اعتقاد بر این است که سیاهچاله های کلان جرم در مراکز تقریباً همه کهکشان های بزرگ وجود دارند. این اجرام عظیم می توانند میلیون ها یا حتی میلیاردها بار بیشتر از خورشید وزن داشته باشند، اما دانشمندان هنوز به طور کامل درک نمی کنند که چگونه آنها به چنین اندازه های خارق العاده ای رشد می کنند. جذب (انباشته شدن) گاز از محیط اطرافشان یکی از راه های بدست آوردن جرم است، اگرچه این فرآیند به تنهایی ممکن است برای توضیح بزرگترین نمونه ها بسیار کند باشد. ادغام با دیگر سیاهچاله های عظیم ممکن است توضیح گمشده را ارائه دهد.
برخورد کهکشان ها در کیهان رایج است و این احتمال را ایجاد می کند که سیاهچاله های مرکزی آنها نیز در نهایت به هم نزدیک شوند. با ادغام دو کهکشان، انتظار می‌رود که سیاهچالههای آنها به هم نزدیک‌تر شوند، شروع به چرخش به دور یکدیگر کنند و به تدریج به سمت داخل مارپیچی شوند تا زمانی که در یک جرم واحد ترکیب شوند.
علیرغم این انتظار، دانشمندان هنوز در حال تلاش برای مدل سازی مراحل نهایی این ادغام هستند. گیج‌کننده‌تر این است که اخترشناسان به‌رغم شواهد فراوان از برخورد کهکشان‌ها، یک جفت سیاهچاله کلان پرجرم را که به دور هم بسیار نزدیک به هم می‌چرخند، شناسایی نکرده‌اند.
جت دوم یک سیاهچاله پنهان را نشان می دهد
یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به سرپرستی سیلک بریتزن از موسسه ماکس پلانک برای نجوم رادیویی (MPIfR) در بن، اکنون شواهد رصدی مستقیمی پیدا کرده‌اند که نشان می‌دهد چنین جفتی در مرکز کهکشان Mrk 501 وجود دارد. یافته‌ها برای انتشار پذیرفته شده است اعلامیه های ماهانه انجمن سلطنتی نجوم و قرار است در شماره آینده ظاهر شوند.
ستاره‌شناسان مدت‌هاست می‌دانستند که سیاهچاله مرکزی در Mrk 501 جت شدیدی از ذرات تولید می‌کند که تقریباً با سرعت نور به فضا پرتاب می‌شود. این جت‌ها از شرایط شدید اطراف سیاهچالهها به وجود می‌آیند، جایی که میدان‌های مغناطیسی قدرتمند به سرعت بخشیدن به مواد به بیرون کمک می‌کنند.
برای مطالعه این سیستم، محققان مشاهدات رادیویی دقیق جمع‌آوری شده در فرکانس‌های چندگانه را در ده‌ها روز جداگانه در طول تقریباً 23 سال بررسی کردند. مجموعه داده های گسترده چیزی قابل توجه را نشان داد: در کنار هواپیمای آشنا، هواپیمای دومی وجود داشت که حرکت آن نیز قابل ردیابی بود.
مشاهدات آنچه را که محققان به عنوان اولین شواهد تصویربرداری مستقیم از چنین سیستمی در مرکز یک کهکشان توصیف می‌کنند، ارائه می‌کند که قویاً نشان می‌دهد که دومین سیاهچاله بزرگ وجود دارد. با این حال، خود سیاهچالهها در آسمان بسیار نزدیک به هم باقی می‌مانند و نمی‌توان آنها را به صورت جداگانه حل کرد.
سیلک بریتسن می‌گوید: «ما مدت‌ها به دنبال آن بودیم و بعد از آن کاملاً غافلگیرکننده بود که ما نه تنها توانستیم هواپیمای دوم را ببینیم، بلکه حتی حرکت آن را ردیابی کردیم.
دو سیاهچاله بسیار پرجرم در یک رقص کیهانی
جت قبلاً شناخته شده به سمت زمین هدایت می شود و باعث می شود که بسیار درخشان به نظر برسد و مشاهده آن نسبتاً آسان باشد. جت تازه کشف شده به جهت دیگری اشاره می کند، که به توضیح اینکه چرا برای مدت طولانی پنهان مانده بود کمک می کند.
تنها در چند هفته رصد، اخترشناسان متوجه تغییرات شگرفی در موقعیت جت دوم شدند. به نظر می رسد که از پشت سیاهچاله بزرگتر بیرون آمده و در خلاف جهت عقربه های ساعت به دور آن می چرخد. این حرکت تکرار شد و نشان داد که کل سیستم در حال حرکت مداری منظم است.
سیلک بریتسن توضیح می‌دهد: “ارزیابی داده‌ها مانند قرار گرفتن در یک کشتی است. کل سیستم جت در حرکت است. سیستمی متشکل از دو سیاهچاله می‌تواند این را توضیح دهد: صفحه مداری در حال تکان است.”
محققان همچنین یک رویداد غیرمعمول را در ژوئن 2022 شناسایی کردند که در آن تابش از منظومه به نظر می رسید که حلقه ای را تشکیل می دهد. این پدیده که به عنوان حلقه انیشتین شناخته می شود، زمانی رخ می دهد که گرانش نور را به گونه ای خم می کند که ظاهر یک حلقه را ایجاد می کند.
یک توضیح احتمالی این است که دو سیاهچاله و زمین برای مدت کوتاهی به روش درستی در یک راستا قرار گرفتند. در این پیکربندی، گرانش سیاهچاله پیش‌زمینه می‌تواند به عنوان یک عدسی عمل کند و نور جت دوم پشت آن را خم کند. این اثر که عدسی گرانشی نام دارد، سرنخ بالقوه دیگری از ماهیت سیستم ارائه می دهد.
دو سیاهچاله پس از 100 سال می توانند ادغام شوند
با بررسی تغییرات در جت ها و تکرار الگوهای روشنایی آنها، تیم محاسبه کرد که به نظر می رسد این دو سیاهچاله تقریباً هر 121 روز یک بار به دور یکدیگر می چرخند.
فاصله تقریبی آنها تنها 250 تا 540 برابر فاصله زمین و خورشید است. در حالی که این ممکن است بزرگ به نظر برسد، اما برای اجرام با جرمی بین 100 میلیون تا یک میلیارد برابر خورشید ما بسیار کوچک است.
چنین مدار باریکی می تواند عواقب چشمگیری داشته باشد. بسته به جرم واقعی سیاهچاله ها، جدایی آنها ممکن است آنقدر سریع کوچک شود که پس از 100 سال ادغام شوند.
این یک شمارش معکوس بسیار کوتاه بر اساس استانداردهای نجومی خواهد بود و به طور بالقوه فرصتی منحصر به فرد به محققان می دهد تا بررسی کنند که چگونه سیاهچاله های کلان جرم به برخورد نهایی خود نزدیک می شوند.
امواج گرانشی می توانند یک ادغام نزدیک را آشکار کنند
متأسفانه، Mrk 501 به قدری دور است که حتی قدرتمندترین ابزارهای امروزی نیز نمی توانند دو سیاهچاله را به عنوان اجرام مجزا تشخیص دهند. تلسکوپ افق رویداد (EHT) که اولین تصاویر از سیاهچاله ها را در سال های 2019 و 2022 گرفت، همچنین فاقد وضوح مورد نیاز برای ثبت این جفت خاص به صورت جداگانه است.
در نتیجه، اخترشناسان نمی توانند مستقیماً فاصله انقباض بین سیاهچاله ها را مشاهده کنند. با این حال، روش دیگری ممکن است رویکرد آنها را آشکار کند.
همانطور که اجرام عظیم به دور یکدیگر می چرخند، امواج گرانشی ایجاد می کنند، اعوجاج های کوچکی در فضازمان که به سمت بیرون در جهان حرکت می کنند. جفت سیاهچاله پیشنهادی در Mrk 501 باید امواج گرانشی بسیار کم فرکانس تولید کند که با استفاده از آرایه‌های زمان‌بندی تپ‌اختر (PTAs) قابل شناسایی باشد.
این آرایه‌ها از پالس‌های رادیویی منظم و قابل‌توجهی استفاده می‌کنند که توسط ستاره‌های نوترونی که به سرعت در حال چرخش هستند، به عنوان ساعت‌های کیهانی دقیق شناخته می‌شوند. با اندازه گیری تغییرات ظریف هنگام رسیدن این پالس ها به زمین، دانشمندان می توانند به دنبال تأثیر امواج گرانشی عبوری باشند.
سیاهچالههای دوتایی ابرپرجرم (SMBHBs) اکنون به عنوان توضیح اصلی برای پس‌زمینه موج گرانشی در نظر گرفته می‌شوند، سیگنالی پایدار که گمان می‌رود از منابع بسیار دور در جهان ناشی می‌شود. در سال 2023، آرایه زمان بندی تپ اختر اروپایی و سایر همکاری های تحقیقاتی شواهدی برای این پیشینه گزارش کردند.
کشف در Mrk 501 اکنون کهکشان را به یک هدف بسیار امیدوارکننده برای پیوند سیگنال موج گرانشی به یک جفت مجزا از سیاهچاله های کلان پرجرم تبدیل می کند.
چنین کشفی می تواند بیش از تایید وجود سیستم باشد. این می تواند به دانشمندان اجازه دهد تا چگونگی تکامل مدار این جفت را اندازه گیری کنند و تعیین کنند که آیا سیاهچاله ها به ادغام نهایی خود نزدیک می شوند یا خیر.
هکتور اولیوارس، نویسنده همکار، خاطرنشان می کند: «اگر امواج گرانشی شناسایی شوند، حتی ممکن است شاهد افزایش پیوسته فرکانس آنها با کاهش سرعت دو غول به سمت برخورد باشیم، که شانس نادری را برای مشاهده ادغام یک سیاهچاله بسیار پرجرم ارائه می دهد.
