کیهانی پر از سیاه‌چاله‌ها وجود دارد که با برخی سریع، برخی دیگر آهسته‌تر در حال چرخش هستند. بررسی اخیر سیاهچاله های کلان پرجرم نشان می دهد که سرعت چرخش آنها چیزی در مورد تاریخچه شکل گیری آنها نشان می دهد. اگر می‌خواهید ویژگی‌های یک سیاه‌چاله کلان جرم را توصیف کنید، باید از دو عدد مهم استفاده کنید. یکی جرم آن و دیگری سرعت چرخش آن است.

شکل 1: این تصاویر نمونه‌های مختلفی از سیاهچاله‌ها و دیسک‌های برافزایش را با پیکربندی‌های چرخشی مختلف نشان می‌دهند: سیاهچاله در جهت مخالف قرص برافزایش می‌چرخد(پس رونده)، چرخش صفر و سیاهچاله در جهت دیسک برافزایش می‌چرخد (پس رونده) به ترتیب از بالا به پایین. نمونه هایی از توزیع انرژی طیفی (SED) برای هر پیکربندی اسپین در سمت راست هر کارتون با یک خط عمودی ترسیم شده در پیک SED نشان داده شده است. تفاوت در پیک SED ها و روشنایی آنها برای پیکربندی‌های چرخشی مختلف نشان می‌دهد که چگونه می‌توانیم با تطبیق این مدل‌ها با داده‌های رصدی، اسپین سیاه‌چاله را اندازه‌گیری کنیم. (تصویر مشارکتی با استفاده از تصاویر ناسا)

لوگان فرایز(Logan Fries)، دانشجوی دکترا فیزیک تحت هدایت جاناتان ترامپ (Jonathan Trump) در دانشگاه کانکتیکات (Connecticut) در25 امین نشست انجمن نجوم آمریکا که اخیرا- 14 ژانویه- در بندر ملی مریلیند برگزار شده، نتیجه همکاری خود با پروژه نقشه برداری طنین Sloan Digital Sky Surve اینگونه توصیف می کند: «مقالات تحقیقاتی را مطالعه کرده‌ام که اسپین سیاه‌چاله‌ها را به‌طور نظری، از لنز ادغام‌های سیاه‌چاله‌های مشابه بررسی می‌کنند، و کنجکاو بودم که آیا می‌توان اسپین را به‌صورت مشاهده‌ای اندازه‌گیری کرد.» وی و همکارانش در پروژه نامبرده با اندازه گیری اسپین سیاهچاله های کلان جرم از 7 میلیارد سال پیش تا کنون، ایده غالب برای توضیح رشد سیاه چاله در مرکز کهکشان ها را به چالش کشیدند. فرایز گفت: به‌طور غیرمنتظره‌ای ما متوجه شدیم که سیاه چاله ها نبایستی به تنهایی از طریق ادغام کهکشان‌ها تشکیل شده باشند. وی خاطرنشان کرد که تاریخچه رشد سیاهچاله ها به اندازه گیری های دقیق تری نسبت به آنچه در دسترس بوده نیاز دارد. به گفته جاناتان ترامپ: «چالش در جدا کردن چرخش سیاهچاله از چرخش قرص برافزایشی اطراف آن است. «راه حل این است که به درونی ترین منطقه نگاه کنیم، جایی که گاز در افق رویداد سیاهچاله سقوط می کند. یک سیاه‌چاله در حال چرخش، درونی‌ترین ماده را برای سواری به سمت خود می‌کشد، که وقتی به جزئیات اندازه‌گیری‌هایمان نگاه می‌کنیم، منجر به تفاوت قابل مشاهده می‌شود.»

به گفته لوگان فرایز، به دست آوردن این اعداد دشوار است. او گفت: «مشکل این است که اندازه گیری جرم سخت است و چرخش حتی سخت تر است.» با این حال، اگر بخواهیم تکامل سیاهچاله ها را درک کنیم، داشتن دقیق این اعداد مهم است.

فرایز و همکارانش در پروژه نقشه برداری طنین Sloan Digital Sky Survey کار سختی را انجام دادند. آنها سرعت چرخش سیاهچاله ها را در طول تاریخ کیهانی اندازه گیری کردند. فرایز، می گوید: «ما سیاهچاله های غول پیکری را که در مرکز کهکشان ها از امروز تا هفت میلیارد سال پیش یافت شده اند، مطالعه کرده ایم. پروژه نقشه برداری همچنین مشاهدات دقیقی از دیسک های برافزایش مرتبط انجام داد. این مناطق نزدیک‌ترین نواحی به سیاه‌چاله هستند که ماده در آنجا جمع می‌شود و در حین چرخش آن داغ می‌شود. اندازه‌گیری آن ناحیه بسیار مهم است، زیرا دانستن جرم سیاه‌چاله و ساختار قرص برافزایش آن که ماده در آنجا جمع می شود که به درون سیاهچاله می افتد داده‌هایی را فراهم می‌کند که به آن‌ها اجازه می‌دهد سرعت چرخش را اندازه‌گیری کنند. اندازه گیری جرم و نرخ برافزایش می تواند بینش هایی را در مورد تاریخچه سیاهچاله ارائه دهد، اما چالش برانگیزترین جنبه برای اندازه گیری، چرخش سیاهچاله ها است. فرایز توضیح می‌دهد که تکنیک مورد استفاده برای این مطالعه بر اندازه‌گیری‌های گرفته شده از ناحیه‌ای از دیسک برافزایشی به نام درونی‌ترین مدار دایره‌ای پایدار یا منطقه ISCO تکیه دارد. «این جایی است که موادی مانند گاز در حال چرخش و تجمع هستند و در نهایت در سیاهچاله می‌افتند و بلعیده می شوند». فرایز می گوید من این را «باستان‌شناسی سیاه‌چاله» می‌نامم، زیرا در تلاشیم تا بفهمیم جرم آن سیاه‌چاله چگونه در طول زمان افزایش یافته است. با نگاه کردن به چرخش سیاهچاله، اساساً به سوابق فسیلی نگاه می کنید. بطور کلی دو ایده برای توضیح افزایش جرم سیاه چاله در طول زمان کیهانی وجود دارد:

1- ایده غالب برای توضیح رشد کهکشان‌ها و سیاه چاله ها در طول زمان مربوط به ادغام دو کهکشان است طوریکه جهت گیری تصادفی آنها منجر به یک سیاهچاله ادغام شده بعدی با اسپین کم می شود. این است.

2- اگر یک سیاهچاله از بدو تولد تاکنون فقط مواد را در یک قرص مرتب برافزایش داده باشد، آنگاه به سرعت به سمت بالا می چرخد.

به گفته فرایز، نتایج بررسی SDSS از اندازه گیری جرم صدها سیاهچاله شگفت انگیز بود. او گفت: «به‌طور غیرمنتظره‌ای متوجه شدیم که آن‌ها خیلی سریع می‌چرخند که به تنهایی از ادغام کهکشان‌ها تشکیل نشده‌اند. آنها باید تا حد زیادی از موادی که به درون آن می ریزند، رشد هموار سیاهچاله و سرعت بخشیدن به چرخش آن شکل گرفته باشند.». خلاصه این نتایج در شکل 2 آشکار است.

شکل 2: چرخش سیاهچاله (a*) برحسب زمان که با انتقال به سرخ (در محور x پایین) و سن جهان (در محور x بالا) نشان داده شده است. a∗ = 1 نشان دهنده حداکثر اسپین پیش رونده، a∗ = 0 نشان دهنده سیاهچاله غیر چرخنده و a∗= -1 نشان دهنده حداکثر اسپین پس رونده است. نقاط داده‌های رصدی ما از مدل‌های توزیع انرژی طیفی دیسک برافزایش (SED) با رنگ‌هایی که در کادر در پایین سمت چپ مشخص شده‌اند نشان داده می‌شوند. کادر سبز در بالا، ناحیه ای را نشان می دهد که انتظار می رود رشد سیاهچاله بواسطه قرص برافزایش باشد، در حالی که منطقه برجسته شده بنفش، منطقه ای را نشان می دهد که انتظار داریم رشد سیاهچاله از طریق ادغام باشد. سناریوهای مرتبط با هر منطقه-کادر های سبز و بنفش، در سمت راست بطور برجسته نشان داده شده اند. (تصویر مشارکتی با استفاده از تصاویر ناسا)

منابع:

https://today.uconn.edu/2025/01/black-hole-archaeology-understanding-how-black-holes-gained-their-mass/#

https://www.universetoday.com/170514/black-holes-are-spinning-faster-than-expected/#google_vignette

ترجمه خبر: محسن خدادی