این پدیده که با هستههای فعال کهکشانی (AGN) یا همان کوازارها مرتبط است، از جمله موضوعات جذاب و پیچیده در اخترفیزیک مدرن است. در ادامه، با زبانی روان و قابل فهم به ترجمه و توضیح این موضوع میپردازیم و نتایج تحقیقات اخیر را شرح میدهیم.
سیاهچالههای کلانجرم و هستههای فعال کهکشانی
این یک واقعیت علمی تثبیتشده است که اکثر کهکشانهای موجود در کیهان، در مرکز خود یک سیاهچاله کلانجرم دارند. این سیاهچالهها، به دلیل جرم عظیم و نیروی گرانشی قدرتمندشان، نقشی کلیدی در دینامیک کهکشانها ایفا میکنند. هسته فعال کهکشانی (AGN) که گاهی به نام “کوازار” نیز شناخته میشود، به بخشی از کهکشان اشاره دارد که در آن سیاهچاله کلانجرم فعالیت شدیدی دارد. این هستهها به قدری نور و تابش تولید میکنند که گاهی اوقات درخشش آنها از مجموع تمام ستارگان موجود در دیسک کهکشانی پیشی میگیرد.
در سال ۲۰۱۹، همکاری تلسکوپ افق رویداد (Event Horizon Telescope – EHT) موفق شد برای اولین بار تصویری از یک سیاهچاله کلانجرم در مرکز کهکشان M87 ثبت کند. این دستاورد تاریخی، دریچهای جدید به سوی درک بهتر این اجرام مرموز گشود. اما جالب است بدانید که حدود یک قرن پیش از این موفقیت، ستارهشناسی به نام هیبر دوست کورتیس (Heber Doust Curtis) جت قدرتمندی را که از مرکز همین کهکشان M87 ساطع میشد، کشف کرد. کورتیس، که در رصدخانه لیک (Lick Observatory) در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم فعالیت میکرد، یکی از حامیان نظریهای بود که سحابیهای مشاهدهشده در آسمان شب را نه صرفاً ابرهای گازی، بلکه کهکشانهای دوردست میدانست.
از آن زمان، ستارهشناسان جتهای مشابهی را که از سیاهچالههای کلانجرم در هسته کهکشانهای عظیم ساطع میشوند، مورد مطالعه قرار دادهاند. این جتها، که به نام جتهای نسبیتی شناخته میشوند، به دلیل سرعت نزدیک به نور و انرژی عظیمشان از اهمیت ویژهای برخوردارند. اخیراً، تیمی از فیزیکدانان نظری در دانشگاه گوته (Goethe University) با استفاده از شبیهسازیهای پیشرفته کامپیوتری توانستهاند توضیح دهند که این جتها چگونه شکل میگیرند.
چگونگی تشکیل جتهای نسبیتی
سیاهچالههای کلانجرم به دلیل نیروی گرانش عظیم و انرژی چرخشی خود، گاز و غبار اطراف را به شکل دیسکی به دور خود جمع میکنند. این دیسک که به نام دیسک برافزایشی شناخته میشود، تحت تأثیر نیروی گرانش و چرخش سیاهچاله به سرعتهای نسبیتی (نزدیک به سرعت نور) شتاب میگیرد. در برخی موارد، بخشی از این گاز و غبار از قطبهای دیسک به بیرون پرتاب میشود و جتهای نسبیتی را تشکیل میدهد که میتوانند تا هزاران سال نوری امتداد یابند.
سیاهچاله کلانجرم کهکشان M87 نمونهای برجسته از این پدیده است. این سیاهچاله با جرمی معادل شش و نیم میلیارد برابر جرم خورشید، به سرعت حول محور خود میچرخد. انرژی چرخشی این سیاهچاله، جت نسبیتی را تغذیه میکند که بیش از ۵,۰۰۰ سال نوری امتداد دارد. این جتها نه تنها انرژی و ماده را در محیط میانکهکشانی پراکنده میکنند، بلکه بر تکامل سایر کهکشانها نیز تأثیر میگذارند.
برای دههها، اخترشناسان گمان میکردند که انرژی مورد نیاز برای تشکیل این جتها از طریق میدانهای مغناطیسی قوی از سیاهچالههای در حال چرخش استخراج میشود. این فرآیند که به مکانیزم بلندفورد-زنایک (Blandford–Znajek) معروف است، به عنوان توضیح اصلی تشکیل جتهای اخترفیزیکی پذیرفته شده بود. اما تحقیقات جدید نشان دادهاند که این مکانیزم تنها بخشی از داستان است.
شبیهسازیهای پیشرفته و نتایج جدید
تیمی از مؤسسه فیزیک نظری دانشگاه گوته، به رهبری پروفسور لوچیانو رتزولا (Luciano Rezzolla)، کدی عددی به نام “فرانکفورت پارتیکل-این-سل کد برای فضا-زمانهای سیاهچاله” (FPIC) توسعه دادهاند. این کد برای ردیابی حرکت پلاسما و رفتار میدانهای الکترومغناطیسی در اطراف سیاهچالههای چرخان (معروف به سیاهچالههای کر) طراحی شده است. این کد، مکانیزم بلندفورد-زنایک را با فرآیندی به نام بازپیوند مغناطیسی (magnetic reconnection) ترکیب میکند. در بازپیوند مغناطیسی، خطوط میدان مغناطیسی شکسته و دوباره به هم متصل میشوند، که این فرآیند انرژی مغناطیسی را به گرما، تابش و فورانهای پلاسمایی تبدیل میکند.
دکتر کلودیو مرینگولو (Claudio Meringolo)، که توسعه این کد را رهبری کرده است، در بیانیهای از دانشگاه گوته اظهار داشت: «شبیهسازی چنین فرآیندهایی برای درک دینامیک پیچیده پلاسماهای نسبیتی در فضا-زمانهای خمیده نزدیک به اجرام فشرده حیاتی است. این فرآیندها تحت تأثیر تعامل میدانهای گرانشی و مغناطیسی بسیار قوی قرار دارند.»
این تیم شبیهسازیهای خود را با استفاده از ابررایانههای گوته در فرانکفورت و هاوک در اشتوتگارت انجام دادند. این شبیهسازیها نشان داد که در صفحه استوایی سیاهچاله، فعالیت بازپیوند مغناطیسی شدیدی رخ میدهد که منجر به تشکیل حبابهای متراکم و پرانرژی پلاسما (پلاسموئیدها) میشود که با سرعتهای نسبیتی حرکت میکنند. این فرآیند به تولید ذرات با انرژی منفی منجر میشود که جتها، فورانهای پلاسمایی و دیگر پدیدههای شدید مرتبط با سیاهچالههای کلانجرم را تغذیه میکنند.
دکتر فیلیپو کامیلیونی (Filippo Camilloni)، یکی از نویسندگان همکار این مطالعه، اظهار داشت: «نتایج ما این امکان جذاب را مطرح میکند که مکانیزم بلندفورد-زنایک تنها فرآیند اخترفیزیکی نیست که انرژی چرخشی را از سیاهچاله استخراج میکند، بلکه بازپیوند مغناطیسی نیز در این فرآیند نقش دارد.»
اهمیت این کشف
پروفسور رتزولا تأکید کرد که این نتایج نشاندهنده قدرت کدهای عددی پیشرفته در درک بهتر اتفاقاتی است که در نزدیکی سیاهچالهها رخ میدهد. او افزود: «با کار خود، ما میتوانیم نشان دهیم که چگونه انرژی به طور مؤثر از سیاهچالههای در حال چرخش استخراج شده و به جتها هدایت میشود. این به ما کمک میکند تا درخشندگی فوقالعاده هستههای فعال کهکشانی و شتاب ذرات به سرعتهای نزدیک به نور را توضیح دهیم. در عین حال، این بسیار ارزشمند است که بتوانیم نتایج این شبیهسازیهای پیچیده را با یک تحلیل ریاضی دقیق توضیح دهیم، همانطور که در کار خود انجام دادهایم.»
این تحقیقات نه تنها به درک بهتر جتهای نسبیتی کمک کرده است، بلکه راه را برای مطالعات آینده در مورد تعاملات پیچیده بین گرانش، میدانهای مغناطیسی و پلاسما در نزدیکی سیاهچالهها هموار میکند. این یافتهها همچنین نشاندهنده پیشرفتهای چشمگیر در فناوری شبیهسازی و قدرت محاسباتی است که به اخترشناسان امکان میدهد اسرار کیهان را با دقت بیشتری کاوش کنند.
نتیجهگیری
سیاهچالههای کلانجرم و جتهای نسبیتی که از آنها ساطع میشوند، از جمله شگفتانگیزترین پدیدههای کیهانی هستند. این جتها نه تنها به ما کمک میکنند تا فرآیندهای فیزیکی پیچیده در اطراف سیاهچالهها را درک کنیم، بلکه نقش مهمی در تکامل کهکشانها و ساختار کیهان ایفا میکنند. با پیشرفتهایی مانند شبیهسازیهای انجامشده توسط تیم دانشگاه گوته، ما اکنون درک بهتری از چگونگی تشکیل این جتها و نقش فرآیندهایی مانند بازپیوند مغناطیسی در کنار مکانیزمهای سنتی مانند بلندفورد-زنایک داریم. این اکتشافات، گامهای بلندی در جهت رمزگشایی از اسرار کیهان و فهم بهتر یکی از مرموزترین اجرام آن، یعنی سیاهچالهها، به شمار میروند.
