در چنین موقعیت‌هایی، ماده‌ای که به دام گرانش سیاهچاله افتاده، در اطراف آن حلقه‌ای چرخان به نام قرص برافزایشی (Accretion Disk) تشکیل می‌دهد. در این قرص، ماده به دلیل اصطکاک و فشار شدید، داغ می‌شود و شروع به گسیل پرتوهای الکترومغناطیسی می‌کند. در چنین شرایطی سیاهچاله، که ذاتاً تاریک و غیرقابل مشاهده است، نشانه‌هایی از حضور خود بروز می‌دهد. اما در زمان‌های دیگر، وقتی ماده‌ای در حال فرو ریختن به درون سیاهچاله نیست، عملاً هیچ نوری از آن‌ها دیده نمی‌شود.
سیاه‌چاله‌های پرجرم ستاره‌ای و دوتایی‌های پرتو ایکس
برخی از سیاهچالهها که جرمشان تنها چند برابر جرم خورشید است، در سامانه‌هایی دیده می‌شوند که اخترشناسان آن‌ها را دوتایی‌های پرتو ایکس (X-ray Binaries) می‌نامند. در این سیستم‌ها دو جرم به دور هم می‌چرخند:
- یکی از آن‌ها یک ستاره اهداکننده است که اغلب یک ستاره‌ی رشته اصلی معمولی است،
- و دیگری جسمی بسیار چگال به نام جذب‌کننده (Accretor) است که می‌تواند یک ستاره‌ی نوترونی، یک کوتوله‌ی سفید، یا یک سیاهچالهی پرجرم ستاره‌ای باشد.
در این سامانه‌ها، ماده از ستاره‌ی اهداکننده جدا شده و به سمت جسم چگال همدم سرازیر می‌شود و در نهایت قرص برافزایشی را می‌سازد.
پژوهش تازه و سیاهچالهی 4U 1630-472
پژوهشی تازه که در مجله‌ی The Astrophysical Journal Letters منتشر شده، به بررسی یکی از این دوتایی‌های پرتو ایکس با نام 4U 1630-472 پرداخته است. داده‌های این پژوهش از ماهواره‌ی XRISM (مأموریت تصویربرداری و طیف‌سنجی پرتو ایکس آژانس فضایی ژاپن JAXA) و ابزار طیف‌سنجی آن به نام Resolve به دست آمده است.
این پژوهش با عنوان:
“XRISM Spectroscopy of the Stellar-mass Black Hole 4U 1630-472 in Outburst”
منتشر شده و نویسنده‌ی اصلی آن جان میلر (Jon Miller) از بخش اخترشناسی دانشگاه میشیگان است.
اعتبار تصویر: NASA/JPL-Caltech
او و همکارانش می‌نویسند:
«ما طیف‌سنجی XRISM/Resolve را از سیاهچالهی گذرای 4U 1630-472 در جریان فوران سال ۲۰۲۴ گزارش می‌کنیم.»
پیش‌تر تلسکوپ‌هایی مانند چاندرا و XMM-Newton تنها بادهای ساده‌ی قرص برافزایشی (Disk Winds) را شناسایی کرده بودند، اما داده‌های XRISM نشان داد که اوضاع بسیار پیچیده‌تر و «درهم‌وبرهم‌تر» از آن چیزی است که تصور می‌شد.
میلر می‌گوید:
«غافلگیر شدن چیز خوبی است. وقتی انتظارات ساده‌انگارانه‌ی ما نادرست از آب درآید، یعنی پیشرفت کرده‌ایم.»
اهمیت بادهای قرص برافزایشی
اخترفیزیک‌دانان علاقه‌مندند بدانند بادهای قرص برافزایشی چه زمانی آغاز می‌شوند و چه عواملی بر آن‌ها اثر می‌گذارد. این بادها ماده را از قرص برافزایشی دور می‌کنند.
- در نگاه اول این پدیده مانع رشد سیاهچاله می‌شود، چون ماده‌ی کمتری برای سقوط در دسترس است.
- اما در عوض، بادها با خود تکانه زاویه‌ای (Angular Momentum) را نیز خارج می‌کنند. این موضوع می‌تواند باعث شود ماده‌ی باقی‌مانده راحت‌تر به سمت مرکز سقوط کند.
بادهای قرص همچنین نوعی بازخورد منفی ایجاد می‌کنند:
هرچه نرخ برافزایش بیشتر شود، قرص داغ‌تر شده و بادهای قوی‌تری می‌وزند. این بادها ماده‌ی بیشتری را از قرص بیرون می‌رانند و در نتیجه نرخ برافزایش دوباره کاهش می‌یابد. این چرخه به نوعی تنظیم‌کننده‌ی فرایند برافزایش است. اخترشناسان معتقدند که مطالعه‌ی این بازخوردها در سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای می‌تواند برای فهم رفتار سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم (Supermassive Black Holes) هم راهگشا باشد.
مشاهدات تازه و نتایج غیرمنتظره
بادهای قرص معمولاً در حالت‌های طیفی خاصی دیده می‌شوند، یعنی زمانی که طیف پرتو ایکس از خود قرص می‌آید و نه از تاج داغ بالای آن. اما در مشاهدات اخیر، XRISM طیفی بسیار پیچیده و متغیر از جذب یونیده را آشکار کرد. پژوهشگران این وضعیت را ترکیبی از پدیده‌های زیر دانستند:
- بادهای ناکام (Failed Winds) که آغاز می‌شوند ولی نمی‌توانند پایدار بمانند،
- ناهمسانگردی در جریان ماده که شاید نشان‌دهنده‌ی «جریان برافزایشی سرریزکننده» باشد،
- و حتی خروجی‌های سریع با نرخ‌های بالای انتقال جرم.
این درهم‌ریختگی اگرچه غافلگیرکننده است، اما فرصت بزرگی برای دانشمندان فراهم می‌کند تا مدل‌های خود را اصلاح کنند و به درک عمیق‌تری برسند.
میلر در بیانیه‌ای گفت:
«اینکه شگفت‌زده شویم، خوب است. اینکه بفهمیم انتظارهایمان ساده‌لوحانه بوده، یعنی جلو رفته‌ایم. داشتن مسیرهای تازه برای پیگیری فوق‌العاده است. اخترشناسی پر از شگفتی است و هرگز خسته‌کننده نمی‌شود.»
توانایی‌های XRISM در برابر تلسکوپ‌های قدیمی
تلسکوپ‌های پرتو ایکس چاندرا (NASA) و XMM-Newton (ESA) حدود ۲۵ سال قدمت دارند. XRISM که یک پروژه‌ی مشترک میان JAXA، NASA و ESA است، ابزارهای بسیار دقیق‌تری دارد. این ماهواره می‌تواند داده‌هایی را که پیش‌تر شبیه نویز به نظر می‌رسید، به خطوط طیفی مفید تبدیل کند.
میلر توضیح داد:
«XRISM دست‌کم ۱۰ برابر حساس‌تر از هر ابزار پرتو ایکس پیشین است. به همین دلیل ناگهان می‌توانیم خطوط طیفی بسیار چشمگیر ببینیم که طی دو دهه‌ی گذشته فقط شبیه نویز بودند.»
مقایسه با سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم
اعتبار تصویر: JAXA
برای سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم (SMBH) در مرکز کهکشان‌ها، تغییرات مشابهی در بادهای قرص اگر رخ دهد، در مقیاس زمانی صدها میلیون سال خواهد بود. اما در سیاه‌چاله‌های پرجرم ستاره‌ای مثل 4U 1630-472، این تحولات بسیار سریع‌تر اتفاق می‌افتد. این سیاهچاله تقریباً هر دو سال یک بار دچار فوران می‌شود و در طول یک هفته می‌تواند ۱۰ هزار برابر درخشنده‌تر گردد.
میلر می‌گوید:
«ما توانستیم گستره‌ای از نرخ‌های جریان گاز را ببینیم که برای سیاه‌چاله‌های عظیم مرکز کهکشان‌ها اصلاً قابل مشاهده نیست. دیدن چنین چیزی در راه شیری میلیون‌ها سال طول می‌کشد. به همین دلیل ما سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر را مطالعه می‌کنیم تا سرنخی درباره‌ی تکامل سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم و نقششان در تحول کهکشان‌ها به دست آوریم.»
آشوب به جای جریان منظم
پژوهشگران انتظار داشتند وقتی جریان گاز کاهش می‌یابد، ورود ماده به قرص برافزایشی آرام‌تر و منظم‌تر شود. میلر این موضوع را با ریختن آب مقایسه می‌کند:
«اگر بخواهید یک سطل آب را درون یک لیوان بریزید، احتمال زیادی دارد که آب بریزد و پخش شود. اما اگر یک لیوان آب را درون یک سطل بریزید، آب به‌خوبی جا می‌شود. ما فکر می‌کردیم سیاهچالهها هم همین‌طورند. اما به نظر می‌رسد در هر دو حالت، چه زیاد و چه کم، آشوب به راه می‌اندازند.»
به جای جریان آرام، جرم همچنان به شکل آشفته و بی‌نظم به اطراف پرتاب می‌شد، به‌جای آنکه مستقیم به درون سیاهچاله سقوط کند.
گام‌های بعدی پژوهش
نویسندگان مقاله توضیح می‌دهند که آن‌ها طیف به‌دست‌آمده را تنها به دو بخش تقسیم کردند، اما حساسیت داده‌ها آن‌قدر بالاست که می‌توان آن را به بازه‌های زمانی کوچک‌تر خرد کرد و تحول طیف جذب را با دقت بالاتری پی گرفت. این کار فراتر از دامنه‌ی پژوهش کنونی بود، اما در آینده بسیار امیدوارکننده است.
میلر افزود:
«ما هنوز در فاز اصلی مأموریت XRISM هستیم که دو سال طول می‌کشد و هدفش کشف نمونه‌های علم پیشگام است. پس از آن، باقی مأموریت صرف بررسی عمیق‌تر این یافته‌ها خواهد شد.»
پیامدها برای کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های عظیم
سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند و بازخورد آن‌ها (AGN feedback) یکی از مهم‌ترین عوامل در رشد کهکشان‌ها و شکل‌گیری ستارگان است. هرچند مشاهده‌ی مستقیم بادهای قرص در آن‌ها دشوار است، اما پژوهش‌های تازه با XRISM بر روی سیاه‌چاله‌های فعال ستاره‌ای می‌تواند سرنخ‌هایی حیاتی برای درک رفتار این غول‌های کیهانی و تأثیر عظیم آن‌ها بر تکامل کهکشان‌ها فراهم کند.
