ابرسیاه‌چاله‌ها چقدر می‌توانند بزرگ شوند؟

به نقل از اسپیس، عظیم‌ترین سیاه‌چاله‌ای که در حال حاضر از آن آگاه هستیم، «فونیکس A» است که در قلب خوشه سیمرغ(یکی از سنگین‌ترین خوشه‌هایی که تاکنون کشف شده) قرار دارد. «فونیکس A» که در فاصله ۵.۸ میلیارد سال نوری از ما قرار دارد، جرم تخمینی معادل ۱۰۰ میلیارد خورشید دارد.

یکی دیگر از سیاهچاله‌های غول پیکر «Tonantzintla 618» یا «Ton 618» است که در فاصله یک میلیارد سال نوری از ما قرار دارد و جرم آن حدود ۶۶ میلیارد خورشید است.

با وجود سیاه‌چاله‌های عظیمی مانند «فونیکس A» و «Ton 618»، ممکن است تعجب کنید که آیا محدودیتی برای اندازه یک سیاه‌چاله وجود دارد یا خیر.

دانشمندان مدت‌هاست که در این باره به دنبال پاسخ هستند و تیمی به رهبری پریاموادا ناتاراجان(Priyamvada Natarajan) از دپارتمان نجوم دانشگاه ییل فکر می‌کنند که ممکن است به پاسخ این سوال رسیده باشند.

ناتاراجان می‌گوید: ما ابرسیاه‌چاله‌های کلان‌جرم(ultramassive black holes) را به عنوان سیاه‌چاله‌هایی با جرم بیش از ۱۰ میلیارد برابر خورشید تعریف کرده‌ایم. از طرفی جرم ابرسیاه‌چاله‌ها(Supermassive black holes) بیش از ۱۰ میلیون برابر خورشید است. بنابراین ابرسیاه‌چاله‌های کلان‌جرم به طور متوسط ​​۱۰ هزار برابر بزرگتر از سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم هستند.

کجا ابرسیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را شکار کنیم؟

قبل از اینکه دانشمندان بتوانند ابرسیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را بررسی کنند، ابتدا باید تعیین کنند که این اجرام عظیم کیهانی در کجا پرسه می‌زنند. ناتاراجان توضیح داد که یک سرنخ از این واقعیت حاصل می‌شود که به نظر می‌رسد جرم ابرسیاه‌چاله‌های مرکزی با جرم ستارگان درون کهکشان‌هایی که میزبان آنها هستند، همبستگی دارند. بنابراین کهکشان‌هایی با ستاره‌های بیشتر و در نتیجه «توده‌های ستاره‌ای» بیشتر، باید میزبان سیاه‌چاله‌های پرجرم‌تر باشند.

ناتاراجان می‌گوید: این رابطه مقیاس‌بندی نشان می‌دهد که ارتباط عمیقی بین نحوه رشد سیاه‌چاله‌ها و شکل‌گیری ستارگان در کهکشان‌های میزبان‌شان وجود دارد.

ابرسیاه‌چاله‌های کلان‌جرم با بیشترین جرم باید در درخشان‌ترین کهکشان‌ها با بیشترین ستاره‌ها زندگی کنند. بنابراین درخشان‌ترین کهکشان‌ها در مرکز خوشه‌های کهکشانی که به «روشن‌ترین کهکشان‌های مرکزی»(BCG) معروف هستند، کاندیدایی بارز برای پناه دادن به ابرسیاه‌چاله‌های کلان‌جرم خواهند بود.

ناتاراجان می‌گوید: ابرسیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در جایی که نتایج ما پیش‌بینی می‌کرد که باید برای یافتن آنها جستجو کنیم، در مراکز BCGهای مجاور پیدا شده‌اند. چیزی که من را شگفت‌زده می‌کند، این است که چگونه سیاه‌چاله‌ها با همه اندازه‌ها اساساً در همه جای جهان پراکنده شده‌اند.

به نظر می‌رسد کهکشان‌ها دارای جمعیت‌های سیاهچاله‌ای متعدد هستند. یک ابرسیاه‌چاله کلان‌جرم یا یک ابرسیاه‌چاله‌ در مرکز کهکشان، یک جمعیت کامل از سیاه‌چاله‌های سرگردان که خارج از مرکز کهکشان هستند و در همه جا پراکنده شده‌اند و می‌توانند از نظر جرم متفاوت از ابرسیاه‌چاله‌ها باشند.

پس چرا اصلاً باید محدودیتی برای جرم سیاه‌چاله‌ها وجود داشته باشد؟

آیا این غول‌های مسلط بر کهکشان‌ها نمی‌توانند بدون محدودیت تا زمانی که همه گاز، غبار و ستارگان در دسترس خود را تغذیه کنند، رشد کنند؟

دانشمندان دریافته‌اند که یک حدی وجود دارد و سیاه‌چاله‌ها در واقع دارای محدودیت رشد هستند و به عبارتی محدودیت رشد را به خود تحمیل می‌کنند.

ناتاراجان توضیح داد: طبق استدلال‌های نظری که ما ارائه کردیم، ابرسیاه‌چاله‌های کلان‌جرم مانع رشد خود می‌شوند. این همان دنباله‌ای است که ما انتظار داریم اتفاق بیفتد. بدین صورت که گاز به مرکز کهکشان جریان می‌یابد تا ابرسیاه‌چاله‌ی کلان‌جرم را تغذیه کند. با این حال، همه گازها به افق ابرسیاه‌چاله‌های کلان‌جرم نمی‌رسند و تجمع می‌یابند. بخش کوچکی از آن وارد سیاه‌چاله می‌شود و بقیه توسط سیاه‌چاله‌ها بیرون می‌ریزند.

بخشی از گازی که در سیاه‌چاله نمی‌ریزد به عنوان جریان‌های خروجی قدرتمند و سریع یا «جت‌های اخترفیزیکی» که می‌توانند ده‌ها سال نوری فراتر از کهکشان میزبان خود گسترش یابند، منفجر می‌شوند.

این جریان‌های خروجی در نهایت به گاز دورتر از منبع سیاه‌چاله‌شان واقع در کهکشان اطراف برخورد می‌کند، آن را گرم و تبدیل می‌کند و مستقیماً بر تولد ستارگان در آن کهکشان تأثیر می‌گذارد. این به این دلیل است که ستارگان زمانی تشکیل می‌شوند که ابرهای گاز و غبار سرد و متراکم شوند.

ناتاراجان توضیح داد که این جت‌ها با گرم کردن این گاز و جلوگیری از متراکم شدن آن از تشکیل ستاره جلوگیری می‌کنند.

رفتار این جت‌ها همچنین گاز را از ناحیه مرکزی کهکشان دور می‌کند و «منبع غذایی» موادی را که به سمت سیاه‌چاله مرکزی جریان می‌یابد، قطع می‌کند و در نتیجه جریان‌های خروجی دچار خودتنظیمی می‌شوند. این بدان معناست که یک حلقه بازخورد طبیعی برای رشد سیاه‌چاله وجود دارد.

ناتاراجان می‌گوید هنگامی که گاز در نواحی داخلی کهکشان‌ها به طور کامل مصرف شود، بدون هیچ شانسی برای جاری شدن گاز از بقیه کهکشان به ناحیه مرکزی، رشد سیاه‌چاله مختل و رشد آن متوقف می‌شود.

به گفته وی، با توجه به روش‌هایی که سیاه‌چاله‌ها رشد می‌کنند و سیستم بازخورد طبیعی که به نظر می‌رسد منبع غذایی آنها را قطع می‌کند و رشد آنها را متوقف می‌کند، محدودیت ابرسیاهچاله‌های کلان‌جرم حدود ۱۰۰ میلیارد جرم خورشیدی خواهد بود.

این بدان معناست که اگر ناتاراجان و همکارانش درست گفته باشند، سیاه‌چاله «فونیکس A» ممکن است تنها پرجرم‌ترین سیاه‌چاله‌ای نباشد که تا به حال کشف کرده‌ایم. همچنین ممکن است بزرگترین سیاه‌چاله‌ای باشد که تاکنون کشف کرده‌ایم، زیرا دقیقاً در این حد قرار دارد.

ناتاراجان و همکارانش کارشان روی سیاه‌چاله‌ها تمام نشده است، اما تمرکز خود را بر روی نمونه‌های کوچکتر اما نه کمتر جذاب از این غول‌های کیهانی متمرکز کرده‌اند.

این تیم اکنون می‌خواهد سیاه‌چاله‌هایی را با جرم بین سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم و ابرسیاه‌چاله‌هایی با جرم ستاره‌ای بررسی کند. ابرسیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای تقریباً ۱۰۰ برابر سنگین‌تر از خورشید هستند و در پایان عمر خود از فروپاشی ستارگان عظیم تشکیل می‌شوند.

طبقه جذاب بین ابرسیاه‌چاله‌ها و سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای به عنوان «سیاهچاله‌های با جرم متوسط» شناخته می‌شوند و از ستاره‌شناسانی که آنها را شکار می‌کنند، گریزان هستند.

ناتاراجان در پایان گفت: آنچه در مرحله بعد قرار است انجام شود، پل زدن بین سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم و سیاه‌چاله‌های دارای جرم ستاره‌ای است. باید جمعیت زیادی از سیاه‌چاله‌های با جرم متوسط ​​با جرم هزار تا ۱۰ هزار برابر جرم خورشید وجود داشته باشد که اکنون به آرامی شروع به کشف آنها می‌کنیم.