ممکن است سیاه‌چاله‌ای فوق‌العاده در ابر بزرگ ماژلانی در حال تهدید کهکشان راه شیری باشد

در سال ۱۳۸۴، اولین کشفیات تایید شدند. HVSs بسیار سریع‌تر از ستارگان معمولی حرکت می‌کنند و گاهی اوقات می‌توانند از سرعت فرار کهکشانی نیز عبور کنند. اخترشناسان تخمین می‌زنند که کهکشان راه شیری حدود ۱۰۰۰ HVS داشته باشد و تحقیقات جدید نشان می‌دهد که برخی از این‌ها از کهکشان ماهواره‌ای راه شیری، ابر ماژلانی بزرگ (LMC) منشاء می‌گیرند.

آیا LMC یک سیاه‌چاله فوق‌العاده‌پرجرم (SMBH) دارد که برخی از HVSs را به کهکشان راه شیری پرتاب می‌کند؟ بیشتر ستارگان در کهکشان راه شیری با سرعتی حدود ۱۰۰ کیلومتر در ثانیه حرکت می‌کنند، در حالی که HVSs می‌توانند با سرعتی حدود ۱۰۰۰ کیلومتر در ثانیه حرکت کنند. نظریه‌های موجود، که توسط شواهد موجود پشتیبانی می‌شوند، می‌گویند که HVSs از مرکز کهکشان منشأ می‌گیرند.

اخترشناسان فکر می‌کنند که آن‌ها از سیستم‌های ستاره‌ای دوتایی به‌وجود می‌آیند که خیلی به سیاه‌چاله مرکزی کهکشان، یعنی Sgr. A* نزدیک می‌شوند. در این سناریو، یکی از ستارگان دوتایی توسط سیاه‌چاله جذب می‌شود و ستاره دیگر به‌عنوان HVS پرتاب می‌شود. این مکانیزم هیلز نامیده می‌شود.

در واقع، برخی از شواهد اولیه برای حمایت از وجود Sgr. A* بر اساس ستارگان پرسرعت در مرکز کهکشان بود که توسط مکانیزم هیلز پرتاب شده بودند. تحقیقات جدید منتشر شده در The Astrophysical Journal نشان می‌دهد که تعداد شگفت‌انگیزی از HVSهای کهکشان راه شیری نه از مرکز کهکشان، بلکه از LMC منشأ می‌گیرند. این مقاله با عنوان “Hypervelocity Stars Trace a Supermassive Black Hole in the Large Magellanic Cloud” منتشر شده است. نویسنده اصلی این مقاله جی‌وان هان، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونین است که به مطالعات باستان‌شناسی کهکشانی می‌پردازد. در سال ۱۳۸۵، محققان نتایج یک نظرسنجی از HVSs در کهکشان راه شیری را منتشر کردند.

این نظرسنجی ۲۱ HVS که ستارگان نوع B بی‌بند در هاله بیرونی کهکشان راه شیری بودند را شناسایی کرد. ویژگی‌های این ستارگان با ستارگانی که از مرکز کهکشان توسط مکانیزم هیلز پرتاب شده بودند، سازگار بود. در این تحقیق جدید، اخترشناسان این ستارگان را دوباره بررسی کردند. آنها از کمک‌هایی استفاده کردند که در سال ۱۳۸۵ در دسترس نبودند: فضاپیمای گایا (Gaia) آژانس فضایی اروپا (ESA). گایا، قهرمان اندازه‌گیری ستارگان ماست.

این فضاپیما در نقطه ل2 بین خورشید و زمین قرار دارد، جایی که دو میلیارد جسم، عمدتاً ستاره‌ها، را اندازه‌گیری کرده و موقعیت‌ها و سرعت‌های آنها را پیگیری می‌کند. هان و همکارانش این ۲۱ HVS را با استفاده از حرکات صحیح که توسط گایا ارائه شده است، دوباره بررسی کردند. گایا، ماموریتی که پیشرفت قابل توجهی در درک ما از کهکشان راه شیری به‌وجود آورده است، دوباره به کمک آمد. هان و همکارانش می‌نویسند: “ما می‌یابیم که نیمی از HVSهای بی‌بند کشف‌شده توسط نظرسنجی HVS نه از مرکز کهکشان، بلکه از LMC ردیابی می‌شوند.” این نتیجه آنها را به حفاری بیشتر برانگیخت. محققان مدلی ساختند که بر اساس ستارگانی که توسط یک SMBH در LMC پرتاب شده بودند، شبیه‌سازی شده بود.

1746px A Starry Combination — این تصویر زیبا ابرهای بزرگ و کوچک مجلل را بالای رصدخانه پارانال متعلق به سازمان تحقیقات نجومی اروپا (ESO) و چهار تلسکوپ کمکی آرایه تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) نشان می‌دهد. تحقیقات جدید نشان می‌دهند که ممکن است ابر بزرگ مجلل یک سیاه‌چاله فوق‌العاده بزرگ در خود داشته باشد که مسئول برخی از ستارگان فوق‌سرعت کهکشان راه شیری است. اعتبار تصویر: توسط ESO/J. Colosimo – http://www.eso.org/public/images/potw1511a/ ، با مجوز CC BY ۴.۰، https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38973313

نویسندگان می‌نویسند: “توزیعات فضایی و جنبشی پیش‌بینی‌شده برای HVSهای شبیه‌سازی‌شده به طرز شگفت‌انگیزی مشابه توزیعات مشاهده‌شده است.” آیا ممکن است علت دیگری برای HVSها وجود داشته باشد؟ انفجارهای ابرنواختری می‌توانند ستارگانی را پرتاب کنند و همچنین تعاملات گرانشی دینامیکی هم می‌توانند همین کار را انجام دهند.

به گفته نویسندگان، این‌ها نمی‌توانند توضیح‌دهنده باشند. “ما می‌یابیم که نرخ تولد و خوشه‌بندی HVSهای LMC نمی‌تواند با انفجارهای ابرنواختری یا سناریوهای پرتاب دینامیکی که شامل SMBH نیستند، توضیح داده شود.” یکی از شواهد کلیدی که از وجود یک سیاه‌چاله در LMC حمایت می‌کند، انباشتگی بیش از حد است.

hypervelocity star overdensity — مدل محققین پیش‌بینی می‌کند که در کهکشان راه شیری، در جهت صورت فلکی لئو، انباشتگی بیش از حد ستارگان وجود دارد که به آن “انباشتگی لئو” گفته می‌شود. “دایره‌های سیاه باز مختصات کهکشانی ستارگان فوق‌سرعتی هستند که در پیمایش HVS شناسایی شده‌اند، در حالی که نواحی خاکستری‌رنگ مناطقی را نشان می‌دهند که از پیمایش حذف شده‌اند”، نویسندگان توضیح می‌دهند. “این مدل به دقت مکان انباشتگی مشاهده‌شده را بازسازی می‌کند، که فرضیه وجود یک سیاه‌چاله ابرجرم (SMBH) در ابرماژلانی کوچک (LMC) به عنوان منبع این ستارگان را پشتیبانی می‌کند.” منبع تصویر: Han et al. ۲۰۲۵.

این انباشتگی که به نام انباشتگی لئو شناخته می‌شود، ناحیه‌ای در جهت صورت فلکی لئو است که چگالی ستارگان آن بیشتر از نواحی اطراف است. هان و همکارانش می‌گویند مدل آنها نیز همین انباشتگی را تولید می‌کند. یک SMBH با حدود ۶۰۰,۰۰۰ جرم خورشید در LMC ستارگانی را به کهکشان راه شیری پرتاب می‌کند که برخی از آنها HVS هستند و برخی دیگر اکنون در انباشتگی لئو ساکن شده‌اند. مدل آنها نشان می‌دهد که تقریباً تمام ستارگان در انباشتگی لئو از LMC و SMBH آن آمده‌اند که نویسندگان آن را “نتیجه‌ای عجیب” توصیف می‌کنند.

برای درک بهتر این موضوع، آنها به بررسی نحوه عملکرد مکانیزم هیلز پرداختند. نویسندگان می‌نویسند: “اصلی‌ترین اجزای مکانیزم هیلز عبارتند از: (۱) جرم LMC، (۲) جرم ستارگان دوتایی، (۳) فاصله‌های دوتایی قبل از تخریب جزر و مدی، (۴) فاصله‌های پری‌سنتری مدار دوتایی در اطراف SMBH.” اینها ورودی‌هایی به مکانیزم هیلز هستند و خروجی‌های آن احتمال‌ها و سرعت‌های پرتاب برای ستارگان فردی است. برای ستارگان پرتاب‌شده، محققان مدارهای آنها را به مدت ۴۰۰ میلیون سال به جلو یکپارچه کردند تا ببینند آنها به کجا خواهند رفت.

نویسندگان می‌نویسند: “ما در نهایت جمعیت ستارگان حاصل را از چارچوب استراحت کهکشانی در روز حاضر ‘مشاهده’ کرده و یک تابع انتخابی را اعمال کردیم تا با محدودیت‌های مشاهداتی نظرسنجی HVS هم‌خوانی داشته باشد.” این تحقیق ممکن است پیامدهای دوربردی داشته باشد.

HVS Leo overdensity velocities — این تصویر برخی از مدل‌سازی‌ها و نتایج را نشان می‌دهد. (۱) سرعت‌های چارچوب استراحتی ستارگانی را که توسط سیاهچاله فوق‌سنگین (SMBH) از ابرخوشه ماحولی راه شیری (LMC) پرتاب شده‌اند، نشان می‌دهد. (۲) سرعت این ستارگان را در چارچوب استراحتی کهکشان راه شیری نشان می‌دهد. نویسندگان می‌نویسند: “اندازه هر نقطه متناسب با سرعت اضافی نسبت به سرعت فرار محلی کهکشان است.” (۳) ستارگانی را نشان می‌دهد که از سرعت فرار کهکشانی فراتر رفته‌اند، که جریانی از ستارگان هایپرسرعتی را در جلو مدار LMC نشان می‌دهد. (۴) ستارگانی را نشان می‌دهد که وارد بررسی ستارگان هایپرسرعتی (HVS Survey) شده‌اند. اساساً، نوک پیشرو ستارگان هایپرسرعتی از LMC، چگالی بالای LEO است. منبع تصویر: Han et al. ۲۰۲۵.

افکار کنونی می‌گویند که تمام کهکشان‌های بزرگ دارای SMBH هستند، اما کهکشان‌های کوچک ممکن است چنین نباشند. شواهدی وجود دارد که کهکشان‌های کوچک می‌توانند آنها را در خود جای دهند، اما در کهکشان‌های کوتوله مانند LMC، به‌عنوان مثال، سیاه‌چاله‌ها ممکن است به‌اندازه کافی بزرگ نباشند که به‌عنوان SMBH واقعی شناخته شوند، بسته به جایی که مرز آن قرار دارد.

علاوه بر این، شناسایی آنها در کهکشان‌های کوتوله دشوارتر است زیرا ممکن است به‌طور فعال ماده را جذب نکنند. این تحقیق وضعیت را تغییر می‌دهد. این نشان می‌دهد که وجود یک سیاه‌چاله به‌تنهایی HVSها را تولید نمی‌کند؛ حرکت کهکشان نیز نقش دارد. مطالعات آینده درباره HVSها باید حرکت کهکشانی را در نظر بگیرند. این مطالعه همچنین برای درک ما از رشد و تکامل کهکشان‌ها پیامدهایی دارد.

اگر اخترفیزیک‌دان‌ها سیاه‌چاله‌ها را در کهکشان‌های کوچک از دست بدهند، این به این معناست که نظریه‌های ما درباره تکامل کهکشان‌ها ممکن است اطلاعات مهمی را از دست داده باشند. تحقیقات بیشتر درباره HVSها این نتایج را در نظر خواهند گرفت. داده‌های گایا ممکن است به شناسایی HVSهای بیشتر کمک کند زمانی که داده‌های جدید در دسترس قرار گیرند. این یعنی نقاط داده بیشتر، چیزی که دانشمندان همیشه به دنبال آن هستند. با این داده‌ها، محققان می‌توانند مدل‌های دقیق‌تری بسازند و نظریه‌های دقیق‌تری درباره HVSها و چگونگی تولید آنها توسعه دهند.