هنگام ادغام سیاه‌چاله‌ها چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

ادغام سیاه‌چاله‌ها در عین شگفتی یکی از پرتلاطم‌ترین و شدیدترین رویدادهای کیهان است؛ اما دقیقا در این فرآیند چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

داستان با دو سیاه‌چاله آغاز می‌شود که از فاصله‌ی زیاد در دایره‌های طولانی و آهسته به دور یکدیگر می‌چرخند. این سیاه‌چاله‌ها احتمالا حاصل یک جفت ستار‌ه‌ی دوتایی هستند یا شاید هم به‌صورت تصادفی در عمق فضای میان‌ستاره‌ای یکدیگر را ملاقات کرده‌اند. به هر صورت، این دو جرم برای ادغام باید به یکدیگر نزدیک شوند که به معنی از دست دادن مقدار زیادی انرژی مداری است.

اولین گام در ربودن انرژی سامانه ازطریق برهم‌کنش سیاه‌چاله با محیطش است. سیاه‌چاله‌ها تنها نیستند، بلکه همیشه حلقه‌هایی از گاز و غبار و گاهی حتی اشیای بزرگ‌تری مثل سیاره‌ها یا ستاره‌ها را در مدار خود دارند. تمام این اجرام از طریق گرانش با سیاه‌چاله برهم‌کنش دارند و گاهی اوقات در آن سقوط می‌کنند و هرگز دوباره دیده نمی‌شوند. گاهی نیز صرفا سرعت اولیه‌ی آن‌ها افزایش می‌یابد و بخشی از انرژی مداری سیاه‌چاله را می‌گیرند.

وقتی سیاه‌چاله‌ها به‌اندازه‌ی کافی به یکدیگر نزدیک شوند، فرآیند دیگری آغاز می‌شود. در این شرایط سیاه‌چاله‌ها با چرخیدن در مدار یکدیگر فضازمان را در هم‌می‌ریزند و این آشفتگی باعث تولید امواجی گرانشی می‌شود که مانند موج‌های روی برکه از سیاه‌چاله‌ها منتشر می‌شوند. با این‌حال این امواج گرانشی فوق‌العاده ضعیف هستند و فقط زمانی به‌طور جدی انرژی جذب می‌کنند که سیاه‌چاله‌ها در فاصله‌ی بسیار نزدیکی از یکدیگر قرار بگیرند.

 به‌این‌ترتیب معمایی به نام «مسئله‌ی پارسک نهایی» برای اخترفیزیکدان‌ها مطرح شده است. براساس شبیه‌سازی‌ها، برهم‌کنش‌های گرانشی با محیط می‌توانند سیاه‌چاله‌ها را در مدت زمان مشخصی درفاصله‌ی تقریبی یک پارسکی (۳٫۲۶ سال نوری) از یکدیگر قرار دهند؛ اما در این فاصله، مواد لازم برای گرفتن انرژی وجود ندارد. از سوی دیگر در این فاصله امواج گرانشی به قدری ضعیف هستند که ممکن است ادغام به مدت چند برابر عمر جهان به طول بینجامد.

مسئله‌ی پارسک نهایی فعلا معمایی حل‌نشده در حوزه‌ی اخترفیزیک است؛ اما هر مکانیزمی که رخ دهد، درنهایت سیاه‌چاله‌ها به‌قدر کافی به یکدیگر نزدیک می‌شوند تا امواج گرانشی بتوانند مقداری انرژی را از سامانه جذب کنند. در این مرحله، تنها چند ثانیه تا ادغام سیاه‌چاله‌ها فاصله است.

سیاه‌چاله‌ها در فواصل نزدیک یکدیگر را از شکل می‌اندازند. آن‌ها واقعا سطحی ندارند. افق‌ رویداد سیاه‌چاله مرزی نامرئی است که منطقه گریزناپذیر آن را تعیین می‌کند؛ اما شکل افق رویداد نه‌تنها به خود سیاه‌چاله بلکه به هندسه‌ی فضازمان اطراف آن وابسته است؛ بنابراین، زمانی که سیاه‌چاله‌ها رقص مرگبارشان را شروع کنند، افق‌های رویداد آن‌ها کش می‌آید و به سمت یکدیگر جذب می‌شود.

تنها از طریق شبیه‌سازی‌های پیچیده‌ی کامپیوتری که تکامل افق‌های رویداد را نظارت و ردیابی می‌کنند، می‌دانیم در مرحله‌ی بعدی چه اتفاقی رخ می‌دهد. در چند میلی‌ثانیه پیش از برخورد، هر سیاه‌چاله‌ها پیچک یا تونلی کوچک از افق رویدادش را به سمت همراه خود می‌فرستد. این پیچک‌ها با رسیدن به‌هم و ادغام در یکدیگر، پلی را بین دو سیاه‌چاله تشکیل می‌دهند. گویی سیاه‌چاله‌ها بند ناف به یکدیگر وصل شده‌اند.

پل بین دو سیاه‌چاله با سرعت زیادی عریض می‌شود و افق‌های رویداد مانند دو حباب صابون به یکدیگر می‌چسبند. در کسری از ثانیه، سیاه‌چاله‌ها با یکدیگر ترکیب می شوند.

هنوز کسی نمی‌داند دقیقا چه اتفاقی درون سیاه‌چاله رخ می‌دهد. مرکز سیاه‌چاله موسوم به تکینگی، نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت است. در این منطقه است که درک ما از فیزیک نقض می‌شود. براساس شبیه‌سازی‌ها، تکینگی‌ها به سرعت یکدیگر را پیدا می‌کنند، برای مدت کوتاهی می‌چرخند و سپس ادغام می‌شوند. اما آنچه در واقعیت رخ می‌دهد، نامشخص است.

به شکل عجیبی، جرم سیاه‌چاله‌ی جدید کمتر از مجموع جرم دو سیاه‌چاله‌ی اولیه است. برای مثال در سال ۲۰۱۶، رصدخانه لایگو اولین رویداد گرانشی حاصل از ادغام سیاه‌چاله‌ها را شناسایی کرد. در این فرآیند، سیاه‌چاله‌ای با ۳۶ جرم خورشیدی و سیاه‌چاله‌ای با ۳۰ جرم خورشیدی با یکدیگر ادغام شدند و نتیجه، سیاه‌چاله‌ای با ۶۳ جرم خورشیدی بود.

بنابراین چه اتفاقی برای سه جرم خورشیدی اضافی رخ داد؟ آن جرم در غالب امواج گرانشی به انرژی تبدیل شد. این اتلاف انرژی حاصل تبدیل جرم سیاه‌چاله است. در هر ادغام سیاه‌چاله‌ای تقریبا ۵ درصد جرم به امواج گرانشی تبدیل می‌شود.

به عبارتی، فرآیند فوق درست به تبدیل سه خورشید کامل به انرژی شبیه است. وقتی سیاه‌چاله‌ها با یکدیگر برخورد کنند، انرژی بیشتری نسبت به هر ستاره‌ای در جهان را تولید می‌کنند و البته تمام این اتفاق‌ها در سکوت و تاریکی رخ می‌دهد.