استفاده از داده های تلسکوپ آرشیوی جمینی شمالیاخترشناسان سنگین ترین جفت سیاهچاله های کلان پرجرم را که تاکنون پیدا شده اند اندازه گیری کردند. ادغام دو سیاهچاله بسیار پرجرم پدیده ای است که مدت ها پیش پیش بینی می شد، اما هرگز مشاهده نشد. این جفت عظیم سرنخ هایی را ارائه می دهد که چرا چنین رویدادی در جهان بعید به نظر می رسد.
تقریباً هر کهکشان عظیمی در مرکز خود دارای یک سیاهچاله کلان جرم است. هنگامی که دو کهکشان با هم ادغام می شوند، سیاهچاله های آنها می توانند یک جفت دوتایی تشکیل دهند، یعنی در یک مدار محدود با یکدیگر قرار گیرند. فرض بر این است که این جفت های دوتایی قرار است در طول زمان ادغام شوند، اما این هرگز مشاهده نشده است. این سوال که آیا چنین رویدادی امکان پذیر است یا خیر، موضوع بحث در میان ستاره شناسان برای دهه ها بوده است.
ستاره شناسان از داده های تلسکوپ جمینی شمالی در هاوایی، که نیمی از رصدخانه بین المللی جمینی است که توسط موسسه ملی فیزیک NOIRLab اداره می شود، برای تجزیه و تحلیل سیاهچاله دوتایی بسیار پرجرم واقع در کهکشان بیضوی B2 0402+379 استفاده کردند. این تنها سیاهچاله دوتایی کلان پرجرم است که با جزئیات کافی برای دیدن هر دو جرم به طور جداگانه دیده شده است و رکورد کوتاه ترین فاصله ای را که مستقیماً اندازه گیری شده است، فقط 24 سال نوری، در اختیار دارد. در حالی که چنین فاصله نزدیک یک ادغام قدرتمند را نشان می دهد، تحقیقات بیشتر نشان داد که این جفت برای بیش از سه میلیارد سال در این فاصله گیر کرده است، که این سوال را مطرح می کند: دلیل این تاخیر چیست؟
برای درک بهتر پویایی این سیستم و ادغام متوقف شده آن، تیم به داده‌های آرشیوی از طیف‌نگار چند شیء شمالی Gemini (GMOS) روی آورد که به آنها اجازه داد تا سرعت ستارگان را در مجاورت سیاه‌چاله‌ها تعیین کنند.
راجر رومانی، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید: «حساسیت قابل‌توجه GMOS به ما این امکان را می‌دهد تا از افزایش سرعت ستاره‌ها با نزدیک شدن به مرکز کهکشان نقشه برداری کنیم. به لطف این، ما توانستیم در مورد جرم کل سیاهچاله هایی که در آنجا هستند نتیجه گیری کنیم.
این تیم تخمین می زند که جرم سیاهچاله دوتایی 28 میلیارد برابر جرم خورشید است، که این جفت را به سنگین ترین سیاهچاله دوتایی تبدیل می کند که تاکنون اندازه گیری شده است. این اندازه گیری نه تنها زمینه با ارزشی را برای شکل گیری سیستم دوتایی و تاریخچه کهکشان میزبان آن فراهم می کند، بلکه این نظریه دیرینه را تأیید می کند که جرم یک سیاهچاله دوتایی کلان پرجرم نقش کلیدی در جلوگیری از ادغام احتمالی دارد.
مارتین استیل، مدیر برنامه NSF رصدخانه بین المللی جمینی، گفت: آرشیو داده های رصدخانه بین المللی جمینی حاوی یک معدن طلا از اکتشافات علمی دست نخورده است. اندازه‌گیری جرم این سیاهچاله دوتایی فوق‌جرم نمونه‌ای بارز از تأثیر بالقوه تحقیقات جدید در بررسی این آرشیو غنی است.»
درک چگونگی تشکیل این دوتایی می‌تواند به پیش‌بینی اینکه آیا و چه زمانی ادغام می‌شود کمک کند-سرنخ‌های متعددی نشان می‌دهد که این جفت از ادغام چند کهکشان تشکیل شده است. اول، B2 0402+379 یک "خوشه فسیلی" است، یعنی نتیجه ادغام ستارگان و گاز کل خوشه کهکشانی در یک کهکشان عظیم. علاوه بر این، وجود دو سیاهچاله بسیار پرجرم، همراه با جرم ترکیبی بزرگ آنها، نشان می دهد که آنها از ادغام چندین سیاهچاله کوچکتر از کهکشان های مختلف به وجود آمده اند.
پس از ادغام کهکشانی، سیاهچاله های کلان جرم رو به رو با هم برخورد نمی کنند. در عوض، آنها شروع به پرواز از کنار یکدیگر می کنند و در یک مدار محدود مستقر می شوند. با هر گذر انرژی از سیاهچاله ها به ستاره های اطراف منتقل می شود. با از دست دادن انرژی، این جفت نزدیکتر و نزدیکتر می‌شوند تا زمانی که سال‌های نوری از هم فاصله بگیرند، جایی که تابش گرانشی فرا می‌گیرد و ادغام می‌شوند. این فرآیند مستقیماً در جفت سیاه‌چاله‌هایی با جرم ستاره‌ای مشاهده شده است - اولین نمونه در سال 2015 به لطف تشخیص امواج گرانشی ثبت شد - اما هرگز در سیستم‌های ابرپرجرم دوتایی مشاهده نشده است.
با دانش جدید در مورد جرم بسیار بزرگ این سیستم، تیم به این نتیجه رسیدند که تعداد بسیار زیادی از ستارگان لازم است تا مدار منظومه دوتایی را به اندازه کافی کاهش دهند تا آنها را به هم نزدیکتر کند. در این فرآیند، به نظر می‌رسد سیاه‌چاله‌ها تقریباً تمام مواد اطراف خود را به بیرون پرتاب کرده‌اند و هسته کهکشانی را خالی از ستاره و گاز کرده‌اند. بدون هیچ ماده ای برای کاهش بیشتر مدار این جفت، ادغام آنها در مراحل پایانی خود متوقف شد.
رومانی می‌گوید: «به نظر می‌رسد کهکشان‌هایی با جفت سیاه‌چاله‌های سبک‌تر، ستاره‌ها و جرم کافی برای همگرایی سریع دارند. «از آنجایی که این جفت بسیار سنگین است، برای انجام کار به ستاره و گاز زیادی نیاز دارد. اما دوتایی کهکشان مرکزی را از چنین ماده ای پاک کرد و آن را منجمد و برای مطالعه ما در دسترس گذاشت."
اینکه آیا آنها بر رکود غلبه خواهند کرد و در نهایت طی میلیون ها سال ادغام خواهند شد یا برای همیشه در برزخ مداری باقی خواهند ماند، باید دید. اگر آنها ادغام شوند، امواج گرانشی حاصل 100 میلیون برابر قوی تر از امواج گرانشی حاصل از ادغام سیاهچاله های با جرم ستاره ای خواهند بود.
این احتمال وجود دارد که این جفت از طریق یک ادغام کهکشانی دیگر بر این فاصله نهایی غلبه کند، که مواد اضافی را در منظومه، یا شاید سیاهچاله سوم تنفس کند تا مدار این جفت را به اندازه کافی کاهش دهد تا ادغام شود. با این حال، با توجه به وضعیت B2 0402+379 به عنوان یک خوشه فسیلی، ادغام کهکشانی جدید بعید است.
Tirth Surti، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه استنفورد و نویسنده اصلی مقاله گفت: "ما مشتاقانه منتظر مطالعات بیشتر در مورد هسته B2 0402+379 هستیم، جایی که خواهیم دید چقدر گاز حاوی آن است." این به ما بینش بیشتری در مورد اینکه آیا سیاهچاله های کلان جرم می توانند در طول زمان ادغام شوند یا اینکه به عنوان یک منظومه دوتایی باقی خواهند ماند، به ما می دهد.
همچنین بخوانید: