کشف یک سیاه‌چاله خفته با جرم ۳۳ برابر خورشید در نزدیکی زمین (کمتر از ۲۰۰۰ سال نوری)

به ما آموخته‌اند که ستارگان به سیاه‌چاله‌هایی با اندازه قابل پیش‌بینی فرو می‌پاشند که حداکثر جرم آن‌ها حدود ۱۰ تا ۲۰ برابر جرم خورشید ماست. تصور می‌شد هر چیزی بزرگ‌تر از این، یا نیازمند ادغام خشونت‌آمیز چندین سیاه‌چاله است، یا محیط بکر و بدون فلز جهان اولیه، بسیار دورتر از همسایگی کهکشانی محلی ما. برای دهه‌ها، فیزیکدانان فرض می‌کردند کهکشان راه شیری مدرن به سادگی نمی‌تواند از ستارگان منفرد، اجرام سنگین واقعی بسازد.

اکنون، این محدودیت درست در حیاط خلوت کیهانی خودمان شکسته شده است. ستاره‌شناسان «گایا بی‌اچ۳» (Gaia BH3)، یک سیاه‌چاله خفته با جرمی ۳۳ برابر خورشید را شناسایی کرده‌اند که تنها ۱۹۲۶ سال نوری دورتر در صورت فلکی عقاب (Aquila) کمین کرده است. این کشف، پرجرم‌ترین سیاه‌چاله با منشأ ستاره‌ای است که تاکنون در راه شیری یافت شده و مدل‌های تثبیت‌شده در مورد نحوه زندگی و مرگ ستارگان پرجرم را به طور اساسی به چالش می‌کشد.[3][4]

برای درک مقیاس این کشف، مفید است که ببینیم سیاه‌چاله‌ها معمولاً چگونه پیدا می‌شوند. بیشتر سیاه‌چاله‌های شناخته‌شده با جرم ستاره‌ای «فعال» هستند؛ به این معنی که در مدارهای تنگ با ستارگان همراه قفل شده‌اند و فعالانه گاز آن‌ها را می‌ربایند. این ماده دزدیده‌شده در یک قرص برافزایشی چرخنده گرم می‌شود و پرتوهای ایکس درخشانی ساطع می‌کند که تلسکوپ‌های فضایی می‌توانند به راحتی آن‌ها را در پس‌زمینه تاریک فضا مشاهده کنند.[5]

اما «گایا بی‌اچ۳» کاملاً خفته است. این سیاه‌چاله در فاصله زیادی از ستاره همراه خود قرار دارد، از چیزی تغذیه نمی‌کند و هیچ نوری ساطع نمی‌کند. کشف آن صرفاً از طریق گرانش صورت گرفت—به طور خاص، لرزش مداری متمایز ۱۱.۶ ساله‌ای که بر ستاره مرئی گرفتار در کشش گرانشی عظیم خود وارد می‌کند.[1][3]

فضاپیمای «گایا» متعلق به آژانس فضایی اروپا، که موقعیت دقیق بیش از یک میلیارد ستاره را نقشه‌برداری می‌کند، اولین بار این حرکت غیرعادی را علامت‌گذاری کرد. برای تأیید جرم نامرئی، محققان به رصدخانه‌های زمینی روی آوردند، از جمله طیف‌نگار اِشِل فرابنفش و مرئی (UVES) در تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) رصدخانه جنوبی اروپا در شیلی.[4][6]

ستاره‌شناسان با اندازه‌گیری سرعت شعاعی—نحوه تغییر نور ستاره هنگام حرکت به سمت زمین و دور شدن از آن—جرم سیاه‌چاله را به طور شگفت‌انگیزی ۳۲.۷۰ ± ۰.۸۲ جرم خورشیدی تعیین کردند. این رقم رکورددار قبلی جرم ستاره‌ای در راه شیری، یعنی «ماکیان ایکس-۱» (Cygnus X-1) را که تنها ۲۱ جرم خورشیدی وزن دارد، کاملاً تحت‌الشعاع قرار می‌دهد.[1][4][6]

با این حال، دستاورد واقعی در ستاره همراه مرئی نهفته است. داده‌های طیف‌سنجی نشان داد که این ستاره یک غول قدیمی و کم‌فلز با فلزینگی [Fe/H] = -۲.۶ است، به این معنی که تقریباً هیچ عنصری سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم ندارد.[1][4]

از آنجایی که ستارگان در سامانه‌های دوتایی معمولاً از یک ابر گازی اولیه تشکیل می‌شوند، این کمبود شدید عناصر سنگین نشان می‌دهد ستاره‌ای که فرو پاشیده و «گایا بی‌اچ۳» را تشکیل داده، به همان اندازه کم‌فلز بوده است. این دقیقاً همان شواهد رصدی است که نظریه‌پردازان تکامل ستارگان برای توضیح منشأ سیاه‌چاله‌های پرجرم به دنبال آن بوده‌اند.[2][4]

مدل‌های نظری مدت‌هاست پیشنهاد کرده‌اند که ستارگان پرجرم با فلزینگی بالا، بخش قابل توجهی از جرم خود را قبل از مرگ در اثر بادهای ستاره‌ای قدرتمند از دست می‌دهند. در مقابل، ستارگان کم‌فلز، جرم اصلی خود را حفظ می‌کنند و این امر به آن‌ها اجازه می‌دهد تا زمانی که سوخت هسته‌ای‌شان تمام می‌شود، به سیاه‌چاله‌های بسیار سنگین‌تری فرو بپاشند.[2][5]

تا به امروز، سیاه‌چاله‌هایی در محدوده ۳۰ جرم خورشیدی تنها در کهکشان‌های دوردست از طریق رصدخانه‌های امواج گرانشی مانند «لایگو» (LIGO) و «ویرگو» (Virgo) شناسایی شده بودند که پژواک‌های ناشی از برخورد آن‌ها را می‌شنوند. «گایا بی‌اچ۳» اولین شواهد محلی و مرئی را ارائه می‌دهد که این اجرام سنگین دقیقاً همان‌طور که از ستارگان مادر کم‌فلز پیش‌بینی می‌شد، شکل می‌گیرند.[1][6]

با وجود دقت اندازه‌گیری‌های جرم، داده‌ها محدودیت‌های ذاتی در مورد منشأ این سامانه دارند. مسیر دقیق شکل‌گیری این دوتایی همچنان یک پرسش باز است و برای درک چگونگی جفت شدن سیاه‌چاله و ستاره، نیازمند ترکیب دقیق داده‌های سینماتیکی موجود است.[7]

مدار بسیار غیرعادی این سامانه و ارتباط سینماتیکی آن با جریان ستاره‌ای ED-2 نشان می‌دهد که ممکن است به صورت یک دوتایی مجزا شکل نگرفته باشد. در عوض، سیاه‌چاله و ستاره احتمالاً در یک خوشه کروی متراکم متولد شده‌اند و سیاه‌چاله، ستاره را به صورت پویا به دام انداخته است، پیش از آنکه خوشه توسط گرانش راه شیری از هم گسیخته شود.[1][2]

این کشف همچنین ناشناخته‌های گسترده‌ای را در مورد جمعیت سیاه‌چاله‌های خفته راه شیری برجسته می‌کند. «گایا بی‌اچ۳» تنها سومین سیاه‌چاله خفته‌ای است که توسط مأموریت گایا کشف شده، اما اندازه محض آن نشان می‌دهد که هاله گسترده کهکشان ما ممکن است جمعیت عظیمی از غول‌های کشف‌نشده را پنهان کرده باشد.[3][5]

در حالی که ستاره‌شناسان برای چهارمین انتشار بزرگ داده از مأموریت گایا آماده می‌شوند، شناسایی «گایا بی‌اچ۳» به عنوان یک اثبات مفهوم قدرتمند عمل می‌کند. توانایی تشخیص سیاه‌چاله‌ها صرفاً از طریق ردپای گرانشی آن‌ها، آماده است تا آمار جهان تاریک را بازنویسی کند و ثابت کند که کهکشان راه شیری هنوز رازهای عظیمی در خود دارد.[1][3]