یک سیاه‌چاله‌ی چرخان تا ۹ درصد از جرم خود را با رویش «مو» و به شکل برانگیختگی میدان‌های ذره‌ای کم‌جرم، از دست می‌دهد.

ویلیام ایست (William East) از موسسه‌ی فیزیک نظری پریمیتر، کانادا، و فرانتس پرتوریس (Frans Pretorius) از دانشگاه پرینستون، نیو جرسی، به تازگی با شبیه‌سازی‌ دینامیک سیاه‌چاله‌های چرخان، به احتمال وجود پدیده‌ای شگفت‌انگیز پی برده‌اند [۱]. اگر در طبیعت بوزونی بسیار سبک‌وزن (eV/c^{2 ۱۰-}۱۰> وجود داشته باشد، سیاه‌چاله‌ها «موی بلند»ی به شکل برانگیختگی‌های پردامنه‌ی به دام افتاده خواهند رویاند (شکل ۱). بنا بر یافته‌ها، احتمالا سیاه‌چاله‌ها به مدت نسبتا زیاد و ورای افق خود مو می‌رویانند. این نتیجه تصور «بی مو»یی را به چالش کشیده و احتمال آشکارسازی سیاه‌چاله‌ها، به سبب امواج گرانشی‌شان، را بالا می‌برد. جرقه‌‌های نخست این کار از ایده‌های جان ویلر (John Wheeler) و راجر پنروز (Roger Penrose) برآمدند. ویلر در ۱۹۷۱ ادعا کرد که سیاه‌چاله‌ها بی‌مو هستند؛ در واقع، یک سیاه‌چاله سریعا به حالتی پایدار که تنها با سه مولفه‌ی جرم، تکانه‌ی زاویه‌ای و بار توصیف می‌شود، می‌رسد. تمامی درجات آزادی دیگر –با نام استعاری مو- به سرعت گسیل یا جذب می‌شوند. در نظریه‌ی کلاسیک، داده‌های مربوط به جزییات آن چه که بلعیده شده، در سیاه‌چاله ذخیره نمی‌شوند. به تازگی تفکر بی‌مویی نخستین پشتیبان تجربی خویش را یافته است: لیگو (LIGO)، تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی. تپ مشاهده‌شده در این تداخل‌سنج، گویای تولد یک سیاه‌چاله‌ی جدید از ترکیب دو سیاه‌چاله است؛ این سیاه‌چاله‌ی جوان پس از یک دوره‌ی کوتاه به تعادل رسیده، چرخش و جرمی متفاوت با اجداد خود خواهد داشت (بهاینجا نگاه کنید)

شکل ۱: بنا بر پیشنهاد ایست و پرتوریس، در کار تازه‌شان[۱]، سیاه‌چاله‌های چرخان (مشکی)، با افزایش دامنه‌ی مد‌های دردام‌افتاده‌ی یک میدان بوزونی فرانوری (سرخ)، به پیکربندی شبه‌پایدار «مویین»ی رسیده و با گسیل امواج گرانشی (آبی) فروپاشی می‌کنند.

پنروز (Penrose) بر این باور بود که جرم و چرخش سیاه‌چاله می‌توانند ماشه‌ی فرآیندی پرانرژی را بکشند (مانند جت‌ها و کوازارها). پنروز به سال ۱۹۷۱، آزمایشی ذهنی پیشنهاد داد؛ وی شرایطی را توصیف کرد که در آن سیاه‌چاله بخشی از انرژی و تکانه‌ی زاویه‌ای خود را به ذره‌ی پراکنده شده می‌دهد. امواج الکترومغناطیس بازتابی نیز می‌توانند بخشی از انرژی و تکانه‌ی زاویه‌ای را در سازوکاری به نام ابرتابش با خود حمل کنند.

در سال ۱۹۷۲، فرآیند برون‌رفتی به نام بمب سیاه‌چاله‌ای پیشنهاد شد [۲]. شروع این سازوکار با بازتاب ابرتابش‌ها به سوی سیاه‌چاله اتفاق می‌افتد. وجود میدان بوزونی سبک‌وزن پیرامون یک سیاه‌چاله نیز می‌تواند به همین اتفاق بی‌انجامد؛ مدهایی از این میدان در چاه پتانسیل گرانشی سیاه‌چاله به دام می‌افتند [۳] و دامنه‌ی مدهای بلند به صورت توانی رشد می‌کنند. سرانجام میدان بسیار قوی شده و اثرات غیرخطی (مانند انحنای بیشتر فضا‌ـ‌زمان) ظاهر گشته و نقش موثری بازی می‌کنند [۴]. برای آن که این فرآیند در مدت چند سال یا کمتر به انجام برسد، جرم میدان بوزونی باید بسیار اندک باشد؛ به شکلی که طول‌موج کامپتون میدان که عکس آن با جرم ذره متناسب است، با شعاع افق سیاه‌چاله قابل قیاس باشد [۵]. به عنوان نمونه یک سیاه‌چاله‌‌ی هم‌جرم با خورشید باید به ذره‌ای ^۱۷-۱۰ بار سبک‌تر از الکترون حساس باشد.

این نظریه‌پردازی را می‌توان سنجید. در یک دهه‌ی اخیر به سیاه‌چاله‌های چرخان به چشم دروازه‌ی فیزیکی تازه نگاه شده است [۶]. به‌ویژه در جست‌وجوی بوزون‌های بسیار سبک (مانند آکسیون در QCD ، آکسیورس در ریسمان، یا ذرات مبهم ماده‌ی تاریک)، چشم‌ها به دنبال بمب‌ سیاه‌چاله‌ای بوده‌اند [۷]. اما به راستی باید چه چیز را دنبال کرد؟

ایست و پرتوریس در کار تازه‌ی خود به این پرسش اساسی پرداخته‌اند. این پژوهش‌گران به صورت عددی رشد یک بمب سیاه‌چاله‌ای را در شرایطی غیرخطی شبیه‌سازی نموده و سرنوشت آن را بررسی کرده‌اند. گمانه‌زنی می‌شد که سیاه‌چاله، میدان را به شکل جریانی انفجاری از جرم و انرژی (به نام بوزونوا) به بیرون رانده [۸] و مسیر رشد را از سر می‌گیرد. اما بنا بر شبیه‌سازی‌های ایست و پرتوریس، سیاه‌چاله و میدان به فاز تعادلی شبه‌پایداری می‌رسند. این پژوهش‌گران با در نظر گرفتن میدانی برداری و بوزونی با طول‌موج کامپتون، در مقایسه با شعاع افق، دریافتند که تنها ۹٪ از جرم سیاه‌چاله می‌تواند به مرحله‌ی خیز از مدهای مقید گرانشی میدان پیرامون برسند. به بیانی دیگر، یک سیاه‌چاله‌ی چرخان می‌تواند موی بلند برویاند؛ مویی که هم طول عمر بلندی دارد (دست کم در قیاس با زمان عبور نور از سیاه‌چاله) و هم تا محدوده‌ی وسیعی پیرامون افق گسترش می‌یابد.

بنا بر یافته‌های ایست و پرتوریس، بمب‌های سیاه‌چاله‌ای منفجر نمی‌شوند؛ رشد مو، سازوکاری نرم است و فاز برون‌رفت، بدون هیچ خسارتی به پایان خود می‌رسد. محصول، یک سیاه‌چاله در میدانی بوزونی، با جرمی بالا، خواهد بود. این میدان با بسامدی مساوی با بسامد افق سیاه‌چاله به دور آن می‌چرخد. این چنین سامانه‌هایی، از خانواده‌ی سیاه‌چاله‌های مودار هردیرو-‌رادو (Herdeiro-Radu) هستند [۹].

اما چگونه یک سیاه‌چاله‌ی مودار آشکار می‌شود؟ یک سیاه‌چاله‌ی مودار، امواج گرانشی با بسامدی تقریبا هم‌اندازه با بسامد چرخش خود، گسیل می‌کند [۶]. این جریان ثابت از سوی سیاه‌چاله‌های چندگانه، پس‌زمینه‌ای آشوب‌ناک و روی‌دادهایی تشخیص‌پذیر ایجاد می‌کند؛ امکان آشکارسازی چنین پدیده‌هایی توسط LIGO و LISA (ماموریتی فضایی در پیش رو) وجود دارد. به هر روی با داده‌های به دست آمده از امواج گرانشی، برداشت ما از شرایط وجودی میدان‌های با جرم‌های در بازه‌ی ^۱۴-۱۰-^۱۱-۱۰ (LIGO) و بازه‌ی ^۱۹-۱۰-^۱۵-۱۰ (LISA) تغییر خواهد کرد [۱۰].

در عصری که ساخت شتاب‌دهنده‌های نسل‌های بعدی بسیار هزینه‌بر است، استفاده از امواج گرانشی برای آشکارسازی بوزون‌های بنیادین، آینده‌ای روشن خواهد داشت.

منبع:

Spinning Black Holes May Grow Hair

مرجع:

Physical Review Letters