سیاهچاله ها ممکن است با انبساط کیهان بزرگتر شوند

یک فرضیه جدید نشان می‌دهد که انبساط کیهان می‌تواند باعث افزایش جرم همه اجسام مادی شود.

سیاهچاله های کیهان بزرگتر از آن چیزی هستند که اخترفیزیکدانان انتظار داشتند. یک تحقیق جدید ثابت می‌کند که چرا هر سیاهچاله ممکن است نسبت به انبساط کیهان بزرگتر شود.

این فرضیه جدید که زوج کیهانی یا (cosmological coupling) نامیده شده، استدلال می‌کند که با انبساط کیهان پس از بیگ بنگ، همه اجرامی که جرم دارند هم با آن رشد کرده و سیاهچاله ها، به عنوان برخی از عظیم ترین اجرام موجود، بیشترین رشد را خواهند داشت.

این فرضیه از موج‌های گرانشی در فضازمان ناشی شده که وقتی دو سیاه‌چاله عظیم در مدار یکی می‌شوند، به حالت مارپیچی ادغام شده و با هم برخورد می‌کنند. از سال ۲۰۱۵، دانشمندان رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) و تداخل‌سنج Virgo که برای تشخیص این امواج گرانشی طراحی شده اند، بسیاری از این ادغام سیاهچاله ها را مشاهده کرده اند.

اما امواج دارای یک راز هستند. بر اساس تخمین اندازه ستارگان در کیهان، سیاهچاله ها باید جرمی کمتر از تقریبا ۴۰ برابر جرم خورشید داشته باشند. اما اطلاعات بدست آمده از این امواج گرانشی نشان داد که بسیاری از سیاهچاله ها بیش از ۵۰ برابر جرم خورشید بوده و برخی از آن‌ها ۱۰۰ برابر جرم خورشید هستند.

یک توجیح رایج نسبت به عدم تطابق جرم‌ها این است که سیاهچاله ها در طول زمان با مملو شدن توسط گاز، غبار، ستارگان و حتی سایر سیاهچاله ها رشد می کنند. اما از آنجایی که سیاهچاله‌ها اغلب با انفجارهای عظیم ستاره‌ای (supernovas) شکل می‌گیرند، بسیاری از سیاه‌چاله‌ها در مناطقی از فضا بدون هیچ یک از این مواد به وجود می آیند. اخترشناسان توجیحات دیگری را پیشنهاد کردند اما همه آن‌ها تغییرات کشف‌نشده‌ای را از چرخه زندگی ستاره‌ها پیشنهاد می‌کنند. هیچ‌کدام از دانشمندان قادر به توجیح تنوع اندازه خیره‌کننده سیاهچاله‌های ادغام شده که رصدخانه‌های امواج گرانشی شناسایی کرده‌اند، نیستند.

مقاله جدیدی که در ۳ نوامبر در The Astrophysical Journal Letters منتشر شد، توضیحی درباره جرم کوچک و بزرگ سیاهچاله‌های ادغام شده ارائه می دهد که توده های بادشده سیاهچاله ها، نتیجه چیزی نیست که درون آن‌هاست، بلکه بستگی به انبساط کیهان دارد.

این بدان معنی است که تمام سیاهچاله های جهان از جمله ادغام سیاهچاله های کشف شده در آزمایشات امواج گرانشی، سیاهچاله های سرگردان در حومه کهکشان راه شیری و حتی سیاهچاله های بسیار پرجرم در مراکز اکثر کهکشان ها، در طول زمان در حال رشد هستند.

تنها چند ثانیه طول می کشد تا دو سیاهچاله به صورت مارپیچ با هم ادغام شوند، بنابراین فرض کردن یک جهان استاتیک در آن بازه زمانی کوتاه، معقول به نظر می رسد. اما محققان مخالف این نظریه هستند. آنها می گویند که اگر دانشمندان در مدل های خود جهان استاتیک را فرض کنند، می توانند تغییرات احتمالی در دو سیاهچاله را در طول میلیاردها سال قبل از رسیدن به نقطه برخورد، رد کنند.

کوین اس کروکر، استاد دانشگاه هاوایی در گروه فیزیک و نجوم مانوآ و همچنین نویسنده اول این تحقیق گفت: «این فرضی است که معادلات انیشتین را ساده می کند، زیرا جهانی که رشد نمی کند چیزهای کمتری برای کاوش دارد. در این بیانیه، یک بحث نمایان می شود که پیش‌بینی‌ها ممکن است فقط برای مدت زمان محدودی معقول باشند.»

محققان با شبیه‌سازی میلیون‌ها ستاره از تولد تا مرگشان، توانستند ستاره‌هایی را که برای تشکیل سیاه‌چاله‌های مرده‌ مطالعه کنند و میزان رشد آن‌ها را متناسب با انبساط کیهان ارتباط دهند. پس از مقایسه برخی از پیش‌بینی‌های مدلی که آن‌ها با داده‌های LIGO-Virgo ساختند، محققان از اینکه آن‌ها به خوبی مطابقت داشتند شگفت‌زده شدند.

گرگوری تارله، استاد فیزیک دانشگاه میشیگان، در بیانیه‌ای گفت: «باید بگویم، ابتدا نمی‌دانستم چیکار کنم اما این ایده بسیار ساده ای بود، من شگفت زده شدم که اینقدر خوب کار کرد.”

این فرضیه ممکن است عجیب به نظر برسد، اما پیوند کیهانی در جای دیگری در اخترفیزیک وجود دارد. معروف‌ترین مثال آن احتمالاً تغییر رنگ قرمزیست که اجسام در حال دور شدن، نورشان به طول موج‌های بلندتری (قرمزتر) کشیده می‌شود.

این بدان معناست که با انبساط کیهان و دور شدن ستارگان از یکدیگر (مانند نقطه‌هایی که روی یک بالن در حال باد کردن کشیده می‌شوند) ذرات نور یا فوتون‌هایی که ستاره‌ها از خود ساطع می‌کنند با گذشت زمان قرمزتر شده و انرژی خود را از دست می‌دهند. گفته می شود که انرژی نور از نظر کیهانی با انبساط جهان ارتباط دارد.

اگر محققین درست گفته باشند، یعنی همه اجسام جرم‌دار مثل خورشید، ستاره های نوترونی، سیارات و حتی انسان بزرگ‌تر می‌شوند. البته بزرگ شدن سیارات برای ما بسیار کمتر از سیاهچاله ها خواهد بود.

کروکر به لایو ساینس گفت: «پیوند کیهانی در مورد دیگر اجسام و مواد موجود در کیهان صدق می‌کند، اما قدرت جفت شدن آنقدر ضعیف است که نمی‌توان اثرات آن را دید.» برای انواع سیاه‌چاله‌هایی که ما فرض کرده‌ایم، پیوند کیهانی می‌تواند یک میلیون برابر بزرگتر از هسته خورشید باشد و حتی برای این نوع سیاهچاله ها، ممکن است مجبور باشید صدها میلیون سال صبر کنید تا جرم آن دو برابر شود.

کروکر گفت که ممکن است فعلا ایده جالبی باشد، اما با حساس‌تر شدن امواج گرانشی در طول زمان، اطلاعات بیشتری برای آزمایش این فرضیه در دسترس خواهد بود.

کروکر گفت: «به‌روزرسانی‌های برنامه‌ریزی‌شده در LIGO-Virgo و اطلاعاتی که در دهه آینده جمع‌آوری خواهند کرد، ادغام‌های سیاه‌چاله‌های بیشتری را توصیف می‌کنند. هرچه اطلاعات بیشتری جمع‌آوری شود، بهتر می‌توانیم فرضیه خود را آزمایش کنیم. آزمایش‌های امواج گرانشی مبتنی بر فضا، مانند LISA [آنتن فضایی تداخل سنج لیزری]، ممکن است به ما اجازه دهند که افزایش جرم را مستقیما در سیستم‌های منفرد ببینیم.