چگونگي تركيب سياهچاله هاي پر جرم با يكديگر

يك بشقاب از ستاره، گاز، يك كره ي ستاره اي و مقدار زيادي ماده تاريك.
اين به دور يك سياهچاله اي پر جرم- تقريبا سه ميليون برابر خورشيد- مي چرخد.span>

جرمكهشكان راه شيري حدود 100 تريليون برابر جرم خورشيد است كه براي ما خيليپرجرم به نظر مي رسد ولي در مقابل ديگر كهكشان ها چيزي عادي است.

حالفرض كنيد كه كهكشاني با همچين دوقلويي برخورد كند. هر دو كهكشان با يكديگرتركيب مي شوند و يك كهكشان جديد و بسيار بزرگ تري را مي سازند. كيهانشناسان روي اين فكر مي كنند كه كهكشان ها چگونه رشد مي كنند- در طول تركيبشدن اين عمل تركيبي.

درحالحاضر با استفاده از ابررايانه ها براي شبيه سازي برخورد كهكشان ها،دانشمندان دانشگاه استنفورد وديگر دانشگاه ها نوعي جديد از اين اتحاد راديده اند- يك بشقاب مركزي از گاز كه مي تواند صدها يا چند هزار سال نوريعرض داشته باشد و ميليون ها يا چند هزار برابر جرم خورشيد باشد.

آن ها گزارش اولين شكل شبيه سازي شده جفت ابرسياهچاله (SMBH) را در Science Express كه نسخه الكترونيكي مجله ساينس است منتشر كردند.
"نظريهنسبيت عام آينشتين كه رفتار گرانش را توصيف مي كند 90 سال پيش منتشر شد ودفعات متعددي مورد صحت قرار گرفته است." اين را استليوس كازانتزيدي درانستيتوي كاولي گفت. "هرچند كه يك نتيجه ي بزرگ اين نظريه از اين تاييد وصحت خارج بوده است كه آن وجود امواج گرانشي است. با توجه به اين كه SMBHبزرگ ترين منبع امواج گرانشي در جهان را ايجاد مي كند، اين را در اولويتقرار مي دهد تا شرايط اجباري براي اين تركيب را به وجود بياوريم."

كازانتزيدي و لوسيو ماير از انستيتيوي فن آوري فدرال سوئيس(ETH)در زوريخ و دانشگاه زوريخ، نويسنده ي اصلي، اين طرح را تصور كردند و شبيهسازي هاي عددي را طراحي و هدايت كردند. مونيكا كولپي از دانشگاه ميلانو -بيكوسا و پيرو مادائو از دانشگاه كاليفرنيا - سانتا كروز براي ترجمه وتفسير نتايج كمك كردند. توماس كوئين از دانشگاه واشنگتن و جيمز وادسلي ازدانشگاه مك مستر كدهاي لازم براي اين شبيه سازي را نوشت.
يك سيستم SMBH از دو SMBHتشكيل شده است كه به دور مركز جرمشان در حال چرخش اند. تركيب سياهچاله هاممكن است و يا ممكن نيست كه به مكانيزمي بستگي داشته باشد كه مي توانانرژي جنبشي زاويه اي را از مدارشان استخراج كنيم و فاصله ي آن ها را كاهشدهيم، كازانتزيدي اين را گفت.

"يك جفت SMBHممكن است با ستاره هاي اطراف خودشان يا با گازها كنش داشته باشد.ولي گاز وستاره ها هر دو يك نيروي اصطكاكي را بر سياهچاله ها اعمال مي كنند. نيروياصطحكاك انرژي را از حركت مداري SMBHها استخراج مي كند.در نتيجه فاصله ي بين آن ها منقبض مي شود." معلوم نيستكه اين از اصطكاك ستاره ها هست و يا گاز كه اين جريان را تحت تاثير قرارمي دهد.

برايمدلي كه كهكشان ها با يكديگر پيوند مي خورند، دانشمندان ابتدا از يكبرنامه ي رايانه اي استفاده كردند كه كهكشان هايي را با توجه به رصدها وپيش بيني هايِ تئوري ساختند. براي مثال، تمام كهكشان ها توسط هاله اي وسيعو پرجرم از ماده تاريك پوشيده شده اند.

كهكشان هاي دايره اي داراي يك بشقاب از ستاره ها است. در تمام مدل هاي كهكشان هاي ايجاد شده اين دو مورد بايد به همراه آن ها باشد.
اول كه كهكشان را ساختيم مي بايستي مدار آن ها را به گونه اي تنظيم كنيم كه كهكشان ها را گرفتار كنند و به يك تصادف ختم شوند.

دانشمندان فهميدند وقتي كه كهكشان هاي تركيب شونده داراي مقداري گاز باشد، در بسياري از حالت ها SMBHآن ها به يك مجموعه ي دوتايي تبديل خواهد شد. زماني كه جفت شدند، سياهچالهها ممكن است اختلاف فاصله ي بين خودشان را كاهش دهند تا اين كه اين فاصلهبه اندازه ي عرض منظومه ي شمسي شود.

دراين جا ما حدس مي زنيم آن ها مي بايستي شروع به انتشار امواج گرانشيكنند.از زماني كه انتشار امواج شروع مي شود، اين ،انرژي را از سياه چاله يدوتايي استخراج مي كند و سرانجام كم تر از چند تريليون سال بعد از تشكيلاين منظومه ي دوتايي هر دو سياهچاله با هم تركيب مي شوند."

از مدت ها پيش محققان ساختار SMBHها را با استفاده از شبيه سازي برخورد كهكشان ها در ابررايانه ها بررسيكرده اند و كازانتزيدي و همكارانش اين روش را در مقياس ها فضايي بسياربزرگ تر دنبال كردند.

با چندين استثناي كم، آخرين مطالعات در تكامل SMBHها هيچ رلي از گازها مشاهده نشده است. شواهد نظريه اي و رصدي پيشنهاد ميكنند كه در مركز تركيب باقي مانده مقدار قابل توجهي از گاز باقي مي ماند.شبيه سازي هاي ما بينش هاي جديدي را در مورد جفت ها و تركيب SMBHها را براي ما به ارمغان آورد و بر وجود رول هايي از تركيبات گازي براي تعيين سرنوشت SMBHها تاكيد دارد.

كهكشانهاي معمولي مانند كهكشان راه شيري داراي گازهاي تاثير گذار نيستند و تركيبشدن براي تشكيل اين ساختارها بسيار مهم است. شبيه سازي هاي ما ابتداساختارهايي از بشقاب هايي هسته اي در كهكشان هاي تركيبي را گزارش دادند.اين طبيعي است كه فرض كنيم كه اين انبار گاز، سوخت لازم براي تغذيه يسياهچاله هاي مركزي و قدرت هاي هسته هاي كهكشاني را تامين مي كند.

نتايج براي (LISA (Laser Interferometer Space Anteaخبرهاي خوبي است، يك رصد خانه ي بنا شده در فضا و بنا شده براي مشخص كردنامواج گرانشي با استفاده از ليزر هاي تداخل سنجي در فواصل نجومي. آشكارسازهاي LISAبراي آزمايش كردن ابرسياهچاله هاي تركيب شده مانند آن هايي كه كازانتزيديو همكارانش شبيه سازي كرده بودند بسيار ايده آل هستند. با يك سرمايه گذاريمشترك ناسا و سازمان فضايي اروپا ، پيش بيني مي شود كه LISA تا 2015 شروع به رصد كند.

مشخصكردن امواج گرانشي از ابرسياه چاله ها نه تنها موجب درك درست ما از يكي ازمباني مهم فيزيك (نسبيت عام) مي شود بلكه به نوعي يك تاييد براي برايسناريوي كنوني ما در مورد ساختار و تكامل كهكشان هاي خواهد بود."كازانتزيدي گفت. "اين يكي از زيبا ترين تركيب هاي بين فيزيك و اخترفيزيكمي باشد."

شبيه سازي ها بر روي ابررايانه هاي مركز ابررايانه اي پيتزبورگ در دانشگاه زوريخ و ETHزوريخ انجام مي شود. اعداد مورد نياز براي محاسبه،اعدادي نجومي ميباشند.اين به همان دليل است كه ما به ابررايانه هايي متوسل شده ايم كهقابليت انجام مقدراي بسيار زيادي محاسبه را در يك ثانيه باشد. شبيه سازيابررايانه ها به ما اين اجازه را مي دهد تا به طور كامل مدت زمان كيهانيرا فشرده كنيم تا اين مدت زمان هاي بسيار طولاني را به چند هفته ي مجازيتبديل كنيم. اين به ما يك ديدگاه كاملي را از جهانمان مي دهد كه چه چيز بهتنهايي با رصد كردن در دسترس است.

ابررايانه ها چيزي شبيه به آزمايشگاه فيزيك را به وجود آورده اند كه قابلدسترس اخترفيزيكدانان است. "شبيه سازي هاي عددي ما با گرفتن وقت چند ماههي ابررايانه هاي موجود در جهان، بزرگترين محاسبات عددي در اين زمينه را بهوجود آورده است."كازانتزيدي گفت.

تركيبهاي شبيه سازي شده براي كهكشان هاي هم جرم است و احتمال اين كه همين اتفاقبراي كهكشان هاي غير هم جرم اتفاق بيفتد كم تر است ولي غير ممكن نيست. درواقع اين سرنوشت كهكشان خودمان يعني كهكشان راه شيري است.
كهكشانخودمان براي تصادف با كهكشان بزرگ تر همسايه اش ،آنرومدا، تقريبا 3تريليونسال نياز دارد. نتايج اين خرابي، نتايج خرابي بشقاب ها و ساختار كهكشانبيضوي خواهد بود.

حمايت روي اين كار از طرف دپارتمان انرژي ايالات متحده و ناسا و بنياد الكساندر ون هامبولت صورت مي گيرد.

در مورد نويسنده مقاله:Dawn Levy, News Service: (650) 725-1944, dawnlevy@stanford.edu