زیر سوال رفتن یکی از مهمترین نظریه های نجوم
تاریخ انتشار
چهارشنبه ۲۴ شهريور ۱۳۹۵ ساعت ۱۶:۵۵
به گزارش عصر تعادل، شبیه‌سازی یک خوشه کروی باعث شد نظریات رایج اخترفیزیک در مورد ابرنواخترها و امواج گرانشی زیر سوال رود. شکل یک خوشه ستاره‌ای باستانی NGC 6101، تا همین چند ماه پیش هیچ مفهومی نداشت، تا وقتی‌که دانشجوی دکتری فیزیک نجومی، نیکلوس پیوتن و پروفسور مارک گیلیس تصمیم گرفتند کاری متفاوت انجام دهند. آن‌ها یک شبیه‌سازی کامپیوتری از خوشه کروی انجام دادند و صدها سیاه‌چاله در آن قراردادند و سپس اجازه دادند برنامه تاریخ ۱۳ میلیارد ساله سیستم ستاره‌ای را بازسازی کند.
آنچه به این روش کشف کردند از جهت دینامیک فیزیکی خوشه‌های کروی معنی‌دار بود اما دانش متعارف در مورد ساخت سیاه‌چاله و خوشه‌های کروی را زیر سوال برد. این محققین یافته‌های خود را هفته گذشته در مجله انجمن سلطنتی نجوم منتشر کرده‌اند.
پیوتن گفت "امروزه ما میدانیم که بسیاری از سیاه‌چاله‌ها در خوشه‌های کروی ایجادشده‌اند اما تا به امروز تصور می‌کردیم اگر یک سیاه‌چاله در خوشه کروی ایجاد شود، به‌طورمعمول در طی ضربه انفجار یک ابرنواختر به بیرون پرتاب می‌شود. در پایان تنها چند سیاه‌چاله باقی می‌مانند اما نیز یکدیگر را دفع می‌کنند و در آخر خوشه حداقل یک سیاه‌چاله خواهد داشت.
در چند سال گذشته برخی مطالعات پیشنهاد دادند زمانی که سیاه‌چاله‌ها در یک خوشه کروی باقی می‌مانند، تمایل دارند به سمت مرکز بروند و یک تاثیر بصری ایجاد می‌کنند که خوشه منفجرشده است زیرا تمام ستارگان به سمت خارج آن متمایل شده‌اند. NGC 6101 ظاهری متورم و توزیع غیرمعمول داشت و چند ستاره قابل‌مشاهده در مرکز آن دیده می‌شد. درنتیجه آن‌ها تصمیم گرفتند چند سیاه‌چاله در شبیه‌ساز قرار دهند.
شبیه سازی، یکی از مهمترین نظریه های نجوم را زیر سوال برد
سیاه‌چاله‌ها به‌طور مستقیم قابل‌مشاهده نیستند اما ستاره شناسان می‌توانند آن‌ها را با اندازه‌گیری تاثیر آن‌ها بر روی اجسام اطراف تشخیص دهند. آن‌ها ابرهای گازی را می‌بلعند، ستاره‌های عظیم را تکه می‌کنند و پرتوهای گاما منتشر می‌کنند. اما اگر سیاه‌چاله‌ها مشخصا دخالتی در رویدادهای بین ستاره‌ای نداشته باشند، ستاره شناسان به‌هیچ‌وجه نمی‌توانند حضور آن را متوجه شوند. ازاین‌رو اغلب از تخیل خود استفاده می‌کنند و شبیه‌سازی‌های کیهانی انجام می‌دهند تا ببینند آیا سیاه‌چاله‌ای در آنجا هست یا خیر.
پیوتن و گیلیس با استفاده از برنامه ساخته‌شده توسط ستاره شناسان کمبریج، سه شبیه‌سازی انجام دادند. در ابتدا آن‌ها NGC 6101 را بدون هیچ سیاه‌چاله‌ای ساختند. سپس خوشه را طوری ساختند که در صورت خروج ۵۰ درصد سیاه‌چاله‌ها به آن صورت دیده می‌شد. درنهایت شبیه‌سازی را طوری انجام دادند که خوشه را طوری مجسم می‌کرد که اگر در طول عمر خود تمام سیاه‌چاله‌ها را در خود نگه می‌داشت.
اجرای هر شبیه‌سازی ۱۳ میلیارد ساله، یک ماه طول کشید.
پیوتن گفت ” زمانی که ما نتایج را مقایسه کردیم، متوجه شدیم که شبیه‌سازی بدون سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانست آنچه را که اکنون از NGC 6101 می‌بینیم بسازد. درعین‌حال موردی که در آن تمام سیاه‌چاله‌ها حفظ‌شده بودند، با واقعیت کاملا تطابق داشتد. شبیه‌سازی با ۵۰ درصد سیاه‌چاله‌ها نیز شباهت چندانی به واقعیت نداشت.”
اگر یافته‌های پیوتن و گیلیس درست باشد، دو فرض رایج اخترفیزیکی دگرگون می‌شوند. اولی ضربه ابرنواخترها باید قدرت کمتری نسبت به آنچه قبلا تصور می‌شد، داشته باشد و خوشه‌های کروی ممکن است بیش از یک سیاه‌چاله در خود داشته باشند، به این معنی که آن‌ها اثر قابل‌مشاهده‌تری در پویایی سیستم داشته باشند.
این شبیه‌سازی ممکن است بر کشف امسال امواج گرانشی نیز تاثیر داشته باشد. این دانشمند می‌گوید "ما متوجه شدیم ادغام سیاه‌چاله‌ها از طریق موج‌دار شدن امواج گرانشی ساطع‌شده انجام می‌شود. اکنون سوال اینجاست آن‌ها کجا هستند؟”
اگر NGC 6101 صدها سیاه‌چاله داشته باشد، بسیاری از این سیاه‌چاله‌ها باهم ادغام خواهند شد و امواج گرانشی ساطع می‌کنند. اگر سایر خوشه‌های کروی نیز این تعداد سیاه‌چاله داشته باشند، ستاره شناسان باید مطالعاتی انجام دهند و به دنبال علامت این امواج در بین خوشه‌ها بگردند تا مکان آن را پیدا کنند.
وی افزود "با دانستن اینکه آن‌ها در این خوشه‌ها وجود دارند و برخی خواص آن‌ها را نیز میدانیم، اکنون می‌توانیم برای یافتن روش ادغام آن و کمک‌های آتی به دانشمندان امواج گرانشی برای تشخیص این امواج، مطالعات بیشتری انجام دهیم.”
پیوتن از کشف خود بسیار هیجان‌زده است اما اذعان می‌دارد که اطلاعات در مورد NGC 6101 کامل نیست. وی می‌گوید "تکنیکی که ما استفاده کردیم کمی ساده بود.” برای مثال او می‌تواند بگوید احتمالا صدها سیاه‌چاله در NGC 6101 وجود دارد اما نمی‌تواند تعداد دقیقی از آن را ذکر کند. و مساله دیگر این است که صد درصد نمی‌دانند جرم متوسط این سیاه‌چاله‌ها چقدر است.
تحقیقات آن‌ها هنوز ادامه دارد و این دو نفر در نظر دارند فرضیه‌های جایگزینی را نیز امتحان کنند. مثلا اینکه یک سیاه‌چاله با جرم متوسط علت تشکیل شکل خوشه‌ای باشد. آن‌ها هم‌چنین قصد دارند سایر خوشه‌های مشابه را شبیه‌سازی کنند و بفهمند آیا تعدادی سیاه‌چاله ساختار و پویایی آن‌ها را تشکیل می‌دهد یا خیر. در آخر آن‌ها می‌خواهند بدانند این خوشه یک مورد طبیعی است؟ و یا اینکه کلا یک استثنا در میان خوشه‌ها است.
آنچه به این روش کشف کردند از جهت دینامیک فیزیکی خوشه‌های کروی معنی‌دار بود اما دانش متعارف در مورد ساخت سیاه‌چاله و خوشه‌های کروی را زیر سوال برد. این محققین یافته‌های خود را هفته گذشته در مجله انجمن سلطنتی نجوم منتشر کرده‌اند.
پیوتن گفت "امروزه ما میدانیم که بسیاری از سیاه‌چاله‌ها در خوشه‌های کروی ایجادشده‌اند اما تا به امروز تصور می‌کردیم اگر یک سیاه‌چاله در خوشه کروی ایجاد شود، به‌طورمعمول در طی ضربه انفجار یک ابرنواختر به بیرون پرتاب می‌شود. در پایان تنها چند سیاه‌چاله باقی می‌مانند اما نیز یکدیگر را دفع می‌کنند و در آخر خوشه حداقل یک سیاه‌چاله خواهد داشت.
در چند سال گذشته برخی مطالعات پیشنهاد دادند زمانی که سیاه‌چاله‌ها در یک خوشه کروی باقی می‌مانند، تمایل دارند به سمت مرکز بروند و یک تاثیر بصری ایجاد می‌کنند که خوشه منفجرشده است زیرا تمام ستارگان به سمت خارج آن متمایل شده‌اند. NGC 6101 ظاهری متورم و توزیع غیرمعمول داشت و چند ستاره قابل‌مشاهده در مرکز آن دیده می‌شد. درنتیجه آن‌ها تصمیم گرفتند چند سیاه‌چاله در شبیه‌ساز قرار دهند.
شبیه سازی، یکی از مهمترین نظریه های نجوم را زیر سوال برد
سیاه‌چاله‌ها به‌طور مستقیم قابل‌مشاهده نیستند اما ستاره شناسان می‌توانند آن‌ها را با اندازه‌گیری تاثیر آن‌ها بر روی اجسام اطراف تشخیص دهند. آن‌ها ابرهای گازی را می‌بلعند، ستاره‌های عظیم را تکه می‌کنند و پرتوهای گاما منتشر می‌کنند. اما اگر سیاه‌چاله‌ها مشخصا دخالتی در رویدادهای بین ستاره‌ای نداشته باشند، ستاره شناسان به‌هیچ‌وجه نمی‌توانند حضور آن را متوجه شوند. ازاین‌رو اغلب از تخیل خود استفاده می‌کنند و شبیه‌سازی‌های کیهانی انجام می‌دهند تا ببینند آیا سیاه‌چاله‌ای در آنجا هست یا خیر.
پیوتن و گیلیس با استفاده از برنامه ساخته‌شده توسط ستاره شناسان کمبریج، سه شبیه‌سازی انجام دادند. در ابتدا آن‌ها NGC 6101 را بدون هیچ سیاه‌چاله‌ای ساختند. سپس خوشه را طوری ساختند که در صورت خروج ۵۰ درصد سیاه‌چاله‌ها به آن صورت دیده می‌شد. درنهایت شبیه‌سازی را طوری انجام دادند که خوشه را طوری مجسم می‌کرد که اگر در طول عمر خود تمام سیاه‌چاله‌ها را در خود نگه می‌داشت.
اجرای هر شبیه‌سازی ۱۳ میلیارد ساله، یک ماه طول کشید.
پیوتن گفت ” زمانی که ما نتایج را مقایسه کردیم، متوجه شدیم که شبیه‌سازی بدون سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانست آنچه را که اکنون از NGC 6101 می‌بینیم بسازد. درعین‌حال موردی که در آن تمام سیاه‌چاله‌ها حفظ‌شده بودند، با واقعیت کاملا تطابق داشتد. شبیه‌سازی با ۵۰ درصد سیاه‌چاله‌ها نیز شباهت چندانی به واقعیت نداشت.”
اگر یافته‌های پیوتن و گیلیس درست باشد، دو فرض رایج اخترفیزیکی دگرگون می‌شوند. اولی ضربه ابرنواخترها باید قدرت کمتری نسبت به آنچه قبلا تصور می‌شد، داشته باشد و خوشه‌های کروی ممکن است بیش از یک سیاه‌چاله در خود داشته باشند، به این معنی که آن‌ها اثر قابل‌مشاهده‌تری در پویایی سیستم داشته باشند.
این شبیه‌سازی ممکن است بر کشف امسال امواج گرانشی نیز تاثیر داشته باشد. این دانشمند می‌گوید "ما متوجه شدیم ادغام سیاه‌چاله‌ها از طریق موج‌دار شدن امواج گرانشی ساطع‌شده انجام می‌شود. اکنون سوال اینجاست آن‌ها کجا هستند؟”
اگر NGC 6101 صدها سیاه‌چاله داشته باشد، بسیاری از این سیاه‌چاله‌ها باهم ادغام خواهند شد و امواج گرانشی ساطع می‌کنند. اگر سایر خوشه‌های کروی نیز این تعداد سیاه‌چاله داشته باشند، ستاره شناسان باید مطالعاتی انجام دهند و به دنبال علامت این امواج در بین خوشه‌ها بگردند تا مکان آن را پیدا کنند.
وی افزود "با دانستن اینکه آن‌ها در این خوشه‌ها وجود دارند و برخی خواص آن‌ها را نیز میدانیم، اکنون می‌توانیم برای یافتن روش ادغام آن و کمک‌های آتی به دانشمندان امواج گرانشی برای تشخیص این امواج، مطالعات بیشتری انجام دهیم.”
پیوتن از کشف خود بسیار هیجان‌زده است اما اذعان می‌دارد که اطلاعات در مورد NGC 6101 کامل نیست. وی می‌گوید "تکنیکی که ما استفاده کردیم کمی ساده بود.” برای مثال او می‌تواند بگوید احتمالا صدها سیاه‌چاله در NGC 6101 وجود دارد اما نمی‌تواند تعداد دقیقی از آن را ذکر کند. و مساله دیگر این است که صد درصد نمی‌دانند جرم متوسط این سیاه‌چاله‌ها چقدر است.
تحقیقات آن‌ها هنوز ادامه دارد و این دو نفر در نظر دارند فرضیه‌های جایگزینی را نیز امتحان کنند. مثلا اینکه یک سیاه‌چاله با جرم متوسط علت تشکیل شکل خوشه‌ای باشد. آن‌ها هم‌چنین قصد دارند سایر خوشه‌های مشابه را شبیه‌سازی کنند و بفهمند آیا تعدادی سیاه‌چاله ساختار و پویایی آن‌ها را تشکیل می‌دهد یا خیر. در آخر آن‌ها می‌خواهند بدانند این خوشه یک مورد طبیعی است؟ و یا اینکه کلا یک استثنا در میان خوشه‌ها است.
