دو سیاهچاله عظیم در آستانه برخورد؛ رویدادی که در ۱۰۰ سال آینده رخ می‌دهد

برخورد کهکشان‌ها در سراسر جهان رایج است، بنابراین احتمال اینکه سیاهچاله‌های مرکزی آن‌ها نیز در نهایت با هم برخورد کنند، زیاد است. با ادغام دو کهکشان، انتظار می‌رود سیاهچاله‌های آن‌ها به یکدیگر نزدیک‌تر شوند، شروع به چرخش به دور یکدیگر کنند و به تدریج به سمت داخل مارپیچ شوند تا در نهایت در یک شیء واحد ادغام شوند.

با وجود این انتظار، دانشمندان هنوز در مدل‌سازی مراحل پایانی این ادغام‌ها با مشکل مواجه هستند. حتی عجیب‌تر اینکه، ستاره‌شناسان به طور قابل اعتمادی جفت سیاهچاله‌های بسیار بزرگ را که به شدت به یکدیگر نزدیک هستند، شناسایی نکرده‌اند، با وجود شواهد فراوان از برخورد کهکشان‌ها.

یک جت دوم، سیاهچاله پنهان را آشکار می‌کند

تیمی بین‌المللی از محققان به رهبری سیلکه بریتزن از موسسه رادیواستروноми ماکس پلانک (MPIfR) در بن، اکنون شواهد مستقیمی را کشف کرده است که نشان می‌دهد چنین جفتی در مرکز کهکشان Mrk 501 وجود دارد. یافته‌ها برای انتشار در Monthly Notices of the Royal Astronomical Society پذیرفته شده‌اند و قرار است در یک شماره آینده منتشر شوند.

ستاره‌شناسان مدت‌هاست می‌دانستند که سیاهچاله مرکزی در Mrk 501 یک جت شدید از ذرات تولید می‌کند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور به فضا پرتاب می‌شود. این جت‌ها از شرایط شدید اطراف سیاهچاله‌ها ناشی می‌شوند، جایی که میدان‌های مغناطیسی قدرتمند به تسریع مواد به سمت بیرون کمک می‌کنند.

برای بررسی این سیستم، محققان مشاهدات دقیق رادیویی را که در فرکانس‌های متعدد در روزهای متعدد در حدود ۲۳ سال جمع‌آوری شده بود، بررسی کردند. مجموعه داده گسترده چیزی قابل توجه را نشان داد: در کنار جت آشنا، یک جت دوم وجود داشت که حرکت آن نیز قابل ردیابی بود.

مشاهدات شواهد مستقیمی از چنین سیستمی در مرکز یک کهکشان ارائه می‌دهد و به شدت نشان می‌دهد که یک سیاهچاله بسیار بزرگ دیگر وجود دارد. با این حال، خود سیاهچاله‌ها هنوز خیلی به هم نزدیک هستند تا بتوانند به طور جداگانه شناسایی شوند.

سیلکه بریتزن می‌گوید: «ما مدت طولانی به دنبال آن بودیم و سپس به عنوان یک غافلگیری کامل، نه تنها توانستیم یک جت دوم را ببینیم، بلکه حتی حرکت آن را نیز ردیابی کنیم.»

دو سیاهچاله بسیار بزرگ در یک رقص کیهانی

جت شناخته شده قبلی به سمت زمین نشانه رفته است و آن را بسیار روشن و نسبتاً آسان برای مشاهده می‌کند. جت تازه شناسایی شده در جهت متفاوتی اشاره می‌کند، که به توضیح چرایی پنهان ماندن آن برای مدت طولانی کمک می‌کند.

در طول چند هفته مشاهدات، ستاره‌شناسان تغییرات چشمگیری در موقعیت جت دوم مشاهده کردند. به نظر می‌رسید که از پشت سیاهچاله بزرگتر بیرون می‌آید و به صورت پادساعت‌گرد به دور آن می‌چرخد. این حرکت تکرار شد و نشان داد که کل سیستم در حال حرکت مداری منظم است.

سیلکه بریتزن توضیح می‌دهد: «ارزیابی داده‌ها شبیه سوار شدن به یک کشتی بود. کل سیستم جت در حال حرکت است. یک سیستم دو سیاهچاله می‌تواند این را توضیح دهد: صفحه مداری متمایل می‌شود.

محققان همچنین یک رویداد غیرعادی را در ژوئن ۲۰۲۲ شناسایی کردند، زمانی که تشعشع از سیستم به نظر می‌رسید یک حلقه تشکیل دهد. این پدیده که به عنوان حلقه اینشتین شناخته می‌شود، زمانی رخ می‌دهد که گرانش نور را به گونه‌ای خم می‌کند که یک ظاهر حلقه‌ای ایجاد شود.

یک توضیح احتمالی این است که دو سیاهچاله و زمین به طور خلاصه در یک آرایش مناسب قرار گرفته بودند. در آن پیکربندی، گرانش سیاهچاله پیش زمینه می‌توانست مانند یک لنز عمل کند و نور جت دوم را که در پشت آن قرار دارد، خم کند. این اثر، که به عنوان لنز گرانشی شناخته می‌شود، سرنخ دیگری به ماهیت سیستم ارائه می‌دهد.

دو سیاهچاله ممکن است در کمتر از ۱۰۰ سال ادغام شوند

با بررسی تغییرات در جت‌ها و الگوهای تکراری در روشنایی آن‌ها، تیم محاسبه کرد که دو سیاهچاله به طور تقریبی هر ۱۲۱ روز یک بار به دور یکدیگر می‌چرخند.

فاصله تخمینی آن‌ها فقط ۲۵۰ تا ۵۴۰ برابر فاصله بین زمین و خورشید است. اگرچه این ممکن است بسیار زیاد به نظر برسد، اما برای اجسامی با جرم بین ۱۰۰ میلیون تا یک میلیارد برابر جرم خورشید ما بسیار کوچک است.

چنین مدار تنگ می‌تواند پیامدهای چشمگیری داشته باشد. بسته به جرم واقعی سیاهچاله‌ها، فاصله آن‌ها ممکن است به سرعت کاهش یابد تا اینکه در کمتر از ۱۰۰ سال با هم ادغام شوند.

این یک شمارش معکوس استثنایی از نظر نجومی است و به محققان فرصت فوق‌العاده‌ای می‌دهد تا نحوه ادغام سیاهچاله‌های بسیار بزرگ را بررسی کنند.

امواج گرانشی می‌تواند ادغام قریب الوقوع را نشان دهد

متأسفانه، Mrk 501 آنقدر دور است که حتی قدرتمندترین ابزارهای امروزی نمی‌توانند دو سیاهچاله را به عنوان اشیاء جداگانه تشخیص دهند. تلسکوپ افق رویداد (EHT)، که در سال‌های ۲۰۱۹ و ۲۰۲۲ اولین تصاویر سیاهچاله‌ها را تولید کرد، همچنین فاقد وضوح لازم برای ثبت این جفت خاص به طور جداگانه است.

در نتیجه، ستاره‌شناسان قادر نخواهند بود به طور مستقیم کاهش فاصله بین سیاهچاله‌ها را مشاهده کنند. با این حال، روش دیگری می‌تواند رویکرد آن‌ها را نشان دهد.

هنگامی که اجسام بزرگ به دور یکدیگر می‌چرخند، امواج گرانشی ایجاد می‌کنند، اعوجاج‌های ظریفی در فضا-زمان که در سراسر جهان به بیرون حرکت می‌کنند. جفت سیاهچاله پیشنهادی در Mrk 501 باید امواج گرانشی با فرکانس بسیار پایین تولید کند که می‌توان با آرایه‌های زمان‌بندی پالسار (PTA) شناسایی کرد.

این آرایه‌ها از پالس‌های رادیویی بسیار منظم ساطع شده توسط ستاره‌های نوترونی که به سرعت می‌چرخند، که به عنوان پالسار شناخته می‌شوند، به عنوان ساعت‌های کیهانی دقیق استفاده می‌کنند. با اندازه‌گیری تغییرات ظریف در زمان رسیدن این پالس‌ها به زمین، دانشمندان می‌توانند به دنبال تأثیر امواج گرانشی عبوری باشند.

باینری‌های سیاهچاله بسیار بزرگ (SMBHB) در حال حاضر به عنوان توضیح اصلی برای پس‌زمینه امواج گرانشی در نظر گرفته می‌شوند، یک سیگنال مداوم که تصور می‌شود از بسیاری از منابع دور در سراسر جهان ناشی می‌شود. در سال ۲۰۲۳، آرایه پالسار زمان‌بندی اروپا و سایر همکاری‌های تحقیقاتی شواهدی از این پس‌زمینه را گزارش کردند.

کشف در Mrk 501 اکنون این کهکشان را به یک هدف امیدوارکننده برای اتصال یک سیگنال امواج گرانشی به یک جفت سیاهچاله بسیار بزرگ خاص تبدیل می‌کند.

چنین تشخیصی می‌تواند فراتر از تأیید وجود سیستم عمل کند. این ممکن است به دانشمندان اجازه دهد تا نحوه تکامل مدار جفت و تعیین اینکه آیا سیاهچاله‌ها در آستانه ادغام نهایی خود هستند یا خیر را اندازه‌گیری کنند.

همکار هکتور اولیوارس خاطرنشان می‌کند: «اگر امواج گرانشی شناسایی شوند، ممکن است حتی شاهد افزایش تدریجی فرکانس آن‌ها در حین مارپیچ شدن دو غول به سمت برخورد باشیم و فرصتی نادر برای مشاهده ادغام یک سیاهچاله بسیار بزرگ را فراهم کنیم.»