ستاره شناسان یک قانون جهانی عجیب را در پس فوران های سیاه چاله کشف کردند

ستاره شناسان قانون شگفت انگیزی را کشف کرده اند که به نظر می رسد تعیین می کند که سیاهچاله ها چه زمانی فواره های قدرتمند مواد را به فضا پرتاب می کنند. اگرچه سیاهچاله ها می توانند میلیون ها بار از نظر جرم متفاوت باشند، اما محققان دریافتند که به نظر می رسد در هنگام تولید این جریان های عظیم کیهانی از همان الگوی اساسی پیروی می کنند.

این کشف که در Nature Astronomy منتشر شده است، نشان می دهد که سیاهچاله ها می توانند جت های خود را در همان مرحله بحرانی چرخه تغذیه خود فعال کنند، چه وزن آنها تقریبا 10 برابر خورشید باشد یا میلیون ها بار بیشتر.

این تحقیق توسط دکتر آدل گودوین، اخترفیزیکدان در مرکز بین المللی تحقیقات نجوم رادیویی دانشگاه کرتین (ICRAR) و یکی از همکاران بنیاد تحقیقات فارست، در کنار دکتر اندرو مومری از مؤسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، رهبری شد.

این پیشرفت از سال‌ها مطالعه روی رویدادهای غیرعادی که در آن سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم ستاره‌ها را پاره می‌کنند، پدیدار شد. دانشمندان با ترکیب مشاهدات تلسکوپ‌ها در استرالیا، ایالات متحده، هند، آفریقای جنوبی و فضا، تصویر واضح‌تری از نحوه رفتار سیاه‌چاله‌ها در هنگام مصرف ماده به دست آوردند.

با کمال تعجب، این بینش حیاتی هنگام بررسی یک تلسکوپ به دست نیامد. این در یک بار در مادرید اتفاق افتاد، جایی که گودوین و مومری در یک کنفرانس علمی شرکت می کردند. در طی یک مکالمه، آنها متوجه شدند که همان قاعده ای که بر تشکیل جت در سیاهچاله های نسبتا کوچک حاکم است، به نظر می رسد در مورد همتایان پرجرم آنها نیز صدق می کند.

چرا برخی از سیاهچاله ها سال ها پس از بلعیدن ستاره ها فوران می کنند؟

یکی از بزرگترین معماهایی که محققان می خواستند توضیح دهند این بود که چرا سیاهچاله ها همیشه جت ها را همزمان پرتاب نمی کنند.

هنگامی که یک سیاهچاله بسیار پرجرم ستاره ای را می شکافد، گاهی اوقات فورا یک جت قدرتمند تولید می کند. در موارد دیگر، سیاه‌چاله برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها قبل از تولید ناگهانی جریان رادیویی قابل تشخیص، نسبتا ساکت به نظر می‌رسد.

دکتر گودوین گفت: «ما به این رویدادها نگاه می‌کردیم و می‌پرسیدیم که چرا زمان آنقدر متفاوت است.

"سپس این الگو مشخص شد. جت های تاخیری زمانی ظاهر می شدند که نرخ تغذیه سیاهچاله به همان نقطه بحرانی که قبلا از سیاهچاله های بسیار کوچکتر شناخته شده بود کاهش یافت.

در آن لحظه متوجه شدیم که این فقط یک نوع سیاهچاله نیست، بلکه به نظر قانونی است که در سراسر جهان اعمال می شود.

اگرچه سیاهچاله ها اغلب به عنوان جاروبرقی کیهانی به تصویر کشیده می شوند که هر چیزی را در نزدیکی خود می بلعند، رفتار تغذیه آنها بسیار پیچیده تر است.

وقتی مواد به سمت یک سیاهچاله حرکت می کنند، لزوما همه آنها در فراسوی افق رویداد ناپدید نمی شوند، گذشته مرزی که هیچ چیز نمی تواند از آن فرار کند. در عوض می توان برخی از مواد را از طریق جت های قدرتمند و سایر جریان های خروجی به فضا پرتاب کرد.

دکتر گودوین می‌گوید: «وقتی یک سیاه‌چاله ستاره‌ای را پاره می‌کند، همه چیز را درست نمی‌بلعد».

«برخی از مواد مصرف می‌شود و برخی با جت‌ها و جریان‌های خروجی قدرتمند به فضا پرتاب می‌شوند.

"شما می توانید آن را به عنوان یک آروغ سیاه چاله در نظر بگیرید، با این تفاوت که این آروغ ها می توانند مواد را در فواصل بسیار زیاد منفجر کنند و بر کهکشان های اطراف خود تأثیر بگذارند."

این جریان‌های عظیم می‌توانند انرژی و ماده را از سیاهچاله دور کنند و به طور بالقوه بر کهکشان اطراف تأثیر بگذارند.

چگونه دانشمندان سیاهچاله های بزرگ را در عمل مطالعه کردند

ستاره‌شناسان مدت‌ها گمان می‌کردند که سیاه‌چاله‌ها بدون توجه به جرمشان، طبق قوانین فیزیکی زیربنایی یکسانی عمل می‌کنند. با این حال، نشان دادن این ارتباط دشوار بوده است.

یکی از موانع مهم زمان است. رفتار تغذیه یک سیاهچاله بسیار پرجرم می تواند در طول هزاران سال تغییر کند و تماشای یک چرخه کامل را برای ستاره شناسان تقریبا غیرممکن می کند.

گودوین و همکارانش با بررسی رویدادهای نادری که به عنوان رویدادهای مختل جزر و مد شناخته می شوند، با این مشکل مقابله کردند.

اینها زمانی اتفاق می‌افتند که ستاره‌ای از نزدیکی یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم عبور می‌کند و چنان نیروهای گرانشی شدیدی را تجربه می‌کند که از هم جدا می‌شود. برخی از زباله های حاصل به سمت سیاهچاله می ریزند و به طور موقت فعالیت تغذیه آن را افزایش می دهند.

برخلاف تغییرات بسیار طولانی‌تری که معمولا با سیاه‌چاله‌های کلان جرم مرتبط است، این اپیزودهای دراماتیک می‌توانند تنها طی چند سال پخش شوند. این به دانشمندان فرصتی غیرمعمول می دهد تا چگونگی واکنش یک سیاهچاله غول پیکر را با تغییر ذخایر مواد آن ردیابی کنند.

این تیم در ابتدا 20 رویداد اختلال جزر و مدی را با استفاده از مشاهدات جمع آوری شده در نور مرئی، فرابنفش، اشعه ایکس و طول موج های رادیویی مورد بررسی قرار دادند. سپس آن‌ها 10 رویداد را انتخاب کردند که داده‌های موجود به آن‌ها اجازه می‌داد تا به طور قابل اعتمادی هم نرخ مصرف ماده سیاه‌چاله و هم زمان خروج رادیویی آن را تخمین بزنند.

با مقایسه این رویدادها، محققان یک الگوی قابل توجه سازگار را شناسایی کردند.

مشاهدات دو مرحله مجزا را نشان داد که طی آن سیاهچاله ها می توانند فواره تولید کنند.

اولین مورد در اوایل فرآیند تغذیه رخ می دهد، زمانی که سیاهچاله ماده را با سرعت فوق العاده بالایی مصرف می کند.

دومی ممکن است خیلی دیرتر اتفاق بیفتد، صدها یا حتی هزاران روز پس از نابودی اولیه ستاره.

در طول این فاز تاخیری، هنگامی که نرخ تغذیه سیاهچاله به حدود 2% از حد Eddington کاهش می یابد، فواره ها ظاهر می شوند.

حد ادینگتون یک معیار نظری است که نقطه‌ای را توصیف می‌کند که در آن فشار بیرونی تولید شده توسط تشعشع، کشش گرانش به سمت داخل را متعادل می‌کند. ستاره شناسان از آن برای اندازه گیری شدت تغذیه یک سیاهچاله نسبت به محدودیت فیزیکی مشخص استفاده می کنند.

چیزی که این یافته را به ویژه قابل توجه می کند این است که همان آستانه 2 درصد قبلا با تشکیل جت در سیاهچاله های بسیار کوچکتر در کهکشان راه شیری ما مرتبط بوده است.

به عبارت دیگر، سیاهچاله‌هایی که با تفاوت‌های عظیم در جرم از هم جدا شده‌اند، ظاهرا جت‌های تاخیری را با سرعت تغذیه نسبی یکسان فعال می‌کنند.

دکتر گودوین گفت: «این سیاهچاله‌ها با تفاوت‌های عظیم جرم از هم جدا می‌شوند، اما به نظر می‌رسد که جت‌های خود را در همان نقطه در فرآیند تغذیه روشن می‌کنند.»

این به ما چیزی اساسی در مورد سیاهچاله ها می گوید: به نظر نمی رسد فیزیک به بزرگی آنها اهمیت دهد.

این یافته توضیحی بالقوه برای یک مشاهده گیج کننده ارائه می دهد. برخی از سیاه‌چاله‌ها بلافاصله پس از نابودی یک ستاره، فواره‌های رادیویی تولید می‌کنند، در حالی که برخی دیگر قبل از تولید جریان‌های خروجی قوی بعدا غیرفعال به نظر می‌رسند.

به جای رفتار غیرقابل پیش بینی، این فوران های تاخیری ممکن است توسط یک آستانه فیزیکی مشترک کنترل شوند.

فراتر از فاش کردن چیزی اساسی در مورد فیزیک سیاهچاله، این کشف می تواند به اخترشناسان کمک کند تا از تلسکوپ های رادیویی قدرتمند استفاده بهتری کنند.

مشاهده زمان بر روی تاسیسات اصلی علمی محدود و بسیار رقابتی است. محققان باید با دقت تصمیم بگیرند که کدام اشیاء را مطالعه کنند، چند بار آنها را مشاهده کنند و چه زمانی به احتمال زیاد چیز مهمی را آشکار می کنند.

اگر ستاره شناسان بتوانند تخمین بزنند که نرخ تغذیه سیاهچاله چه زمانی به آستانه بحرانی نزدیک می شود، ممکن است بتوانند پیش بینی کنند که چه زمانی یک جت تاخیری ظاهر می شود.

دکتر گودوین می‌گوید: «تلسکوپ‌های رادیویی فوق‌العاده قدرتمند هستند، اما دانستن زمان نگاه کردن به همان اندازه مهم است که بدانیم کجا باید نگاه کنیم. "اگر ما بتوانیم پیش بینی کنیم که سیاهچاله چه زمانی احتمال بیشتری برای پرتاب جت دارد، می توانیم کمپین های هدفمندتری را اجرا کنیم، مشاهدات کمتری را هدر دهیم و شانس خود را برای گرفتن این رویدادهای نادر در لحظه ای که بیشترین اهمیت را دارند افزایش دهیم."

این می تواند مشاهدات غیرضروری پیگیری را کاهش دهد و در عین حال شانس شناسایی اپیزودهای نادر پرتاب جت را در لحظات حیاتی افزایش دهد.

پیامدها به ویژه برای استرالیای غربی، که میزبان جزء کم فرکانس رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی (SKA)، یکی از بزرگ‌ترین و بلندپروازانه‌ترین پروژه‌های نجوم رادیویی است، مهم است.

از آنجایی که نسل بعدی بررسی‌های نجومی تعداد فزاینده‌ای از رویدادهای مختل جزر و مد را شناسایی می‌کند، محققان با چالش فزاینده‌ای در تصمیم‌گیری اینکه کدام یک مستحق توجه بیشتر هستند، مواجه خواهند شد.

رابطه تازه شناسایی شده بین نرخ تغذیه و تشکیل جت می‌تواند راهنمای ارزشمندی باشد و به دانشمندان کمک کند مشاهدات خود را بر روی سیاه‌چاله‌هایی متمرکز کنند که به احتمال زیاد جریان‌های خروجی قابل تشخیص را تولید می‌کنند.

پیشرفتی در سیاهچاله که توسط کنجکاوی هدایت می شود

پروفسور جیمز آروانیتاکیس، مدیر بنیاد تحقیقات فارست، گفت که این کشف اهمیت حمایت از دانشمندانی را که در مراحل اولیه شغلی هستند، که سوالات بلندپروازانه ای را دنبال می کنند، بدون اینکه از قبل بدانند پاسخ ها به کجا منتهی می شود، برجسته می کند.

این نوع تحقیقات پایان باز، که اغلب به عنوان تحقیقات «آسمان آبی» توصیف می‌شود، می‌تواند اکتشافات غیرمنتظره‌ای با مزایای بسیار فراتر از سؤال علمی اصلی ایجاد کند.

پروفسور آروانیتاکیس گفت: "بنیاد تحقیقات فارست یک پاسخ از پیش تعیین شده را تامین مالی نکرد، ما از یک محقق استثنایی با یک سوال دشوار حمایت کردیم."

"این سوال منجر به کشف اهمیت بین‌المللی شده است. دقیقا به همین دلیل است که تحقیقات بنیادی اهمیت دارد - آنچه را که می‌دانیم گسترش می‌دهد، نحوه استفاده از زیرساخت‌های علمی اصلی را واضح می‌کند و توانایی‌هایی را ایجاد می‌کند که فراتر از نجوم است.

"این واقعیت که این کشف از استرالیای غربی هدایت شده است، نشان دهنده قدرت اکوسیستم تحقیقاتی ما و ارزش ارائه دلیلی برای افراد برجسته برای ایجاد مشاغل خود در اینجا است."

با پیوند دادن رفتار سیاهچاله‌های نسبتا کوچک به رفتار غول‌های پرجرم، یافته‌ها این ایده را تقویت می‌کنند که فرآیندهای فیزیکی اساسی یکسان در مقیاس‌های بسیار متفاوتی عمل می‌کنند.

آنها همچنین راه مطمئن تری را برای پیش بینی یکی از دراماتیک ترین پدیده های جهان به اخترشناسان ارائه می دهند: لحظه ای که یک سیاهچاله شروع به پرتاب یک جت قدرتمند به فضا می کند.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه کرتین. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

ستاره شناسان MIT ستاره ای را گرفتند که به آرامی همراه خود را در فاصله 300 سال نوری می خورد

دایناسورهای باستانی زیمبابوه چیزی شبیه به انتظار دانشمندان نبودند

فواید مخفی قلب یک داروی رایج دیابت