منشاء “سیاهچاله‌های غول‌پیکر” چیست؟

اخترفیزیکدان‎‌های دانشگاه توهوکو در ژاپن با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری توانستند نظریه جدیدی برای منشاء سیاهچاله‌های کلان جرم ارائه کنند. در این نظریه، پیش‌ماده‌ی سیاهچاله‌های غول‌پیکر نه تنها با بلعیدنِ گاز میان‌ستاره‌ای، بلکه ستاره‌های کوچکتر رشد می‌کند. این نظریه می‌تواند وجود تعداد بسیار زیادی از سیاه‌چاله‌هایی را که امروز مشاهده می‌کنیم، تبیین نماید.

Formation of Supermassive Stars scaled

تقریباً همه کهکشان‌ها در جهان امروز یک سیاهچاله‌‌ی غول‌پیکر در مرکزشان دارند. جرم این سیاهچاله‌ها می‌تواند گاهی تا ۱۰ میلیارد برابرِ جرم خورشید هم باشد. با این حال، منشاء آنها در هاله‌ای از ابهام قرار دارد و اخترشناسان کماکان به تلاش‌های خود برای حل این معما ادامه می‌دهند.

Distribution of Matter Universe Simulation
تصاویری از شبیه‌سازیِ مربوط به توزیع ماده در جهان در هنگام شکل‌گیری سیاهچاله (بالا) و توزیع تراکم ابرهای گازی که در پدید آمدن سیاهچاله نقش دارند (پایین).

یکی از نظریه‌های مشهور «مدل فروپاشی مستقیم» نام دارد؛ ابرهای ازلی از فروپاشی گازهای میان ستاره‌ای به شکل‌گیری ستاره‌های غول‌پیکر کمک می‌کند؛ این ستار‌ه‌ها بعداً به سیاهچاله‌های کلان جرم تبدیل می‌شوند. اما مطالعات پیشین نشان داده که فروپاشی مستقیم تنها با گاز دست نخورده آغازین عمل می‌کند؛ این گاز فقط از هیدروژن و هلیوم تشکیل یافته است. عناصر سنگین‌تر از قبیل کربن و اکسیژن باعث تغییر دینامیک گاز می‌شوند؛ در نهایت گازِ در حال فروپاشی به ابرهای کوچکتر تبدیل می‌شود. ماحصلِ آن، شکل‌گیری ستاره‌های کوچکتر است. اما این نظریه قادر نیست تعداد زیادی از سیاهچاله‌های کلان جرم را که امروزه می‌بینیم، توضیح دهد.

ستاره‌های بزرگ در مرکز ابر گازی شکل می‌گیرند، اما تعداد بسیار زیادی ستاره کوچکتر هم از گازهای پیرامونی پدید می‌آیند. بسیاری از ستاره‌های کوچکتر با جریان گاز حرکت کرده و با ستاره‌های بزرگتر ادغام می‌شوند.

“سونمیون چون”، دانشجوی مقطع دکتری در دانشگاه توسعه علوم توهوکو ژاپن و همکارانش از ابرکامپیوتر ATERUI II برای شبیه‌سازی باکیفیت و سه‌ بَُعدی استفاده کردند تا این احتمال را مورد آزمایش قرار دهند که آیا ستاره‌های غول‌پیکر می‌توانند در گازهای غنی از عناصر سنگین پدید آیند یا خیر. شکل‌گیری گاز در ابرهای گازی(من جمله) عناصر سنگین به سختی شبیه‌سازی می‌شود که دلیل سختی را به هزینه محاسبات و شبیه‌سازیِ فوران عظیم گاز نسبت می‌دهند، اما پیشرفت‌های حاصل آمده در حوزه محاسبات این فرصت را در اختیار محققان قرار داده تا بر این چالش غلبه کنند. این شبیه‌سازی‌های جدید به محققان اجازه می‌دهد تا شکل‌گیری ستاره‌ها از ابرهای گازی را با جزئیات بهتری مورد مطالعه قرار دهند.

Distribution of Matter Simulation
شبیه‌سازی توزیع تراکم ابرهای گازی که در ایجاد سیاهچاله ایفای نقش می‌کنند. نقاط تیره در نزدیکی مرکز شکل، نشان دهندۀ ستاره‌های عظیم هستند که انتظار می‌رود روزی به سیاهچاله تبدیل شوند. نقاط سفید هم به آن دسته‌از ستاره‌هایی اشاره دارد که جرم‌شان ۱۰ برابر کمتر از جرم خورشید است.

برخلاف پیش‌بینی‌های قبل، محققان دریافتند که ستاره‌های غول‌پیکر کماکان می‌توانند از ابرهای گازیِ غنی از عناصر سنگین به وجود آیند. همان طور که انتظار می‌رفت، ابرهای گاز از هم متلاشی شده و ستاره‌های کوچک فراوانی به وجود می‌آیند. با این وجود، جریان گاز قدرتمندی روانۀ مرکز ابر می‌شود؛ ستاره‌های کوچکتر جذب این جریان می‌شوند و ستاره‌های بزرگی که در مرکز قرار دارند، آنها را می‌بلعند. محققان در این تحقیقات، شکل‌گیری ستاره‌هایی را شبیه‌سازی کردند که ۱۰ هزار برابر بزرگتر از خورشید هستند.

NAOJ Supercomputer ATERUI II Cray XC x
عکسی از ابر کامپیوتر که ATERUI II

آقای چون در ادامه می‌گوید: «این اولین‌بار است که توانستیم شکل‌گیری چنین ابر سیاهچاله‌های بزرگی را که حاوی عناصر سنگین است، شبیه‌سازی کنیم. باورمان بر این است که این ستاره بزرگ به رشد خود ادامه خواهد داد و به یک سیاهچاله کلان جرم تبدیل خواهد شد. این مدل جدید نشان می‌دهد که نه تنها گازهای ازلی، بلکه گازهای حاوی عناصر سنگین نیز می‌توانند در ایجاد ستاره‌های عظیم به ایفای نقش کلیدی بپردازند. مدل جدید ما توانسته نحوه شکل‌گیری و منشاء این سیاهچاله‌ها را توضیح دهد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در “ماهنامه انجمن نجوم سلطنتی” منتشر شده است.

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید