جرم کهکشان پیش‌زمینه، تصویر کهکشان دوردست پس‌زمینه را بزرگ و دچار اعوجاج می‌کند. نور این کهکشان پس از میلیاردها سال سفر، به ما می‌رسد. این دو کهکشان چنان در یک راستا قرار گرفته‌اند که یک حلقه اینشتین ایجاد کرده‌اند.
تحقیقات جدید درباره نعل اسبی کیهانی نشان می‌دهد که در مرکز کهکشان پیش‌زمینه، یک سیاهچاله فوق‌پرجرم (UMBH) با جرمی معادل ۳۶ میلیارد برابر خورشید قرار دارد.
تعریف دقیقی برای سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم وجود ندارد، اما این اصطلاح معمولاً برای سیاه‌چاله‌هایی به کار می‌رود که جرمی بیش از ۵ میلیارد برابر خورشید دارند. سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم (SMBH) به معنای سنتی «کشف» نشدند، بلکه به‌مرور زمان وجود آن‌ها آشکار شد و اندازه‌گیری‌های بیشتری از نمونه‌های پرجرم‌تر آن‌ها صورت گرفت. با افزایش تعداد سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم، نیاز به یک نامگذاری خاص برای آن‌ها احساس شد و اصطلاح «سیاهچاله فوق‌پرجرم» پدید آمد.
کشف این سیاهچاله عظیم در نعل اسبی کیهانی در یک پژوهش جدید ارائه شده است. این تحقیق با عنوان «پرده‌برداری از یک سیاهچاله ۳۶ میلیارد جرمی خورشیدی در مرکز همگرایی گرانشی نعل اسبی کیهانی» منتشر شده و نویسنده اصلی آن کارلوس ملو-کارنیرو از مؤسسه فیزیک دانشگاه فدرال ریو گرانده دو سول برزیل است. این مقاله در سایت arxiv.org قابل دسترسی است.
در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، انقلاب بزرگی در فیزیک رخ داد که در آن نظریه نسبیت جایگزین فیزیک نیوتنی شد و درک ما از جهان را به سطح جدیدی ارتقا داد. مشخص شد که فضا و زمان به‌جای اینکه دو مفهوم جداگانه باشند، درهم‌تنیده‌اند و اجرام پرجرم می‌توانند فضا-زمان را خم کنند. حتی نور نیز از این قاعده مستثنی نبود و اینشتین برای ایده سیاه‌چاله‌ها—که ریشه آن به «ستارگان تاریک» جان میچل بازمی‌گردد—پایه‌ای ریاضی ارائه داد. در سال ۱۳۱۴، اینشتین همگرایی گرانشی را پیش‌بینی کرد، هرچند او زنده نماند تا شواهد تصویری آن را که امروزه در اختیار داریم، ببیند.
اکنون هزاران عدسی گرانشی شناسایی شده‌اند و این پدیده به یکی از ابزارهای طبیعی ستاره‌شناسان تبدیل شده است. این عدسی‌ها به دلیل وجود سیاه‌چاله‌های عظیم در کهکشان‌های پیش‌زمینه پدید می‌آیند.
کهکشان پیش‌زمینه در نعل اسبی کیهانی، LRG 3-757 نام دارد. این کهکشان از نوع نادر کهکشان‌های قرمز درخشان (LRG) است که در طیف فروسرخ بسیار روشن هستند. کهکشان LRG 3-757 جرمی حدود ۱۰۰ برابر کهکشان راه شیری دارد و یکی از پرجرم‌ترین کهکشان‌هایی است که تاکنون مشاهده شده است. اکنون می‌دانیم که یکی از عظیم‌ترین سیاه‌چاله‌های کشف‌شده در مرکز این کهکشان قرار دارد.
نویسندگان مقاله می‌نویسند: «سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم (SMBH) در مرکز هر کهکشان پرجرم یافت می‌شوند و جرم آن‌ها با کهکشان میزبانشان ارتباط نزدیکی دارد که در طول زمان کیهانی به‌طور هم‌تکاملی رشد کرده است.»
ستاره‌شناسان تاکنون هیچ سیاهچاله پرجرمی را در مرکز کهکشان‌های کوتوله نیافته‌اند و همچنین سیاه‌چاله‌های کوچک‌جرم را در کهکشان‌های عظیم مشاهده نکرده‌اند. یک رابطه مشخص بین SMBHها و کهکشان‌های میزبانشان، به‌ویژه کهکشان‌های بیضوی پرجرم مانند LRG 3-757، وجود دارد. این مطالعه این ارتباط را تقویت می‌کند.
این پژوهش بر رابطه MBH-σe متمرکز است؛ یعنی رابطه بین جرم یک سیاهچاله ابرپرجرم و پراکندگی سرعت ستارگان در برآمدگی کهکشانی. پراکندگی سرعت (σe) میزان تغییر سرعت ستارگان نسبت به میانگین سرعت آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. هرچه پراکندگی سرعت بیشتر باشد، ستارگان با سرعت بالاتری و به‌صورت تصادفی‌تر حرکت می‌کنند.
بررسی کهکشان‌ها نشان داده که هرچه جرم SMBH بیشتر باشد، پراکندگی سرعت نیز بیشتر است. این رابطه نشان‌دهنده پیوندی عمیق بین تکامل کهکشان‌ها و رشد SMBHها است. این همبستگی آن‌قدر قوی است که ستاره‌شناسان می‌توانند با اندازه‌گیری پراکندگی سرعت، جرم SMBH را تخمین بزنند.
اما سیاهچاله فوق‌پرجرم در نعل اسبی کیهانی جرمی بیشتر از آنچه که رابطه MBH-σe پیش‌بینی می‌کند دارد.
نویسندگان می‌نویسند: «انتظار می‌رود که پرجرم‌ترین کهکشان‌های جهان، مانند کهکشان‌های درخشان مرکزی (BCGs)، میزبان پرجرم‌ترین SMBHها باشند.» ستاره‌شناسان تاکنون سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم متعددی در این کهکشان‌ها یافته‌اند، از جمله LRG 3-757. «با این حال، اهمیت این سیاه‌چاله‌ها در این است که بسیاری از آن‌ها از رابطه استاندارد خطی MBH-σe انحراف دارند.»
کهکشان LRG 3-757 به‌شدت از این رابطه منحرف شده است. نویسندگان توضیح می‌دهند: «یافته‌های ما نشان می‌دهد که نعل اسبی کیهانی تقریباً ۱.۵ سیگما بالاتر از رابطه MBH-σe قرار دارد، که از روند نوظهوری که در BCGها و دیگر کهکشان‌های پرجرم مشاهده شده، پشتیبانی می‌کند.»
اما چه چیزی باعث این جدایی از رابطه MBH-σe در کهکشان‌های پرجرم می‌شود؟
ممکن است ستارگان کهکشان در ادغام‌های گذشته از بین رفته باشند، که این امر بر پراکندگی سرعت تأثیر گذاشته است.
نویسندگان اشاره می‌کنند که LRG 3-757 ممکن است بخشی از یک گروه فسیلی باشد. «عدسی نعل اسبی کیهانی در z = 0.44 قرار دارد و کهکشان هم‌جرم قابل مقایسه‌ای در نزدیکی خود ندارد—احتمالاً یک گروه فسیلی است.»
گروه‌های فسیلی شامل کهکشان‌های عظیمی هستند که در مرکز خود کهکشانی بسیار بزرگ دارند، معمولاً از نوع LRG. این گروه‌ها و کهکشان‌های LRG نمایانگر مرحله نهایی تکامل کهکشان‌ها هستند، جایی که فعالیت شکل‌گیری ستارگان کاهش یافته است.
سناریوهای دیگری نیز ممکن است توضیح‌دهنده این پدیده باشند، از جمله:
- فرآیند پاک‌سازی (Scouring): در صورت ادغام دو کهکشان بسیار پرجرم، SMBHهای دوتایی ممکن است ستارگان مرکز کهکشان را به بیرون پرتاب کنند و پراکندگی سرعت را کاهش دهند.
- بازخورد سیاهچاله/AGN: هنگامی که سیاه‌چاله‌ها فعالانه ماده را جذب می‌کنند، کهکشان‌ها را تحت تأثیر قرار داده و شکل‌گیری ستارگان را متوقف می‌کنند.
- ادغام‌های شدید در گذشته: برخی از UMBHها ممکن است بقایای اختروش‌های بسیار درخشان در جهان اولیه باشند.
برای درک بهتر این پدیده، رصدهای بیشتری لازم است. مأموریت Euclid در پنج سال آینده صدها هزار عدسی گرانشی جدید کشف خواهد کرد و تلسکوپ بسیار بزرگ (ELT) نیز مطالعات دقیق‌تری از پراکندگی سرعت ارائه خواهد داد.
