از ستاره‌های نوترونی تا سیاهچاله‌ها: رمزگشایی میدان‌های مغناطیسی کیهانی

سیاهچاله‌ها، این هیولاهای گرانشی کیهان، همواره ذهن دانشمندان و علاقه‌مندان به فضا را به خود مشغول کرده‌اند. این اجرام آسمانی که با گرانشی بی‌نهایت قوی، هر چیزی را در اطراف خود، حتی نور را نیز می‌بلعند، نه‌تنها به عنوان نابودکننده‌های کیهانی شناخته می‌شوند، بلکه نقش مهمی در تحولات و پدیده‌های پرانرژی کیهان ایفا می‌کنند. یکی از این پدیده‌ها، فوران‌های پرتو گاما (Gamma-Ray Bursts یا GRBs) هستند؛ انفجارهای عظیمی که در عرض چند ثانیه، انرژی‌ای معادل کل انرژی خورشید در طول عمرش آزاد می‌کنند.اما چه چیزی باعث این فوران‌های عظیم می‌شود؟ پاسخ تا حد زیادی به وجود میدان‌های مغناطیسی قوی در اطراف سیاهچاله‌ها مربوط می‌شود. این میدان‌ها، ذرات باردار را به سرعت‌های بسیار بالا شتاب داده و به صورت جت‌هایی پرانرژی به فضا پرتاب می‌کنند. سؤالی که سال‌ها ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود، منشأ این میدان‌های مغناطیسی قدرتمند در سیاهچاله‌ها بود.

راز مغناطیس سیاهچاله‌ها: مطالعه‌ای نوآورانه از مؤسسه فلاتیرون

به تازگی، مطالعه‌ای پیشگامانه توسط دانشمندان مؤسسه فلاتیرون (Flatiron Institute) و همکارانشان، پرده از این راز دیرینه برداشته است. این تیم تحقیقاتی، با استفاده از شبیه‌سازی‌های دقیق و پیچیده، نشان داده‌اند که میدان‌های مغناطیسی سیاهچاله‌ها، در واقع از ستارگان در حال فروپاشی که به سیاهچاله تبدیل می‌شوند، به ارث می‌رسند. نتایج این تحقیق که در مجله معتبر Astrophysical Journal Letters منتشر شده است، دیدگاه ما را نسبت به شکل‌گیری و عملکرد سیاهچاله‌ها دگرگون می‌کند.

سیاهچاله‌ها: فرزندان ستارگان نوترونی مغناطیسی

بر اساس این مطالعه، سیاهچاله‌ها معمولاً پس از انفجار یک ستاره بزرگ در قالب یک ابرنواختر (Supernova) شکل می‌گیرند. در این انفجار، هسته ستاره به شدت فشرده شده و به یک ستاره نوترونی (Neutron Star) تبدیل می‌شود. ستاره‌های نوترونی، اجرام بسیار متراکم و چگالی هستند که میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی‌ای دارند.محققان دریافتند که هنگامی که یک ستاره نوترونی به دلیل گرانش بیش از حد، شروع به فروپاشی می‌کند و به سیاهچاله تبدیل می‌شود، میدان مغناطیسی خود را نیز به همراه دارد. این میدان مغناطیسی، به دیسک برافزایشی (Accretion Disk) اطراف سیاهچاله منتقل می‌شود. دیسک برافزایشی، حلقه‌ای از گاز، پلاسما، گرد و غبار و سایر مواد است که به دور سیاهچاله می‌چرخد و به تدریج به داخل آن کشیده می‌شود.

اور گاتلیب (Ore Gottlieb)، نویسنده اول این مقاله و پژوهشگر مرکز اخترفیزیک محاسباتی (CCA) در مؤسسه فلاتیرون، در این باره می‌گوید: «ستاره‌های نوترونی اولیه، مادران سیاهچاله‌ها هستند؛ به این معنا که وقتی فرو می‌پاشند، یک سیاهچاله متولد می‌شود. چیزی که ما می‌بینیم این است که با شکل‌گیری این سیاهچاله، دیسک اطراف ستاره نوترونی اولیه، اساساً خطوط مغناطیسی خود را به سیاهچاله متصل می‌کند. بسیار هیجان‌انگیز است که بالاخره این ویژگی اساسی سیاهچاله‌ها و نحوه قدرت‌بخشی آنها به انفجارهای پرتو گاما – درخشان‌ترین انفجارها در جهان – را درک کنیم.»

چالش‌های پیشین: معمای میدان مغناطیسی و چرخش سیاهچاله

پیش از این مطالعه، دانشمندان در درک منشأ میدان‌های مغناطیسی سیاهچاله‌ها با چالش‌هایی روبرو بودند. یکی از نظریه‌های مطرح، این بود که میدان‌های مغناطیسی سیاهچاله‌ها، در اثر فشرده شدن میدان‌های مغناطیسی ستارگان در حال فروپاشی ایجاد می‌شوند. اما این نظریه با یک مشکل اساسی روبرو بود: میدان مغناطیسی قوی، باعث کاهش سرعت چرخش ستاره می‌شود. از آنجایی که چرخش سریع برای تشکیل دیسک برافزایشی ضروری است، این نظریه نمی‌توانست به طور کامل پدیده فوران‌های پرتو گاما را توضیح دهد.به عبارت دیگر، برای ایجاد فوران‌های پرتو گاما، به دو عامل نیاز است: یک میدان مغناطیسی قوی و یک دیسک برافزایشی. اما میدان مغناطیسی قوی، مانع از تشکیل دیسک برافزایشی می‌شود و اگر میدان مغناطیسی ضعیف باشد، نمی‌تواند جت‌های پرانرژی را تولید کند.

نقش دیسک برافزایشی: ناجی میدان مغناطیسی

مطالعه جدید، این تناقض را با نشان دادن نقش دیسک برافزایشی در حفظ و انتقال میدان مغناطیسی ستاره نوترونی به سیاهچاله، حل می‌کند. محققان با بررسی دقیق‌تر شبیه‌سازی‌های خود، متوجه شدند که ستاره‌های نوترونی نیز دارای دیسک‌های برافزایشی هستند. این دیسک‌ها، می‌توانند میدان مغناطیسی ستاره نوترونی را حفظ کرده و آن را به سیاهچاله تازه متولد شده منتقل کنند.محاسبات نشان می‌دهد که زمان تشکیل دیسک برافزایشی در اطراف سیاهچاله، کوتاه‌تر از زمانی است که سیاهچاله میدان مغناطیسی خود را از دست می‌دهد. به این ترتیب، دیسک برافزایشی به سیاهچاله کمک می‌کند تا میدان مغناطیسی خود را از مادرش، ستاره نوترونی، به ارث ببرد.

پیامدهای کیهانی: درک بهتر فوران‌های پرتو گاما و جت‌های کیهانی

این کشف، پیامدهای مهمی برای درک ما از پدیده‌های پرانرژی کیهان دارد. با دانستن اینکه میدان‌های مغناطیسی سیاهچاله‌ها از ستاره‌های نوترونی به ارث می‌رسند، می‌توانیم بهتر درک کنیم که چه نوع سیستم‌هایی قادر به تولید جت‌های کیهانی (Cosmic Jets) هستند. جت‌های کیهانی، فوران‌های پرانرژی از ذرات باردار هستند که از قطب‌های سیاهچاله‌ها و سایر اجرام آسمانی پرتاب می‌شوند و می‌توانند تأثیرات عمیقی بر محیط اطراف خود داشته باشند.اور گاتلیب در این باره می‌گوید: «این مطالعه، نحوه تفکر ما در مورد اینکه چه نوع سیستم‌هایی می‌توانند از تشکیل جت پشتیبانی کنند را تغییر می‌دهد. اگر بدانیم که دیسک‌های برافزایشی دلالت بر مغناطیس دارند، پس در تئوری، تنها چیزی که نیاز دارید، یک تشکیل دیسک اولیه برای تأمین انرژی جت‌ها است. من فکر می‌کنم جالب خواهد بود که اکنون که این را می‌دانیم، تمام ارتباطات بین جمعیت‌های ستاره‌ها و تشکیل جت را دوباره بررسی کنیم.»

همکاری تیمی و منابع محاسباتی قدرتمند: کلید موفقیت

این مطالعه، نمونه‌ای عالی از همکاری تیمی و استفاده از منابع محاسباتی قدرتمند برای حل مسائل پیچیده علمی است. محققان با ترکیب تخصص‌های مختلف و استفاده از شبیه‌سازی‌های دقیق، توانستند به درک عمیق‌تری از منشأ میدان‌های مغناطیسی سیاهچاله‌ها دست یابند.گاتلیب در پایان می‌گوید: «این یک همکاری چند رشته‌ای بود که ما را قادر ساخت تا از جهات مختلف به این سؤال بپردازیم و یک تصویر منسجم از تکامل یک ستاره پس از فروپاشی ایجاد کنیم. و منابع محاسباتی سخاوتمندانه CCA، به ما این امکان را داد تا شبیه‌سازی‌های فروپاشی را سازگارتر از همیشه انجام دهیم. من فکر می‌کنم این دو جنبه، منجر به یک رویکرد نوآورانه شد.»

گامی بزرگ در درک سیاهچاله‌ها

مطالعه جدید مؤسسه فلاتیرون، گامی بزرگ در درک ما از سیاهچاله‌ها و پدیده‌های پرانرژی کیهان است. این تحقیق، نشان می‌دهد که میدان‌های مغناطیسی سیاهچاله‌ها از ستاره‌های نوترونی به ارث می‌رسند و دیسک‌های برافزایشی، نقش مهمی در حفظ و انتقال این میدان‌ها ایفا می‌کنند. این یافته‌ها، می‌تواند به درک بهتر فوران‌های پرتو گاما، جت‌های کیهانی و سایر پدیده‌های مرتبط با سیاهچاله‌ها کمک کند.