مکانیسم پرتاب جت در سیاه‌چاله‌ها: کشف یک نرخ تغذیه بحرانی برای تمام ابعاد

اخترشناسانی که در حال رصد سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در حین ازهم‌دراندن ستارگان بوده‌اند، دو رفتار ظاهراً ناسازگار را ثبت کرده‌اند. یک دسته از رصدها نشان می‌دهد که این غول‌های کیهانی بلافاصله پس از تکه‌تکه کردن یک ستاره، جت‌های رادیویی قدرتمندی را به بیرون پرتاب می‌کنند که نیروی محرکه آن ورود شدید مواد ستاره‌ای است. مجموعه داده‌های دیگر، سیاه‌چاله‌هایی را نشان می‌دهد که در طول ضیافت اولیه کاملاً خاموش می‌مانند، اما تا ۱۰۰۰ روز بعد بدون هیچ دلیل مشخصی ناگهان جت‌های خود را روشن می‌کنند. این خطوط زمانی متناقض، تعیین اینکه آیا سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم از یک مکانیسم قابل‌پیش‌بینی پیروی می‌کنند یا فوران‌های تأخیری آن‌ها توسط فیزیکی کاملاً متفاوت از همتایان کوچک‌تر و ستاره‌جرمشان هدایت می‌شود را دشوار کرده بود.

در ۱۷ سپتامبر ۲۰۲۶، یک تیم بین‌المللی به سرپرستی پژوهشگران مؤسسه مطالعات پیشرفته و دانشگاه کرتین، مطالعه‌ای را در نشریه نیچر آسترونومی منتشر کردند که این دو خط زمانی را در قالب یک قانون واحد و کیهانی با هم آشتی می‌دهد. پژوهشگران با تحلیل داده‌های چندطول‌موجی از تلسکوپ‌های چهار کشور — ایالات متحده، استرالیا، هند و آفریقای جنوبی — و همچنین رصدخانه‌های مداری، ثابت کردند که سیاه‌چاله‌ها در هر اندازه‌ای، جت‌های خود را دقیقاً در یک نقطه بحرانی یکسان از چرخه تغذیه‌شان پرتاب می‌کنند.[1][2]

این تیم رویدادهای اختلال کشندی را ردیابی کردند؛ اصطلاحی نجومی برای زمانی که یک ستاره توسط نیروهای گرانشی عظیم یک سیاه‌چاله کلان‌جرم از هم پاره می‌شود. از میان ۲۰ رویداد مطالعه‌شده، ۱۰ مورد داده‌های کافی و دقیقی را برای مدل‌سازی نرخ برافزایش سیاه‌چاله و زمان‌بندی دقیق گسیل‌های رادیویی آن فراهم کردند.[1]

اندرو مامری، پژوهشگر مؤسسه مطالعات پیشرفته، می‌گوید: «ما واقعاً می‌خواستیم از کار این معمای بزرگ سر در بیاوریم. چرا برخی از سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم بلافاصله پس از تکه‌تکه کردن یک ستاره، جت‌های رادیویی پرتاب می‌کنند، در حالی که برخی دیگر کاملاً خاموش به نظر می‌رسند و ماه‌ها یا حتی سال‌ها بعد ناگهان جت‌های خود را روشن می‌کنند؟»[2][5]

مدل‌ها نشان دادند که جت‌های تأخیری همواره زمانی روشن می‌شوند که نرخ تغذیه سیاه‌چاله دقیقاً به ۲ درصد حد ادینگتون آن سقوط کند. حد ادینگتون نشان‌دهنده مرز فیزیکی است که در آن فشار رو به بیرونِ تابش سیاه‌چاله، دقیقاً با کشش رو به درونِ گرانش آن در تعادل قرار می‌گیرد.[1][5]

این آستانه خاص ۲ درصدی در اخترفیزیک پدیده جدیدی نیست. این دقیقاً همان نقطه ماشه‌ای است که پیش‌تر می‌دانستیم جت‌های رادیویی فشرده را در سیاه‌چاله‌های ستاره‌جرمِ کهکشان راه شیری — اجرامی که تنها حدود ۱۰ برابر خورشید جرم دارند — پرتاب می‌کند.[1][3]

یافتن این آستانه یکسان در غول‌های کلان‌جرم تأیید می‌کند که فیزیک برافزایش سیاه‌چاله‌ها به‌طور کیهانی مقیاس‌پذیر است. قوانین بنیادی یکسانی بر رفتار یک سیاه‌چاله با جرم ۱۰ برابر خورشید و یک غول کلان‌جرم که میلیون‌ها بار سنگین‌تر است حاکم است و شکاف جرمی در حدود هفت مرتبه بزرگی را پر می‌کند.[1][2][3]

فرآیند بلعیدن یک ستاره بسیار پرآشوب است و همین موضوع توضیح می‌دهد که چرا جت‌ها این‌قدر انرژی به همراه دارند. ادل گودوین از مرکز بین‌المللی پژوهش‌های نجوم رادیویی در دانشگاه کرتین می‌گوید: «وقتی یک سیاه‌چاله ستاره‌ای را از هم می‌درد، همه‌چیز را به‌طور تمیز و کامل نمی‌بلعد. بخشی از مواد مصرف می‌شود و بخشی دیگر در قالب جت‌ها و جریان‌های خروجی قدرتمند به فضا پرتاب می‌شود.»[3][5]

گودوین خاطرنشان کرد که این پرتابه‌ها مانند یک شیر تخلیه فشار کیهانی عمل می‌کنند. او گفت: «می‌توانید آن را شبیه به آروغ زدن سیاه‌چاله در نظر بگیرید، با این تفاوت که این آروغ‌ها می‌توانند مواد را در فواصل بسیار عظیمی پرتاب کنند و بر کهکشان‌های اطراف خود تأثیر بگذارند.»[3]

فراتر از حل یک بحث نظری، این آستانه کیهانی یک ابزار بسیار کاربردی برای نجوم رصدی ارائه می‌دهد. از آنجا که پژوهشگران اکنون می‌توانند دقیقاً محاسبه کنند که چه زمانی نرخ برافزایش یک سیاه‌چاله در حال تغذیه به مرز ۲ درصد افت می‌کند، قادرند پنجره زمانی دقیق رسیدن جت‌های تأخیری را پیش‌بینی کنند.[1][5]

این پیش‌بینی‌پذیری به رصدخانه‌ها اجازه می‌دهد تا زمان محدود تلسکوپ‌ها را از ماه‌ها قبل رزرو کنند. با آماده شدن تأسیسات نسل بعدی مانند آرایه کیلومتر مربع برای آغاز عملیات علمی در سال ۲۰۲۸، اخترشناسان دیگر نیازی به نظارت مداوم بر سیاه‌چاله‌های خاموش نخواهند داشت؛ آن‌ها می‌توانند به‌سادگی رصدهای خود را دقیقاً برای دوره‌ای برنامه‌ریزی کنند که از آستانه ۲ درصدی عبور می‌شود.[1]