JWST تایید کرد کهکشان دور توسط یک سیاهچاله کشته شده است

تا زمانی که در نهایت پرتاب شد، اخترشناسان فهرست بزرگی از اهداف داشتند که مشاهدات دقیقی را که تنها تلسکوپ فضایی مادون قرمز قدرتمند می توانست انجام دهد، التماس می کرد.

یکی از اهداف یک کهکشان باستانی و عظیم بود که اساساً مرده است و ستاره جدیدی تشکیل نمی دهد.

نتایج به دست آمده است و یک تیم بین المللی از ستاره شناسان می دانند که چه اتفاقی برای کهکشان ساکن افتاده است.

رشد و تکامل کهکشان ها یکی از زمینه های اصلی مطالعه در نجوم است. چگونه از بیگ بنگ به امروز رسیدیم، زمانی که کهکشان های عظیمی مانند کهکشان راه شیری خودمان در کیهان پر شده است؟ ستاره شناسان آموخته اند که سیاهچاله های کلان پرجرم (SMBHs) در قلب کهکشان های پرجرم قرار دارند و کهکشان های آنها را به روش های قدرتمندی شکل داده اند.

SMBH ها هسته های کهکشانی فعال قدرتمند (AGN) را در هسته کهکشان ها ایجاد می کنند. همانطور که یک SMBH مواد را به سمت خود می کشد، مواد در یک دیسک برافزایش جمع می شوند. این ماده تا دمای بسیار بالا گرم می شود و انرژی را در سراسر طیف الکترومغناطیسی منتشر می کند و یک AGN ایجاد می کند که می تواند از بقیه کهکشان پیشی بگیرد.

AGN اشیاء قدرتمندی هستند. بر اساس تئوری، آنها این قدرت را دارند که عرضه گاز سرد تشکیل دهنده ستاره را مختل کنند و سرعت تشکیل ستاره (SFR) را در کهکشان میزبان خود به طور چشمگیری کاهش دهند. آنها بادهای گاز ستاره‌زایی را از کهکشان‌هایشان بیرون می‌آورند، که SFR را کند می‌کند. ستاره شناسان به این حالت خاموشی می گویند و اغلب در کهکشان های عظیمی به نام کهکشان های ساکن مشاهده می شود.

اکنون، JWST یک کهکشان عظیم باستانی به نام GS-10578 را در انتقال به سرخ z = 3.064 مشاهده کرده است. این کهکشان پابلو نامیده می شود و برای چنین مرحله اولیه تکامل کیهان، عظیم است: حدود دو میلیارد جرم خورشیدی را در خود جای داده است.

اما کهکشان پابلو خاموش شده است، یعنی بیشتر شکل گیری ستاره آن بین ۱۲.۵ تا ۱۱.۵ میلیارد سال پیش رخ داده است. بسیاری از کهکشان های پرجرم محلی خاموش شده اند، که به توسعه نظریه خاموش کردن AGN کمک کرد.

تیمی از دانشمندان تحقیقات خود را در مورد کهکشان پابلو در مقاله جدیدی با عنوان ‘یک کهکشان پس از انفجار ستاره ای با چرخش سریع خاموش شده توسط بازخورد سیاهچاله های فوق العاده در z = 3‘ ارائه کرده اند. این مقاله در Nature Astronomy منتشر شده است و نویسنده همکار فرانچسکو دیوجنیو از موسسه کیهان‌شناسی Kavli و آزمایشگاه کاوندیش در دانشگاه کمبریج در بریتانیا است.

‘ما مقصر را پیدا کردیم. سیاهچاله با قطع منبع ‘غذایی’ که کهکشان برای تشکیل ستاره های جدید نیاز دارد، این کهکشان را می کشد و آن را خاموش نگه می دارد.’

فرانچسکو دی اوجنیو، موسسه کیهان‌شناسی کاولی، دانشگاه کمبریج، انگلستان

نویسندگان می‌نویسند: «کهکشان‌های محلی، عظیم و ساکن مانند خرابه‌های عظیمی از تاریخ‌های شکوهمند اما دور از شکل‌گیری ستاره‌ها (SFH) و خاموش شدن قدرتمند و سریع ایستاده‌اند که مشابه امروزی آن‌ها وجود ندارد». تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ما را برای اولین بار قادر ساخت تا شاهد این کهکشان‌های عظیم در دوره‌ای کهنه، زمانی که پدید آمدند و سقوط کردند، باشیم.

دکتر یکی از نویسنده‌های ارشد این مطالعه گفت: «بر اساس مشاهدات قبلی، ما می‌دانستیم که این کهکشان در حالت خاموشی قرار دارد: با توجه به اندازه آن، ستاره‌های زیادی تشکیل نمی‌شود، و ما انتظار داریم بین سیاه‌چاله و پایان شکل‌گیری ستاره‌ها ارتباطی وجود داشته باشد.» فرانچسکو دی اوجنیو از موسسه کیهان‌شناسی کاولی کمبریج. با این حال، تا زمان وب، ما نمی‌توانستیم این کهکشان را با جزئیات کافی برای تایید آن پیوند مطالعه کنیم، و نمی‌دانستیم که آیا این حالت خاموش موقتی است یا دائمی.

پروفسور روبرتو مایولینو از مؤسسه کیهان‌شناسی کاولی می‌گوید: «در کیهان اولیه، بیشتر کهکشان‌ها ستاره‌های زیادی را تشکیل می‌دهند، بنابراین دیدن چنین کهکشان مرده عظیمی در این دوره زمانی جالب است. اگر زمان کافی برای رسیدن به این اندازه عظیم داشت، هر فرآیندی که تشکیل ستاره را متوقف کرد احتمالاً نسبتاً سریع اتفاق می افتاد.

کهکشان پابلو را گاهی اوقات یک قطعه آبی می نامند، دسته ای از کهکشان ها که تصور می شود فقط در اوایل جهان وجود دارند. تکه‌های آبی عظیم و بسیار فشرده هستند و ستاره‌شناسان فکر می‌کنند که آن‌ها پیش‌آهنگی برای کهکشان‌های ساکن مدرن به نام «نگت‌های قرمز» هستند.

قطعات آبی «تراکم غنی از گاز» را تجربه می کنند. این بدان معنی است که یک انفجار مرکزی از تشکیل ستاره وجود دارد که ناشی از بی ثباتی دیسک یا ادغام های بزرگ غنی از گاز است. پس از آن انفجار، خاموش شدن، کهکشان قطعه قرمز را به جا می گذارد.

نویسندگان می نویسند: همانطور که نشان خواهیم داد، در عوض، GS-10578 یک قطعه قرمز در مرحله پیشرفته خاموش کردن است. آنها توضیح می دهند که این کهکشان در حال ادغام با چندین کهکشان ماهواره ای کم جرم است و ‘در حال بازخورد قدرتمند و پرتاب کننده از SMBH خود است.’

محققان می گویند شواهد مستقیمی دارند مبنی بر اینکه بازخورد AGN می تواند تشکیل ستاره در کهکشان های اولیه را خاموش کند. مشاهدات قبلی با تلسکوپ‌های دیگر نشان می‌دهد که کهکشان‌ها دارای بادهای سریع گاز هستند. این گاز داغ است و دیدن آن را آسان‌تر می‌کند، اما شواهدی مبنی بر اینکه SMBH و AGN می‌توانند تشکیل ستاره‌ها را خاموش کنند، ارائه نکرد. به این دلیل که گاز داغ است و ستاره ها از گاز سرد و متراکم تشکیل می شوند.

کهکشان پابلو تفاوتی ندارد. این گاز در حال دفع مقادیر زیادی گاز داغ با سرعت کافی برای فرار کامل از کهکشان است. SMBH و AGN آن در حال بیرون راندن گاز هستند.

اما JWST تفاوت را در این مشاهدات جدید ایجاد کرد. بخش جدیدی از باد خروجی را مشاهده کرد که از گاز سرد ساخته شده بود. گاز سرد نور ساطع نمی‌کند، اما JWST بسیار حساس است و می‌تواند آن را از طریق مسدود کردن نور از کهکشان‌های دور در پس‌زمینه تشخیص دهد. به طور بحرانی، بدون گاز سرد، یک کهکشان برای تشکیل ستاره ها تلاش می کند و خاموش می شود.

این شکل برخی از یافته های تحقیق را نشان می دهد. این کهکشان پابلو را در وسط نشان می دهد، با پنج کهکشان ماهواره ای کم جرم که ادغام می شوند. قسمت داخلی (b) جزئیات تصویر اصلی را نشان می دهد. طرح کلی فیروزه ای به سمت شمال غربی منحرف شده است و نشان دهنده خروج گاز سرد است که تشکیل ستاره در کهکشان را خاموش می کند. (D’Eugenio and Maiolino et al. 2024)

مقدار گاز خارج شده توسط بادهای AGN بیشتر از مقدار مورد نیاز برای تشکیل ستاره های جدید است.

دواوژنیو گفت: «ما مقصر را پیدا کردیم. ‘سیاهچاله با قطع منبع ‘غذایی’ که کهکشان برای تشکیل ستاره های جدید نیاز دارد، این کهکشان را می کشد و آن را خاموش نگه می دارد.’

اینها نتایج هیجان انگیزی هستند، اما نویسندگان هشدار می دهند که این فقط یک کهکشان است. نویسندگان در تحقیقات خود توضیح می‌دهند: «GS-10578 نشان‌دهنده یک فرصت منحصربه‌فرد برای مطالعه این است که چگونه پرجرم‌ترین کهکشان‌های کیهان ساکن شدند – و همچنان ساکن شدند».

اگرچه نمی‌توانیم از یک هدف به‌طور کلی نتیجه‌گیری کنیم، اما نشان می‌دهیم که بازخورد AGN می‌تواند جریان خروجی گاز خنثی را با سرعت بالا و بارگذاری جرمی بالا تأمین کند، که برای قطع تشکیل ستاره با حذف سوخت گاز سرد آن کافی است.

همچنین هنوز سؤالات باقی مانده وجود دارد. دیگر کهکشان‌های مشابه کهکشان پابلو نیز نشان می‌دهند که بادهای خروجی گاز سرد می‌تواند کلید خاموش شدن کهکشان‌ها باشد.

نویسندگان می نویسند: اینکه دقیقاً چگونه این جریانات خروجی با AGN همراه می شوند، هنوز مشخص نیست. آنها توضیح می‌دهند که تنها یک سرشماری از کهکشان‌های مشابه می‌تواند به ما بگوید که آیا این پرتاب‌های قوی گاز ستاره‌ساز مکانیسمی کلیدی برای خاموش کردن است یا اینکه پرتاب گاز صرفاً اپیزودیک است.

JWST همچنین به سوال برجسته دیگری در مورد کهکشان های خاموش شده پاسخ داد. مدل‌های نظری ما نشان داد که وقتی شکل‌گیری ستاره یک کهکشان خاموش شد، یک رویداد متلاطم بود که شکل کهکشان را به شدت از بین برد. کهکشان پابلو هنوز هم شکل دیسکی باشکوه یک کهکشان بدون مشکل را نشان می دهد. ستارگان آن به روشی یکنواخت و قابل پیش بینی حرکت می کنند.

این شکل از مطالعه چرخش منظم کهکشان پابلو را نشان می دهد. تفاوت سرعت مشاهده شده به این دلیل است که یک طرف از ما دور می شود و از دید ما به رنگ قرمز تغییر می کند، در حالی که طرف دیگر به سمت ما حرکت می کند و به رنگ آبی تغییر می کند. (D’Eugenio and Maiolino et al. 2024)

JWST دقیقاً همانطور که در نظر گرفته شده است کار می کند. با در نظر گرفتن جهان باستان، به بسیاری از سؤالات دیرینه در نجوم، اخترفیزیک و کیهان‌شناسی پاسخ می‌دهد.

مایولینو می‌گوید: «ما می‌دانستیم که سیاه‌چاله‌ها تأثیر عظیمی بر کهکشان‌ها می‌گذارند، و شاید معمول است که تشکیل ستاره‌ها را متوقف می‌کنند، اما تا زمان وب، ما نمی‌توانستیم مستقیماً این موضوع را تأیید کنیم.»

این راه دیگری است که وب از نظر توانایی ما در مطالعه کیهان اولیه و چگونگی تکامل آن جهش بزرگی به جلو است.