گاهی ذره‌هایی که در نزدیکی یک سیاه‌چاله‌ی چرخان هستند، با هم برخورد کرده و با انرژی‌ای بسیار بیش‌تر از آن چه‌ پیش از این محاسبه شده بود، پرتاب می‌شوند.

همه، سیاه‌چاله‌ها را به آز می‌شناسند و کم‌تر پیش می‌آید که بتوان چیزی از آن‌ها ستاند؛ اما برخوردها، میان ماده‌ی پیرامون سیاه‌چاله‌های چرخان، می‌توانند به تولید ذره‌هایی بی‌انجامند که مقداری از انرژی سیاه‌چاله را با خود خواهند برد. بنا بر پیش‌بینی محاسبه‌هایی چند ده ساله، این ذره‌ها تنها انرژی اندکی دریافت می‌کنند. اما کارهای نظری تازه نشان می‌دهند که ذره‌های گفته شده می‌توانند تا ده برابر انرژی اولیه‌شان دریافت داشته باشند. هم‌چنان، پرسش‌هایی پیرامون امکان رخ دادن این برخوردها وجود دارند؛ اما این دست یافته‌ها، به اخترشناسان کمک می‌کنند تا علت برخی روی‌دادها مانند افزایش تابش‌های گاما در مرکز کهکشان یا پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی را دریابند.

NASA Goddard
ازدحام ذره‌ها؛ در شبیه‌سازی اشنیتمان، ممکن است ذره‌های ماده‌ی تاریک (که با رنگ خاکستری و رد صورتی نشان داده شده‌اند) در گردش پیرامون یک سیاه‌چاله‌ی چرخان (که به صورت دایره‌ای در مرکز شکل نشان داده شده‌است) گاهی انرژی بسیار بالایی به دست آورده و فرار کنند. منطقه‌ی آبی رنگ (کارکره ۱) جایی است که چرخش سیاه‌چاله، فضا-زمان را با خود می‌کشد.

اخترشناسان بیش‌تر ِ پدیده‌های نامعمولی را که ممکن است در گرانش بالای پیرامون سیاه‌چاله‌ها روی دهند، با نکته‌سنجی بررسی می‌کنند. در ۱۹۶۹، راجر پنروز که بعدها به دانشگاه کمبریج در بریتانیا پیوست، سازوکاری را شناسایی کرد که ذره‌های سرگردان، در همسایه‌گی سیاه‌چاله‌های چرخان، می‌توانستند با کمک آن، از میدان گرانشی قوی فرار کرده و اندکی از انرژی را نیز با خود به سوغات ببرند [۱].

بنا بر نسبیت عام، سیاه‌چاله‌های چرخان، فضا-زمان و هر آن‌چه را که در همسایه‌گی‌شان باشد، با خود می‌کشند. پنروز، دریافت که برخی از این همسایه‌ها می‌توانند انرژی منفی یافته باشند؛ البته به شرط آن که به تندی در خلاف جهت جریان شنا کنند. برای آن که محتوی انرژی ثابت بماند، برخی از مواد باید انرژی بگیرند. زمانی این اتفاق می‌افتد که دو ذره با هم برخورد کرده، و یکی در خلاف جهت جریان، و دیگری، با انرژی‌ای بیش‌تر از انرژی اولیه‌ی دو ذره، در سمت دیگر حرکت کنند. با وجود ِ جست‌وجوی فراوان پژوهشگران، برای یافتن گسیل‌های پرانرژی‌ ِ زاییده‌ی سازوکار پنروز [۲]، بیشینه‌ی انرژی‌ مشاهده شده، تنها ۳/۱ برابر انرژی اولیه بوده است.

با وجود آن که انرژی‌های گرفته شده بسیار اندک هستند، پژوهش‌گران همچنان به سیاه‌چاله‌ها به چشم شتاب‌دهنده‌های ذرات نگاه می‌کنند و بر این باور می‌باشند که این سامانه‌ها می‌توانند برخوردهایی چنان پرسرعت تولید کنند که در هیچ دستگاه دیگری دیده نمی‌شوند. جرمی اشنیتمان، از مرکز پروازهای فضایی گودارد از ناسا، در گرینبلت، در مریلند، می‌گوید: «سیاه‌چاله‌ها به عنوان ابزاری در بررسی ماده‌ی تاریک هم مطرح هستند». ماده‌ی تاریک بار ندارد و نمی‌توان با روش‌های معمولی و مانند الکترون و پروتون، به آن شتاب داد. چند سال پیش از این، اشنیتمان یک کد رایانه‌ای طراحی کرد که در آن ماده‌ی تاریک وارد یکی از برخوردهای سیاه‌چاله‌ای شده و خروجی‌ها مورد بررسی قرار می‌گرفتند. او چنین فرض کرد که این برخوردها به تولید تابش‌های گاما می‌انجامند؛ اما انرژی این تابش‌ها، به شکل غافل‌گیرکننده‌ای، از انرژی ذره‌های اولیه بیش‌تر بود.

اشنیتمان بالاخره دریافت که انرژی اضافه از سازوکار پنروز می‌‌آید؛ اما به شکلی که پیش از این مورد توجه قرار نگرفته بود. در کارهای پیشین، فرض بر آن بود که ذره‌های اولیه زمانی که در بیشینه‌ی سرعت خود هستند، برخورد می‌کنند؛ و این زمانی رخ می‌دهد که در افق رویداد باشند. اما در این صورت، ذره‌های گسیلی، تقریبا تمام انرژی خود را صرف غلبه بر گرانش و حرکت رو به بیرون می‌کنند. اشنیتمان می‌گوید: «سیاه‌چاله می‌دهد و خود بازمی‌گیرد». او در تکرار محاسبات، یکی از ذره‌های اولیه را سرگردان یا به صورت یک شلیک از فاصله‌ای دور، در نظر گرفت. بنا بر محاسبه‌ی اشنیتمان، پس از برخورد، تکانه‌ی رو به بیرون ذره‌ی شلیک شده، می‌تواند ذره‌ی دیگر را با انرژی‌ای ۱۳ برابر انرژی کل نخستین‌شان پرتاب ‌کند.

امانوئل برتی و همکاران، از دانشگاه می‌سی‌سی‌پی، ذره‌هایی را که نه به صورت شلیکی که به عنوان محصول یک برخورد در نزدیکی افق روی‌داد سیاه‌چاله، وارد کارزار می‌شوند، بررسی کرده‌اند. این «پیش‌برخود» بازه‌ی تکانه‌ی خروجی را بزرگ‌تر کرده و در نتیجه انرژی‌ای که در نهایت به دست خواهد آمد، به صورت نظری هیچ محدودیتی نخواهد داشت. در یکی از مواردی که این گروه از فیزیک‌پیشه‌گان یافته‌اند، یک ذره‌‌ی خروجی می‌تواند، تا یک میلیون برابر انرژی کل اولیه، انرژی به دست آورد. البته با محاسبه‌ی انرژی لازم برای پیش‌برخورد، بازه‌ی نهایی‌ای که به دست می‌آید برابر یافته‌های اشنیتمان خواهد بود. اما برتی و همکاران بر این باور هستند که تنها اندکی از ذره‌های بیرون‌رونده،‌ با مشخصات پیشنهادی اشنیتمان، می‌توانند به زنجیره‌ی برخوردهای موثر، برای افزودن بر انرژی ذره، بی‌انجامند.

اشنیتمان بر این باور است که تنها با شبیه‌سازی‌های پیچیده‌تر می‌توان فراوانی این دست روی‌دادهای «فراوانْ انرژی ده» را، در صورت وجود، اندازه‌گیری کرد[۳]. اگر به اندازه‌ی کافی پرتعداد باشند، باید نشانه‌ای در تابش‌های گامای مرکز کهکشانی یا تابش‌های پرانرژی کیهانی دیده شود.

توموهیرو هارادا، از دانشگاه ریکیو، در ژاپن، می‌گوید: «احتمال این دست رویدادها بسیار اندک است؛ اما ممکن است در شرایط ویژه‌ی اخترفیزیکی دیسک‌های تشکیل و میدان‌های مغناطیسی قوی، دیده شوند». به گفته‌ی هارادا، تنها راه، برای رسیدن به اطمینان، بهره جستن از مشاهده‌ها می‌باشد. ژوزف سیلک، از موسسه‌ی اخترفیزیک پاریس و دانش‌گاه جان هاپکینز، در بالتیمور، می‌گوید: «ممکن است در آینده بتوان با کمک تلسکوپ‌های پرتوی گاما یا نوترینو، این روی‌دادهای پیشنهادی را مشاهده کرد».

............................................

۱. Ergosphere. بخشی از فضا-زمان است که در همسایگی افق روی‌داد سیاه‌چاله بوده و با آن کشیده می‌شود. در این فضا، ذرات می‌توانند باقی بمانند چرا که بیرون از افق رویداد هستند.

منبع:
Energy Boost from Black Holes

مرجع:

R. Penrose, “Gravitational collapse: the role of general relativity,” Riv. Nuovo Cimento Ser. 1, 1, 252 (1969)
M. Bañados, J. Silk, and S. M. West, “Kerr Black Holes as Particle Accelerators to Arbitrarily High Energy,” Phys. Rev. Lett. 103, 111102 (2009)
J. D. Schnittman, “The Distribution and Annihilation of Dark Matter Around Black Holes,” Ap. J. 806 264 (2015)