نزدیک‌ترین سیاه‌چاله به زمین
خبرهای مربوط به سیاه‌چاله‌ها همواره هیجان‌انگیز بوده‌اند. به ویژه اگر ادعا شود نزدیک‌ترین سیاه‌چاله به زمین کشف شده است. به تازگی (در آبان 1401) گروهی از اخترشناسان با رصدهای انجام شده توسط ماهواره گایا و تلسکوپ بسیار بزرگ جِمِنای شمال توانسته‌اند نزدیک‌ترین سیاه‌چاله‌ی جرم‌اختری به زمین را بجویند.
نزدیک‌ترین سیاه‌چاله: Gaia BH1
تصورش را بکنیم ستاره‌ای همچون خورشید خودمان در فاصله 1560 سال نوری از ما قرار دارد و سیاه‌چاله‌ای را در کنار خودش دارد. نمی‌توان گفت میزبانش است، چرا که جرم سیاه‌چاله به مراتب از آن بیشتر است و این ستاره است که به دور آن در گردش است.
صحبت از ستاره‌ی دوگانه‌ایست که یکی از همدم‌ها، سیاه‌چاله‌ایست خفته و خاموش. همدم دیگر هم ستاره‌ای است خورشیدسان. مثل هر سامانه‌ی دوگانه‌ی دیگر، هر دو در حال گردش به دور مرکزجرم مشترکشان هستند. اما چون سیاه‌چاله سنگین‌تر از ستاره است، به مرکز گردش‌شان هم نزدیک‌تر است.
این سیاه‌چاله را با Gaia BH1 نام‌گذاری کرده‌اند چرا که اولین سیاه‌چاله‌ای است که از روی داده‌های به دست آمده توسط ماهواره گایا کشف شده است. آن به همراه ستاره‌ی همدمش در صورت فلکی مارافسای قرار دارند. مارافسای در شمال صورت فلکی معروف عقرب قرار دارد.
جرم آن حدود 10 برابر جرم خورشید است و بنابراین 10 مرتبه از ستاره‌ی همدمش سنگین‌تر است. همین باعث می‌شود که سیاه‌چاله تا مرکز جرم حدود ده برابر نزدیک‌تر از ستاره باشد. این دو هر 186 روز یک‌بار به دور هم می‌گردند.
ستاره‌ی بسیار شبیه خورشید است، هم از نظر اندازه و جرم و هم دما. بنابراین نیکوست که آن‌را ستاره‌ای خورشیدسان بدانیم. این ستاره از آن جهت که در فاصله بسیار دوری از ما قرار دارد بسیار کم‌نور است. قدر ظاهری‌اش 13.77 است و با تلسکوپ‌های آماتوری متوسط قابل دیدن نیست.
سیاه‌چاله‌های جرم‌اختری و جُستن آن‌ها
سیاه‌چاله‌هایی که تاکنون در کهکشان راه‌شیری کشف شده‌اند (به غیر از آن سیاه‌چاله‌ی ابرسنگین مرکز کهکشان) آن‌هایی بوده‌اند که به سیاه‌چاله‌های جرم‌اختری (Stellar-Mass Black Hole) معروف هستند. این نام‌گذاری از آن‌جهت است که این دست سیاه‌چاله‌ها آخرین بازمانده و مرحله از یک ستاره‌ی بسیار سنگین است. چنین ستاره‌هایی که بیش از 20 یا 25 برابر خورشید جرم دارند، در پایان عمرشان با یک انفجار مهیب ابرنواختری، متلاشی شده و باقی‌مانده‌ی احتمالی از آن‌ها یک سیاه‌چاله خواهد بود.
چنین سیاه‌چاله‌هایی اگر تک و تنها در فضا باشند، یافتن آن‌ها بسیار مشکل خواهد بود. اما اگر در یک سامانه‌ی ستاره‌ای دوگانه یا چندگانه باشد، خیلی آسان‌تر می‌توان حضورش را متوجه شد.
اگر ستاره‌ای که همدم یک سیاه‌چاله است، به قدر کافی به آن نزدیک باشد که نیروی گرانش سیاه‌چاله بتواند گازهای آن را به سمت خودش جذب کند، آنوقت این گازها در یک مسیر مارپیچی به سوی سیاه‌چاله جذب خواهند شد. این مسیر مارپیچی به صورت یک قرص گاز بسیار داغ در اطراف آن خواهد بود که به آن قرص برافزایشی می‌گویند.
این گازها چون قبل از ورود به مرز سیاه‌چاله بسیار داغ شده‌اند، از خود تابش‌های پرتوی ایکس قدرتمندی تابش می‌کنند. ستاره‌شناس‌ها با رصد چنین چشمه‌های پرتوی ایکس می‌توانند به حضور احتمالی سیاه‌چاله در کنار یک ستاره پی‌ببرند. علاوه بر پرتوهای ایکس، جت‌های فورانی از گاز داغ و پرتوهای پرانرژی هم از دو قطب اطراف سیاه‌چاله به فضا پرتاب می‌شوند؛ که فعلن به آن نمی‌پردازیم.
در واقع سیاه‌چاله‌های جرم‌اختری‌ای که تاکنون در راه‌شیری کشف شده‌اند، از این نوع بوده‌اند. معروف‌ترین آن‌ها چشمه پرتو ایکس دجاجه ایکس1 (Cygnus-X1) است که اولین سیاه‌چاله‌ی احتمالی کشف شده بود و الان دیگر به سیاه‌چاله بودنش اطمینان یافته‌ایم.
اما اگر در سامانه‌ی دوگانه، فاصله ستاره از سیاه‌چاله به قدری زیاد باشد که گازهای ستاره از دست جاذبه گرانش در امان بماند، آنوقت با یک سیاه‌چاله‌ی خاموشی مواجه هستیم که پرتوهای ایکسی از اطرافش تابش نمی‌شود. از چنین سیاه‌چاله‌های خاموش به جز آثار گرانشی‌ای که بر همدم خودش وارد می‌کند، هیچ ردپای دیگری در دست نخواهیم داشت.
تاکنون از این دست سیاه‌چاله‌ها کشف نشده بود. سال 2020 یک مورد در ستاره دوگانه HR 6819 حدس زده شد که در رصدهای دقیق‌تر بعدی وجود آن رد شد. از طرفی ستاره‌شناس‌ها بر این باورند که حدود صد میلیون سیاه‌چاله‌ی جرم‌اختری در کهکشان راه‌شیری وجود دارند؛ اما به علت مشکلات شکار آن‌ها از دید ما پنهان هستند.
بگذارید این نکته را به یادآوریم که کشف یا شکار سیاه‌چاله‌ها در کیهان، به همین راحتی نیست. زیرا سیاه‌چاله جسمی است که هیچ چیزی از آن خارج نمی‌شود، نه نوری و نه ذره‌ای! تنها راه آشکارسازی (بهتر بگوییم: شکار) آن‌ها اثرهایی است که این موجودات عجیب و غریب بر محیط پیرامون خود می‌گذراند. که آن‌ها را بیان کردیم.
اگر بتوانیم ستاره‌ای تک و تنها را در فضا بجوییم که دارای حرکت‌های تناوبی بسیار ریزی سرجای خودش باشد، و در نزدیکی آن ستاره، نه اثری از سیاره باشد و نه ستاره‌ای همدم، می‌توان احتمال داد که این جنبش یا تکان‌خوردن ستاره در مکانش، زیر سر یک سیاه‌چاله‌ی ناپیداست.
البته اگر در رصدهای چنین ستاره‌ای به این مرحله برسیم، فقط می‌توانیم احتمال حضور سیاه‌چاله را مطرح کنیم. باید جرم آن و برخی مشخصات دیگرش را هم از طریق رصد به دست آوریم تا بتوانیم به حضور سیاه‌چاله اطمینان یابیم.
مثلن اگر جرم آن جسم ناپیدای نزدیک ستاره، کم باشد، برای نمونه در حدود جرم خورشید یا دو، سه برابر آن، بی‌گمان سیاه‌چاله‌ای در کار نخواهد بود.
اگر دقت کرده‌باشید، تا این‌جا فقط از سیاه‌چاله‌هایی صحبت کردیم که همدم یک ستاره در یک سامانه‌ی دوگانه بودند. اما اگر سیاه‌چاله‌ای تنها در فضا باشد، چگونه قابل شناسایی است؟ این‌جا باید گفت که یافتن آن دیگر خیلی خیلی مشکل خواهد بود. براساس آن‌چه تاکنون از شناخت کیهان یافته‌ایم، تنها راه برای جستن چنین سیاه‌چاله‌هایی آن است که برحسب اتفاق از مقابل یک ستاره دوردست عبور کند، در همان لحظه‌ها هم ما از روی زمین توسط تلسکوپ‌هایمان ازش عکس گرفته باشیم تا به علت اثر عدسی گرانشی، پی به حضور با سعادتش ببریم.
چگونه نزدیک‌ترین سیاه‌چاله کشف شد؟
مقدمه‌مان کمی طولانی شد و بهتر است به سراغ اصل موضوع یعنی نزدیک‌ترین سیاه‌چاله‌ی کشف شده به زمین برویم. در واقع این مقدمه‌ها بی‌ربط هم نبودند؛ چرا که برای سیاه‌چاله‌ی Gaia BH1 این مراحل گذشته است تا به وجود آن اطمینان یافته‌اند. البته خیلی‌ها همچنان از آن به عنوان یک سیاه‌چاله‌ی محتمل نام می‌برند.
شاید به علت آن تجربه‌ی رد شدن کشف نزدیک‌ترین سیاه‌چاله در فاصله 1000 سال نوری که ماجرای آن را در مطلب قبلی گفته‌ایم؛ مردم سعی می‌کنند با احتیاط بیشتری از آن نام برند.
هنگامی که در تابستان 1401 سری دیگری از داده‌های رصدی ماهواره‌ی گایا منتشر شد (Gaia DR3 Catalogue) و مشخصات اخترسنجی تعداد زیادی ستاره‌ی دیگر در اختیار منجمین قرار گرفت، گروهی از اخترشناسان در آن‌ها به دنبال ردپای ستاره‌های وول‌خورنده (جنبنده) گشتند.
در این فهرست، نزدیک به 170 هزار ستاره‌ی وول‌خورنده ثبت شده است که بیشتر آن‌ها دوگانه‌های معمولی هستند که ستاره‌ی همدم‌شان خیلی کم‌نور است یا از نوع کوتوله‌ها هستند. اما در این بین تعدادی هم هستند که می‌توانند شامل سیاه‌چاله‌ای احتمالی باشند.
این گروه اخترشناسان به سرپرستی کریم البدری (Kareem El-Badry اخترفیزیکدان مرکز هاروارد و عضو مؤسسه ستاره‌شناسی ماکس پلانک) توانستند موردی را در صورت‌فلکی مارافسای بیابند که به بررسی‌های دقیقتری نیاز داشت. برای کاوش دقیق این ستاره، به سراغ تلسکوپ جِمِنای شمال (Gemini North) رفتند که از دقت بالای طیف‌نگار آن در کنار سرعت عمل بالای تلسکوپ و ابزارگانش استفاده کنند تا بتوانند مشخصات مداری این ستاره و همدم ناپیدایش را با دقت بالایی به دست آورند.
به گفته‌ی کریم البدری، زمانی که آن‌ها متوجه حضور احتمالی یک سیاه‌چاله در کنار آن ستاره شدند، فقط یک هفته فرصت داشتند تا بتوانند اطلاعات مداری آن‌ها را هنگامی که دو جسم به حضیض مداری خود می‌رسند به دست آورند. اگر این زمان را از دست می‌دادند، باید منتظر می‌ماندند تا دوباره آن‌دو به کمترین فاصله از هم برسند.
خود من هم براساس گفته‌ی ایشان تازه این موضوع را متوجه شدم که رصد دوگانه‌ها به هنگام قرارگیری در نزدیک‌ترین فاصله‌شان (حضیض) برای تعیین دقیق جرم آن‌ها بسیار ضروری است. اگر این زمان را از دست دهند باید منتظر بمانند تا دوباره در این وضعیت آن‌ها را رصد کنند.
نتیجه‌های رصدی و مدل‌سازی‌های تحلیلی البدری و گروهش این بود که ستاره‌ای با جرم نزدیک به جرم خورشید در فاصله‌ای حدود یک واحد نجومی از جسمی ناپیدا که جرمش حدود 10 برابر خورشید است در گردش به دور هم هستند. دوره گردش آن‌دو حدود 186 روز به دست آمده و فاصله‌شان از زمین 1570 سال نوری است.
البدری بیان می‌کند شواهد و مدل‌سازی‌ها به ما نشان می‌دهد که برای آن جسم ناپیدا، هیچ گزینه‌ی دیگری به جز یک سیاه‌چاله نیافته‌ایم و از این رو اطمینان دارند که سیاه‌چاله‌ای جرم‌اختری را در نزدیک‌ترین فاصله تا زمین کشف کرده‌اند.
البته نباید غافل بود که ایشان چهار سال است با تحقیق در بین ستاره‌های دوگانه در جستجو یافتن چنین سیاه‌چاله‌ای است، و تجربه و رصدهای فراوانی در این زمینه با گروه‌های مختلف انجام داده است.
چالش‌های سیاه‌چاله‌ی Gaia BH1
اما این کشف به همین‌جا و به قشنگی جستنِ نزدیک‌ترین سیاه‌چاله‌ی جرم‌اختری به زمین پایان نمی‌یابد. بلکه پرسش‌هایی در این سامانه وجود دارد که ذهن اخترشناسان را به خود مشغول کرده است.
ستاره‌شناسان براساس مشاهداتی که تاکنون داشته و مدل‌سازی‌هایی که کرده‌اند، سازوکارهای پذیرفته شده‌ای را برای شکل‌گیری و تحول ستاره‌های دوگانه به دست آورده و پذیرفته‌اند.
حال در این دوگانه‌ی ستاره ـ سیاه‌چاله‌ی Gaia BH1 مواردی وجود دارد که آن دانسته‌ها و مدل‌ها را به چالش می‌کشد.
مدل‌سازی‌های تحلیلی البدری و همکارانش نشان می‌دهد ستاره‌ای که در پایان عمرش به این سیاه‌چاله تبدیل شده است، حداقل باید 20 برابر خورشید جرم داشته باشد. چنین ستاره‌ای عمری بسیار کوتاه در حد چند میلیون سال داشته و پس از یک انفجار ابرنواختری مهیب، آن‌چه از آن باقی‌مانده این سیاه‌چاله است.
اگر این دو ستاره‌ی اولیه همزمان در این سامانه متولد شده باشند، ستاره‌ی سنگین‌تر به سرعت متحول شده و طی چند میلیون سال اول به یک ابرغول تبدیل شده و درنهایت با انفجار ابرنواختری به پایان عمرش رسیده است. اما مشکل این‌جاست که چگونه همدم خورشیدسان آن توانسته از این ابرغول شدن همسایه‌ی به این نزدیکی جان سالم به‌در برد!
به عبارتی در زمانی که ستاره‌ی خورشیدسان همدم، هنوز به یک ستاره‌ی بالغ ِ هیدروژن‌سوز تبدیل نشده بود، آن دیگری به ابرغول بسیار بزرگی تبدیل شده که آن را در خود می‌پوشانده است. چالش مهم این است که چگونه آن پیش‌ستاره‌ی کوچک توانسته از این مرحله به سلامت گذر کند.
البدری و همکارانش عقیده دارند که وجود این سامانه‌ی دوگانه نشان می‌دهد که شکاف مهمی در درک ما از چگونگی شکل‌گیری و دگرگونی چنین سامانه‌های دوگانه‌ای وجود دارد.
ممکن است این دو از دو زادگاه متفاوت و در دوره‌های زمانی مختلفی متولد شده باشند و در اثر گیراندازی در کنار هم قرار گرفته‌اند، ممکن هم هست سازوکاری ناشناخته باعث پایداری آن‌ها در کنار هم شده باشد که ما اکنون از آن ناآگاهیم. هرچه باشد امید داریم که در آینده با رصدها و کاوش‌های دیگر در گوشه کنار این کیهان بی‌انتها پاسخ این سوال‌ها به دستمان خواهد رسید.
پی‌نوشت: گروهی دیگر از اخترشناسان به صورت مستقل همین سیاه‌چاله و ستاره‌ی همراهش را با ابزار و روش‌هایی دیگر مطالعه و بررسی کرده‌اند. اطلاعاتی که ایشان از مشخصات سیاه‌چاله به دست آورده‌اند، اندک تفاوتی با یافته‌های البدری و همکارانش دارد. اما این گروه هم بیان می‌کنند که یک سیاه‌چاله‌ی محتمل در این سامانه‌ی دوگانه وجود دارد.
نویسنده: محمد همایونی
7 آذر 1401
