سیاه‌چاله‌ها چقدر می‌توانند بزرگ شوند؟

زوميت

بروزرسانی 1404/07/05 - 10:00

زومیت/ برخی سیاه‌چاله‌ها به طرز شگفت‌آوری عظیم می‌شوند و می‌توانند میلیاردها برابر خورشید جرم داشته باشند. اما آیا رشد آن‌ها بی‌پایان است یا محدودیتی دارد؟

سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در مرکز بیشتر کهکشان‌های بزرگ قرار دارند و جرم برخی از آن‌ها به چند ده میلیارد برابر خورشید می‌رسد، اما رشد آن‌ها به دلیل محدودیت‌های فیزیکی و زمانی جهان محدود است.

مواد اطراف سیاه‌چاله‌ها معمولاً به شکل قرص برافزایشی به آن‌ها نزدیک می‌شوند و اصطکاک و تابش شدید در این دیسک سرعت جذب مواد را محدود می‌کند.
بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌های شناخته‌شده از طریق جذب مواد و ادغام کهکشان‌ها شکل گرفته‌اند، اما نمونه‌ای بسیار عظیم‌تر نادر است و مشاهدات فعلی با حد نظری حدود ۵۰ تا ۲۷۰ میلیارد جرم خورشید مطابقت دارد.

اوایل دهه ۱۹۶۰، ستاره‌شناسان با غول کیهانی عجیبی روبه‌رو شدند. چیزی در صورت فلکی سنبله (Virgo) امواج رادیویی شدیدی ساطع می‌کرد، اما در نور مرئی چیزی دیده نمی‌شد (با چشم یا تلسکوپ‌های معمولی که نور مرئی (همان نوری که چشم انسان می‌تواند ببیند) را دریافت می‌کنند، هیچ جسم قابل مشاهده‌ای وجود نداشت.

در ابتدا، ستاره‌شناسان فقط امواج رادیویی قوی از آن منطقه می‌دیدند و هیچ نور مرئی مشخصی قابل مشاهده نبود. اما بعد، با استفاده از روش‌ها و تکنیک‌های پیشرفته رصدی، توانستند نقطه نورانی کم‌نور و آبی‌رنگی در همان محل منبع رادیویی پیدا کنند. درنهایت مشخص شد این جسم، به نام 3C 273، نه یک ستاره، بلکه چیزی بسیار عجیب واقع در فاصله حیرت‌آور دو میلیارد سال نوری از زمین است.

برای اینکه جسم شبه‌ستاره‌ای 3C 273 (اختروش) از فاصله‌ای بسیار دور قابل مشاهده باشد، باید شدت نور آن فوق‌العاده زیاد باشد. دانشمندان به این نتیجه رسیدند که سیاه‌چاله‌ای درحال تغذیه در قلب کهکشانی دوردست، محتمل‌ترین عامل درخشندگی شدید 3C 273 است و این سیاه‌چاله از نوع معمولی نبود، بلکه فوق‌العاده بزرگ بود و احتمالاً ۹۰۰ میلیون برابر خورشید جرم داشت.

سیاه‌چاله‌ها با بلعیدن مواد اطراف خود بزرگ می‌شوند
از آن زمان تاکنون، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم زیادی کشف شده‌اند. در دهه ۱۹۸۰، ستاره‌شناسان حدس می‌زدند که هر کهکشان بزرگ در مرکز خود یک سیاه‌چاله کلان جرم دارد. امروز، با کمک تلسکوپ فضایی هابل و دیگر ابزارها، می‌دانیم که این حدس درست است؛ به این معنا که در جهان قابل مشاهده ممکن است تا یک تریلیون سیاه‌چاله کلان‌جرم وجود داشته باشد.
سیاه‌چاله‌ها می‌توانند بسیار بزرگ شوند. بسیاری از آن‌ها جرم‌هایی حدود یک میلیارد برابر خورشید دارند و برخی حتی می‌توانند از این مقدار هم بیشتر باشند. اما سؤال مهم این است: سیاه‌چاله تا چه حد می‌تواند بزرگ شود؟

پاسخ دادن به این سؤال کمی پیچیده است.برای تخمین حداکثر اندازه سیاه‌چاله‌ها، ستاره‌شناسان تنها می‌توانند جرم چند سیاه‌چاله را مستقیم اندازه بگیرند. اندازه‌گیری جرم سیاه‌چاله‌ها سخت و پیچیده است و اغلب مجبورند از روش‌های غیرمستقیم استفاده کنند، مثل اثر گرانشی روی ستاره‌های اطراف یا نور ساطع‌شده از دیسک برافزایشی. این روش‌ها همیشه کامل نیستند و ممکن است برخی جنبه‌های فیزیک مربوط به سیاه‌چاله در محاسبات لحاظ نشود. با‌این‌حال، براساس این روش‌ها، به‌نظر می‌رسد بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌ها حدود چند ده میلیارد برابر جرم خورشید، یعنی به اندازه کهکشانی کوچک جرم داشته باشند! تعداد کمی از این غول‌ها شناخته شده‌اند و خطای اندازه‌گیری جرم آن‌ها می‌تواند بسیار بزرگ باشد.

آیا ممکن است برخی از آن‌ها به‌مراتب بزرگ‌تر باشند؟ از نظر نظری، بله؛ زیرا سیاه‌چاله‌ها با بلعیدن هر چیزی که نزدیکشان شود بزرگ می‌شوند. اگر می‌توانستیم کل جهان را به آن‌ها بدهیم، سیاه‌چاله‌ها خوشحال می‌شدند و همه را می‌بلعیدند. اما این توصبف کاملاً غیرواقعی است. پژوهشی در سال ۲۰۱۵ نشان داد که تحت شرایط فیزیکی ممکن (اما غیرواقعی)، حد نظری رشد یک سیاه‌چاله در حال تغذیه حدود ۲۷۰ میلیارد برابر جرم خورشید است. با‌این‌حال، احتمالاً بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌ای که واقعاً می‌توانیم پیدا می‌کنیم نزدیک ۵۰ میلیارد جرم خورشید خواهد بود.

این تفاوت به مسافتی برمی‌گردد که جسم باید به سیاه‌چاله نزدیک شود تا بلعیده شود. حتی بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌ها هم در مقیاس جهان بسیار کوچک‌اند و فقط وقتی چیزی واقعاً نزدیکشان شود، آن را می‌بلعند. از دور، اثر گرانشی آن‌ها بر اجسام دیگر چندان محسوس نیست. از فاصله‌ای دور، شما کاملاً در امان هستید.

اگر سیاه‌چاله‌ای به اندازه خورشید جایگزین خورشید در منظومه شمسی شود، زمین و دیگر سیار‌ها همچنان در مدار خود می‌مانند و مشکلی پیش نمی‌آید، هرچند بدون نور خورشید زندگی سخت می‌شود. به همین شکل، در مرکز کهکشان راه شیری ما سیاه‌چاله بسیار بزرگی به نام کمان ای* (Sagittarius) وجود دارد که حدود ۴ میلیون برابر خورشید جرم دارد و در فاصله ۲۶ هزار سال نوری قرار گرفته، اما برای ما هیچ خطری ایجاد نمی‌کند.

درواقع، افتادن اجرام به درون سیاه‌چاله‌ها خیلی نادر است و حتی وقتی اتفاق می‌افتد، فرایند پیچیده‌ای دارد. بیشتر مواد به‌طور مستقیم وارد سیاه‌چاله نمی‌شوند. به جای آن، وقتی به سیاه‌چاله نزدیک می‌شوند، سرعتشان زیاد می‌شود و دور آن می‌چرخند و صفحه پهنی به نام قرص برافزایشی تشکیل می‌دهند. در این دیسک، مواد نزدیک‌تر به سیاه‌چاله سریع‌تر حرکت می‌کنند و با مواد دورتر برخورد و اصطکاک زیادی ایجاد می‌کنند. این اصطکاک دیسک را به میلیون‌ها درجه داغی می‌رساند و باعث می‌شود مواد شدیداً نورانی شوند. همین نور شدید است که به ما امکان می‌دهد حتی از فاصله‌های بسیار دور، اثر غیرمستقیم سیاه‌چاله‌ها را ببینیم.

رشد سیاه‌چاله‌ها محدود به زمان عمر جهان است و بزرگ‌ترین سیاه‌چاله ممکن بین ۵۰ تا ۲۷۰ میلیارد برابر جرم خورشید است
دیسک برافزایشی می‌تواند آن‌قدر داغ شود که مواد داخلش توسط تابش شدید و میدان‌های مغناطیسی قوی از اطراف پرتاب شوند. این پدیده‌ها باعث می‌شوند سیاه‌چاله نتواند خیلی سریع مواد را جذب کند. به این محدودیت، «حد اَدینگتون» گفته می‌شود. می‌توان آن را این‌طور تصور کرد: سیاه‌چاله می‌تواند تا سرعت مشخصی مواد را ببلعد و اگر خیلی سریع بخواهد بخورد، مجبور می‌شود مقداری از آن‌ها را پس بفرستد یا «استفراغ» کند.
رشد سیاه‌چاله‌ها زمان‌بر و فرصت آن‌ها محدود است؛ زیرا جهان آغاز مشخصی دارد. حداکثر زمانی که سیاه‌چاله می‌تواند داشته باشد تا مواد اطرافش را جذب کند حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال است، یعنی همان سن جهان. علاوه‌براین، اولین شواهد وجود سیاه‌چاله‌ها تنها چند صد میلیون سال پس از تولد جهان دیده شده‌اند، بنابراین این هم زمان رشد آن‌ها را محدود می‌کند.

با درنظر گرفتن محدودیت زمانی، بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌ای که امروز می‌تواند وجود داشته باشد، نباید بیش از ۲۷۰ میلیارد برابر جرم خورشید باشد و این فقط زمانی ممکن است که مواد اطراف سیاه‌چاله هم‌جهت با چرخش آن حرکت کنند؛ زیرا چرخش سیاه‌چاله کمک می‌کند مواد سریع‌تر جذب شوند. اگر سیاه‌چاله نچرخد یا مواد خلاف جهت چرخش آن بیایند، حداکثر جرم آن کاهش پیدا می‌کند و به حدود ۵۰ میلیارد برابر جرم خورشید می‌رسد.

این اعداد با مشاهدات دانشمندان همخوانی دارند. برخی سیاه‌چاله‌ها، مثل TON 618، کمی بزرگ‌تر به نظر می‌رسند، اما اندازه دقیق آن‌ها با خطای زیادی همراه است و حد پایین‌تر آن‌ها هم ممکن است تغییر کند.

علاوه بر جذب مواد اطراف، سیاه‌چاله‌ها می‌توانند از طریق برخورد و ادغام کهکشان‌ها هم بزرگ شوند. وقتی دو کهکشان با هم برخورد می‌کنند، سیاه‌چاله‌های بزرگ مرکز آن‌ها می‌توانند با هم ترکیب شده و سیاه‌چاله عظیم‌تری بسازند. اما چنین سیاه‌چاله‌های بسیار بزرگی خیلی نادرند و احتمال ادغام آن‌ها کم است؛ بنابراین این روش به‌طور قابل توجهی باعث افزایش بیشینه اندازه سیاه‌چاله‌ها نمی‌شود.

پس انتظار نداریم سیاه‌چاله‌ای بزرگ‌تر از آن‌هایی که تاکنون اندازه‌گیری کرده‌ایم پیدا شود. با‌این‌حال، جهان می‌تواند شگفتی‌هایی داشته باشد و ممکن است سیاه‌چاله عظیم‌تری وجود داشته باشد. اگر چنین چیزی کشف شود، ستاره‌شناسان فرصت دارند فرضیات خود را دوباره بررسی کنند و اطلاعات بیشتری درباره این غول‌های کیهانی به دست آورند.