تلسکوپ فضایی جیمز وب شوکی را در نزدیکی سیاهچاله‌های عظیم پیدا کرد (تصویر)

در مورد چگونگی انتقال انرژی هسته‌های کهکشانی فعال به محیط اطراف خود بحث‌های زیادی وجود دارد. ما انتظار نداشتیم که جت‌های رادیویی این گونه آسیب ببینند.

اخترشناسان با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ساختار غبار و گاز را در اطراف یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم تصویربرداری کرده‌اند که به معنای واقعی کلمه یک ویژگی ‘شوک’ را پیدا کرده است.

این تیم کشف کرد که انرژی گرمایش این ابر چرخان از گاز و غبار در واقع از برخورد با جت های گازی که با سرعت نزدیک به نور یا ‘شوک’ حرکت می کنند، ناشی می شود. پیش از این، دانشمندان این نظریه را مطرح کرده بودند که انرژی گرمایش این غبار از خود سیاهچاله بسیار پرجرم ناشی می شود و این یک پیچ غیرمنتظره است.

خانه کهکشانی ESO 428-G14، یک سیاهچاله بسیار پرجرم و فعال است که در فاصله ۷۰ میلیون سال نوری از زمین قرار دارد. اصطلاح “کهکشان فعال” به این معناست که ESO 428-G14 دارای یک منطقه مرکزی یا “هسته کهکشانی فعال” (AGN) است که نور قدرتمند و شدیدی را در سراسر طیف الکترومغناطیسی ساطع می‌کند. این نور به دلیل وجود یک سیاهچاله بسیار بزرگ است که به‌طور مداوم به مواد اطراف خود هجوم می‌برد.

یافته های شوک AGN توسط اعضای همکاری کهکشانی، توروس و بررسی جریان خروجی (GATOS) بدست آمد که از مشاهدات اختصاصی JWST برای مطالعه قلب کهکشان های نزدیک استفاده می کنند.

دیوید روزاریو، عضو تیم GATOS، مدرس ارشد دانشگاه نیوکاسل، در بیانیه‌ای گفت: بحث‌های زیادی در مورد چگونگی انتقال انرژی AGN به محیط اطراف خود وجود دارد. ما انتظار نداشتیم که جت های رادیویی این گونه آسیب ببینند.

james webb1 — تصویری سه رنگ از کهکشان ESO 428-G14 که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب گرفته شده است. (اعتبار تصویر: NASA/ESA/JWST)

کشف رازهای یک سیاهچاله ‘پر سر و صدا’

تصور می‌شود که همه کهکشان‌های بزرگ دارای سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم مرکزی هستند که جرم‌هایی از میلیون‌ها تا میلیاردها برابر خورشید دارند، اما همه این سیاه‌چاله‌ها در AGN‌ها قرار ندارند.

برای مثال راه شیری را در نظر بگیرید. سیاهچاله کلان پرجرم Sagittarius A* (Sgr A*) کهکشان ما توسط مواد کمی احاطه شده است که «رژیم غذایی» ماده آن معادل زندگی انسان با یک دانه برنج در هر میلیون سال است. این باعث می شود Sgr A*، که جرمی برابر با ۴.۳ میلیون خورشید دارد، یک سیاهچاله ‘آرام’ باشد، اما مطمئناً همسایه های پر سر و صدایی دارد.

سیاهچاله عظیم در قلب کهکشان مسیه ۸۷ (M87) را در نظر بگیرید که در فاصله ۵۵ میلیون سال نوری از ما قرار دارد. این سیاهچاله M87* نه تنها بسیار پرجرمتر از Sgr A*، با جرمی برابر با حدود ۶.۵ میلیارد خورشید است، بلکه توسط مقدار زیادی گاز و غبار نیز احاطه شده است که از آنها تغذیه می کند.

این ماده نمی تواند مستقیماً به M87* بیفتد زیرا حرکت زاویه ای دارد. این بدان معناست که یک ابر مسطح چرخان از گاز و غبار را در اطراف سیاهچاله عظیم به نام ‘دیسک برافزایش’ تشکیل می دهد که به تدریج آن را تغذیه می کند.

james webb2 — تصویری نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌ای عظیم در قلب یک قرص برافزایشی نشسته است. (اعتبار تصویر: مارک گارلیک/کتابخانه عکس علمی/گتی ایماژ)

سیاهچاله های پرجرم فقط در دیسک های برافزایشی نمی نشینند و مانند یک نوزاد کیهانی روی صندلی بلند منتظر تغذیه شوند. تأثیر گرانشی عظیم این تیتان‌های کیهانی، نیروهای جزر و مدی عظیمی را در قرص برافزایش ایجاد می‌کند و داستان‌هایی را ایجاد می‌کند که آن را تا دمای ۱۸ میلیون درجه فارنهایت (۱۰ میلیون درجه سانتی‌گراد) گرم می‌کند.

این باعث می شود که دیسک برافزایشی به شدت بدرخشد و بخشی از روشنایی AGN را تامین کند. تأثیر گرانشی عظیم این تیتان‌های کیهانی نیروهای جزر و مدی عظیمی را در قرص برافزایش ایجاد می‌کند و داستان‌هایی را ایجاد می‌کند که آن را تا دمای ۱۸ میلیون درجه فارنهایت (۱۰ میلیون درجه سانتی‌گراد) گرم می‌کند.

اما این همه چیز نیست.

مانند یک کودک نوپا بداخلاق، تمام ‘غذای’ یک سیاهچاله بزرگ وارد ‘دهان’ آن نمی شود. میدان‌های مغناطیسی قدرتمند بخشی از مواد موجود در دیسک‌های برافزایش را به قطب‌های سیاه‌چاله هدایت می‌کنند و این ذرات باردار را تا نزدیک به سرعت نور شتاب می‌دهند. مثل اینکه فرزندتان غذایش را به سمت شما پرتاب کند.

از دو قطب سیاهچاله، این ماده به صورت جت های اخترفیزیکی موازی به بیرون فوران می کند. این جت ها همچنین با انتشار نور در سراسر طیف الکترومغناطیسی، به ویژه در امواج رادیویی قدرتمند همراه هستند.

در نتیجه این مشارکت‌ها، AGNها می‌توانند آنقدر درخشان باشند که از نور ترکیبی هر ستاره در کهکشان اطرافشان بیشتر بتابند.

james webb4 — نموداری که اثرات گرد و غبار گرم شده توسط جت ها (راست) و غبار گرم شده توسط میدان های تشعشعی را نشان می دهد (اعتبار تصویر: دانشگاه نیوکاسل)

گرد و غباری که AGN ها را احاطه کرده است، اغلب می تواند با جذب نور مرئی و سایر طول موج های تابش الکترومغناطیسی، دید ما از قلب آنها را مسدود کند. نور مادون قرمز، با این حال، می تواند به این غبار لغزش دهد، و به راحتی، JWST کیهان را در مادون قرمز می بیند. این بدان معناست که تلسکوپ فضایی قدرتمند ابزاری عالی برای نگاه کردن به مرکز AGN است.

هنگامی که تیم GATO این کار را برای ESO 428-G14 انجام داد، متوجه شدند که غبار نزدیک سیاهچاله عظیم در امتداد جت آن پخش می شود. این یک رابطه غیرمنتظره بین جت ها و گرد و غبار را آشکار کرد و نشان داد که این جریان های خروجی قدرتمند می تواند مسئول گرم کردن و شکل دادن به گرد و غبار باشد.

مطالعه بیشتر ارتباط بین جت‌ها و غبار اطراف سیاه‌چاله‌های پرجرم می‌تواند تأثیر این تیتان‌های کیهانی را بر شکل‌دهی کهکشان‌هایشان و نحوه بازیافت مواد در AGNها آشکار کند.

هدی حیدر، دانشجوی دکترا در دانشکده ریاضیات، آمار و فیزیک دانشگاه نیوکاسل، گفت: «فرصت کار با داده‌های انحصاری JWST و دسترسی به این تصاویر خیره‌کننده قبل از هر کس دیگری بسیار هیجان‌انگیز است». ‘من احساس می کنم بسیار خوش شانس هستم که بخشی از تیم GATOS هستم. همکاری نزدیک با کارشناسان برجسته در این زمینه واقعاً یک امتیاز است.’

تحقیقات این تیم در مجله Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شد.