افتاد و جرم سیاه‌چاله و ستاره نوترونی نیز کمتر از برخورد اول بود؛ یعنی سیاه‌چاله ۶ برابر و ستاره نوترونی ۱٫۵ برابر خورشید جرم داشتند. برخلاف برخورد ثبت‌شده بین دو ستاره نوترونی در سال ۲۰۱۷، تلسکوپ‌ها ذرات نوری ساطع‌شده از انفجار را ثبت نکردند.

با این اوصاف، به‌نظر می‌رسید سیاه‌چاله آن‌قدر بزرگ بوده که بلافاصله بعد از برخورد، ستاره نوترونی را در خود بلعیده و مانع از ساطع‌شدن نور چندانی به فضای کیهان شده است. الساندرا بونانو، مدیر بخش فیزیک گرانشی مؤسسه ماکس پلانک در آلمان و عضو تیم لایگو، می‌گوید اطلاعات به‌دست‌آمده از این برخورد تقریبا همان چیزی بوده که پژوهشگران انتظار داشته‌اند.

شبیه‌سازی سیاه‌چاله و ستاره نوترونی حین فرایند ادغام. سیگنال موج گرانشی آبی و چگالی ستاره از زرد تا نارنجی متغیر است.

بااین‌همه، اخترشناسان نتوانستند نشانه‌های سیاه‌چاله‌های نابودگر ستاره‌های نوترونی را پیش از بلعیدن آن‌ها شناسایی کنند. نیروهای جزر‌و‌مدی سیاه‌چاله روی ستاره نوترونی باعث تشخیص قطر ستاره و در‌نهایت دستیابی به عناصر سازنده آن می‌شود. با افزایش مشاهده‌ها از چنین برخوردهایی، الگوهای بیشتری برای دانشمندان آشکار می‌شود و در‌نتیجه احتمال کشف جزئیات بیشتر در این زمینه افزایش می‌یابد.

به‌گفته‌ سوزانا مارکا، محقق آزمایشگاه اخترفیزیک دانشگاه کلمبیا و LIGO، دانشمندان امیدوار هستند با مشاهده این پدیده در کیهان، اسرار جدیدی از طرز کار درونی ستاره‌های نوترونی را آشکار کنند.

پروفسور بریدی درباره این سؤال که «چرا چنین پدیده‌ای در کهکشکان راه شیری ردیاب‌شدنی نبود؟» پاسخ می‌دهد: «امکان نادرست‌بودن تکنیک‌های جست‌وجو یا ادغام بسیار سریع این دو جرم ممکن استبه از‌دست‌دادن مشاهده چنین برخوردی منجر شده باشد.»

به‌همین‌منظور، به‌روزرسانی‌هایی برای ویرگو در نظر گرفته شده است تا حساسیت آن درمقابل دریافت سیگنال‌های نجومی افزایش پیدا کند. سری بعدی مشاهده‌های لایگو و ویرگو برای تابستان سال آینده برنامه‌ریزی شده‌اند. همچنین، حسگر موج گرانشی جدیدی در ژاپن و رصدخانه لایگو دیگری هم در هند راه‌اندازی خواهند شد.

جیووانی لوسوردو، مدیر تحقیقات مؤسسه فیزیک هسته‌ای در ایتالیا و سخن‌گوی ویرگو، اعتقاد دارد در سال‌های آینده، اخترشناسان خواهند توانست امواج گرانشی بسیار ضعیف‌تر را با نرخ بسیار بیشتری ردگیری کنند. او انتظار دارد ستاره‌های نوترونی در حال گردش و ابرنواخترهای ناشی از ستاره‌های در حال انفجار امواجی گرانشی از خود ساطع کنند که تا‌به‌حال ردگیری نشده‌اند. حتی احتمال وجود منابعی ناشناخته نیز وجود خواهد داشت که بتوان آن‌ها را با استفاده از امواج گرانشی ردگیری کرد.