ستاره‌شناسان سنگین‌ترین جفت سیاه‌چاله‌های کشف شده را اندازه‌گیری می‌کنند

این تیم از داده‌های تلسکوپ Gemini North در هاوایی، نیمی از رصدخانه بین‌المللی جمینی که توسط NOIRLab NSF اداره می‌شود، که توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده تامین مالی می‌شود، برای تجزیه و تحلیل یک سیاه‌چاله دوتایی ابرپرجرم واقع در کهکشان بیضوی B2 0402 +379 استفاده کرد. . این تنها سیاهچاله دودویی بسیار پرجرم است که تا به حال با جزئیات کافی حل شده است تا این دو جرم را جداگانه ببینیم. [2]و دارای رکورد کوچکترین فاصله ای است که تا به حال به طور مستقیم اندازه گیری شده است – فقط 24 سال نوری [3]. اگرچه این جدایی نزدیک یک ادغام قدرتمند را پیش‌بینی می‌کند، مطالعات بیشتر نشان داده است که این جفت در این فاصله بیش از سه میلیارد سال راکد بوده‌اند، که این سوال را مطرح می‌کند. حفظ چیست

برای درک بهتر پویایی این منظومه و ادغام متوقف شده آن، تیم به داده های آرشیوی از طیف نگار چند شیء جمینی نورث (GMOS) که به آنها اجازه می داد سرعت ستارگان نزدیک سیاهچاله ها را تعیین کنند، نگاه کردند. راجر رومانی، استاد فیزیک در دانشگاه استنفورد و یکی از نویسندگان مقاله، می گوید: «حساسیت عالی GMOS به ما این امکان را می دهد که سرعت فزاینده ستارگان را هنگامی که به مرکز کهکشان نزدیکتر نگاه می کنیم، نقشه برداری کنیم. با این کار، ما توانستیم جرم کل سیاهچاله هایی را که در آنجا هستند، استنتاج کنیم.

این تیم تخمین می‌زند که جرم این دوتایی 28 میلیارد برابر جرم خورشید است، که این جفت را به عنوان سنگین‌ترین سیاه‌چاله دوتایی اندازه‌گیری شده می‌داند. این اندازه گیری نه تنها زمینه با ارزشی را برای شکل گیری سیستم دوتایی و تاریخچه کهکشان میزبان آن فراهم می کند، بلکه از این نظریه دیرینه حمایت می کند که جرم یک سیاهچاله دوتایی بسیار پرجرم نقش کلیدی در توقف ادغام احتمالی دارد. [4].

مارتین استیل، مدیر برنامه NSF رصدخانه بین‌المللی جمینی، گفت: «آرشیو داده‌ای که به رصدخانه بین‌المللی جمینی ارائه می‌شود حاوی یک معدن طلا از اکتشافات علمی دست‌نخورده است. اندازه‌گیری‌های جرم برای این سیاه‌چاله دوتایی بسیار پرجرم، نمونه‌ای الهام‌بخش از تأثیر بالقوه یک مطالعه جدید است که این آرشیو غنی را بررسی می‌کند.»

درک اینکه چگونه این اشکال دوتایی می تواند به پیش بینی اینکه آیا و چه زمانی ادغام می شود کمک کند – و چندین سرنخ به شکل گیری این جفت از طریق ادغام چند کهکشانی اشاره می کند. اولین مورد این است که B2 0402+379 یک “خوشه فسیلی” است، به این معنی که نتیجه یک خوشه کهکشانی کامل از ستارگان و گاز است که در یک کهکشان بزرگ منفرد ادغام می شوند. علاوه بر این، وجود دو سیاهچاله بسیار پرجرم، همراه با جرم ترکیبی بزرگ آنها، نشان می دهد که آنها نتیجه ادغام چندین سیاهچاله کوچکتر از چندین کهکشان هستند.

پس از ادغام کهکشانی، سیاهچاله های کلان جرم رو به رو با هم برخورد نمی کنند. در عوض، زمانی که در مداری محدود قرار می گیرند، شروع به عبور از کنار یکدیگر می کنند. با هر پاسی که انجام می دهند، 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 تنها سال‌های نوری از هم فاصله داشته باشند، جایی که تشعشعات گرانشی فرا می‌رسد و آنها با هم ادغام می‌شوند. این فرآیند مستقیماً در جفت سیاهچاله‌هایی با جرم ستاره‌ای مشاهده شده است – اولین مورد ثبت شده در سال 2015 از طریق تشخیص امواج گرانشی بود – اما هرگز در یک سیستم دوتایی از انواع بسیار پرجرم مشاهده نشد.

با دانش جدید از جرم بسیار بزرگ این سیستم، تیم به این نتیجه رسیدند که تعداد بسیار زیادی ستاره برای کاهش سرعت مدار سیستم دوتایی به اندازه کافی برای نزدیک کردن آنها مورد نیاز است. در این فرآیند، به نظر می‌رسد که سیاه‌چاله‌ها تقریباً تمام مواد موجود در مجاورت خود را به بیرون پرتاب کرده‌اند و هسته کهکشانی را خالی از ستاره و گاز کرده‌اند. با توجه به اینکه هیچ ماده دیگری برای کاهش بیشتر مدار این جفت در دسترس نیست، ادغام آنها در مرحله نهایی خود متوقف شده است.

رومانی گفت: «معمولاً، به نظر می رسد کهکشان هایی با جفت سیاهچاله های سبک تر، ستاره و جرم کافی برای جمع آوری سریع آنها دارند. “از آنجایی که این جفت بسیار سنگین است، برای انجام کار به ستاره ها و گاز زیادی نیاز داشت. اما سیستم دوتایی کهکشان مرکزی را از چنین ماده ای پاک کرده است و آن را ساکت و در دسترس برای مطالعه ما گذاشته است.

این که آیا این جفت بر سکون خود غلبه خواهند کرد و در نهایت در مقیاس های زمانی میلیون ها سال ادغام خواهند شد یا برای همیشه در برزخ مداری باقی خواهند ماند، هنوز مشخص نیست. اگر آنها ادغام شوند، امواج گرانشی حاصل صد میلیون برابر قدرتمندتر از امواج گرانشی حاصل از ادغام سیاهچاله های با جرم ستاره ای خواهند بود. این احتمال وجود دارد که این جفت بتواند این فاصله نهایی را از طریق ادغام کهکشانی دیگر فتح کند، که به سیستم مواد اضافی یا احتمالاً یک سیاهچاله سوم تزریق می کند تا مدار این جفت را به اندازه کافی کاهش دهد تا آنها ادغام شوند. با این حال، با توجه به وضعیت B2 0402+379 به عنوان یک خوشه فسیلی، ادغام کهکشانی دیگری بعید است.

Tirth Surti، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه استنفورد و نویسنده اصلی مقاله، گفت: “ما مشتاقانه منتظر مطالعات بعدی هسته B2 0402+379 هستیم، جایی که خواهیم دید چقدر گاز وجود دارد.” “این باید بینش بیشتری به ما بدهد که آیا سیاهچاله های کلان جرم در نهایت ممکن است ادغام شوند یا اینکه آنها به عنوان یک سیستم دوتایی گیر کرده اند.”

یادداشت

[1] اگرچه شواهدی از سیاهچاله های کلان جرم وجود دارد که در فاصله چند سال نوری از یکدیگر قرار دارند، به نظر می رسد هیچ کدام نتوانسته اند بر این فاصله بسیار زیاد غلبه کنند. این سوال که آیا چنین رویدادی ممکن است به عنوان آخرین مشکل پارسک شناخته می شود و برای دهه ها موضوع بحث در بین ستاره شناسان بوده است.

[2] مشاهدات قبلی از کهکشان‌های حاوی دو سیاه‌چاله بسیار پرجرم انجام شده بود، اما در این موارد هزاران سال نوری از هم فاصله داشتند – بسیار دور از آن‌که در مداری محدود با یکدیگر مانند سیستم دوتایی موجود در B2 0402+379 قرار بگیرند.

[3] منابع دیگری با نیروی سیاهچاله در فواصل ممکن کوچکتر وجود دارد، اگرچه این منابع توسط مشاهدات غیرمستقیم ساخته شده اند و بنابراین بهترین آنها را به عنوان دوتایی نامزد طبقه بندی می کنند.

[4] این نظریه اولین بار در سال 1980 توسط بگلمن و همکاران مطرح شد. و مدتهاست که بر اساس دهه ها رصد مراکز کهکشانی گفته می شود که به وجود آمده است.