تلسکوپ وب ناسا به قلب کهکشان سیرسینوس نگاه می کند

این نقش شامل نحوهٔ تغذیه و فعال‌سازی هسته‌های کهکشانی فعال (Active Galactic Nuclei یا AGNs) است؛ پدیده‌هایی که در آن‌ها ناحیهٔ مرکزی آن‌قدر تابش و نور گسیل می‌کند که برای مدتی می‌تواند از مجموع نور همهٔ ستارگان قرص کهکشان درخشان‌تر شود. این سیاه‌چاله‌ها همچنین حالتی «الاکلنگی» دارند؛ به این معنا که گاهی فواره‌های نسبیتی از قطب‌هایشان بیرون می‌زنند و گاهی جریان‌هایی از فواره‌ها ایجاد می‌کنند که با سرکوب زایش ستاره‌ای، بر هستهٔ اطراف اثر می‌گذارند.
با وجود این درک کلی، دانشمندان مدت‌ها منتظر روزی بودند که بتوانند مستقیماً به قلب هستهٔ یک کهکشان نگاه کنند و ببینند دقیقاً چه اتفاقی در آن‌جا رخ می‌دهد.

اکنون، به لطف مشاهدات جدید تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) متعلق به ناسا/آژانس فضایی اروپا/آژانس فضایی کانادا، این امکان فراهم شده است. این رصدها عمیق‌ترین و شفاف‌ترین نماها را از کهکشان سیرکینوس (Circinus) — در فاصله‌ای حدود ۱۳ میلیون سال نوری — ارائه داده‌اند؛ کهکشانی که یک سیاه‌چالهٔ کلان‌جرم را در خود جای داده است. این مشاهدات به کشفی شگفت‌انگیز نیز انجامیده‌اند که برخی نظریه‌های پیشین را به چالش می‌کشد. در گذشته تصور می‌شد که منبع اصلی تابش فروسرخ از ناحیهٔ مرکزی، جریان‌های خروجی از مادهٔ بسیار داغ هستند؛ اما مشاهدات جدید نشان می‌دهند که بخش عمدهٔ این ماده در واقع در حال تغذیهٔ سیاه‌چاله است.

مطالعهٔ AGNها دشوار است، زیرا قرص‌های آن‌ها آن‌قدر درخشان‌اند که تفکیک جزئیات درون کهکشان میزبان را سخت می‌کند. افزون بر این، چگالی بالای ماده در این قرص‌ها باعث می‌شود ناحیهٔ درونیِ مادهٔ در حال سقوط پنهان بماند. در مورد سیرکینوس، مشکل دیگری هم وجود دارد و آن، تداخل نور شدید ستارگان آن است. برای دهه‌ها، دانشمندان تلاش کردند با نسبت دادن طیف‌های متفاوت به نواحی مختلف — از قرص برافزایشی درونی گرفته تا جریان‌های خروجی — مدل‌های بهتری بسازند. اما از آن‌جا که ناحیهٔ داخلی به‌طور کامل قابل تفکیک نبود، برخی طول‌موج‌ها (مانند افزونگی‌های خاص در تابش فروسرخ) به‌درستی قابل نسبت‌دادن به اجزای فیزیکی مشخص نبودند.

انریکه لوپز-رودریگز، نویسندهٔ اصلی از دانشگاه کارولینای جنوبی، در بیانیه‌ای خبری از ناسا توضیح داد:
برای مطالعهٔ سیاه‌چالهٔ کلان‌جرم، با وجود آن‌که امکان تفکیک مستقیم آن وجود نداشت، لازم بود شدت کل تابش ناحیهٔ درونی کهکشان در بازهٔ گسترده‌ای از طول‌موج‌ها اندازه‌گیری و سپس این داده‌ها وارد مدل‌ها شود. از دههٔ ۱۹۹۰ تاکنون، توضیح افزونگی تابش فروسرخ ناشی از غبار داغ در هسته‌های کهکشانی فعال ممکن نبوده است؛ به همین دلیل، مدل‌ها معمولاً یا تنها حلقهٔ غباری (تورس) را در نظر می‌گرفتند یا فقط جریان‌های خروجی را، و قادر به توضیح آن افزونگی نبودند.

مدل‌های پیشین نشان می‌دادند که بیشتر تابش فروسرخ مرکز سیرکینوس به جریان‌های خروجی نسبت داده می‌شود. برای آزمون این نظریه، اخترشناسان به ابزارهایی نیاز داشتند که بتوانند نور مزاحم ستارگان را حذف کرده و تابش فروسرخ حلقهٔ غباری را از تابش جریان‌های خروجی تفکیک کنند. خوشبختانه، تلسکوپ وب با استفاده از تداخل‌سنج نقاب‌دار دهانه‌ای (Aperture Masking Interferometer) در ابزار NIRISS (تصویربردار فروسرخ نزدیک و طیف‌سنج بدون شکاف) توانست هر دو چالش را برطرف کند. این ابزار با استفاده از دهانه‌ای ویژه شامل هفت سوراخ شش‌ضلعی، نور چند منبع را با هم ترکیب کرده و الگوهای تداخلی ایجاد می‌کند که می‌توان آن‌ها را برای بازسازی اندازه، شکل و ویژگی‌های اجرام دوردست با جزئیاتی بی‌نظیر تحلیل کرد.

این داده‌ها به تیم پژوهشی اجازه داد تصویری از ناحیهٔ مرکزی سیرکینوس بسازد و آن را با مشاهدات پیشین مقایسه کند تا از نبودِ مصنوعات تصویری مطمئن شود. این رصدها نخستین مشاهدهٔ برون‌کهکشانی با یک تداخل‌سنج فروسرخِ فضایی و دقیق‌ترین تصویری هستند که تاکنون از پیرامون یک سیاه‌چاله ثبت شده است. جول سانچز-برمودس، هم‌نویسنده از دانشگاه ملی مکزیک، می‌گوید:
این سوراخ‌ها در نقاب به جمع‌کننده‌های کوچک نور تبدیل می‌شوند که نور را به آشکارساز دوربین هدایت کرده و الگوی تداخلی ایجاد می‌کنند. با استفاده از یک حالت تصویربرداری پیشرفتهٔ دوربین، می‌توانیم تفکیک‌پذیری آن را در ناحیه‌ای کوچک از آسمان عملاً دو برابر کنیم. این یعنی تصاویری با وضوح دو برابر. به‌جای قطر ۶٫۵ متری وب، گویی این ناحیه را با یک تلسکوپ فضایی ۱۳ متری رصد می‌کنیم.

مشاهدات تیم همچنین نشان داد که برخلاف پیش‌بینی مدل‌های قبلی، افزونگی فروسرخ از جریان‌های خروجی ناشی نمی‌شود. آن‌ها نشان دادند که ۸۷ درصد تابش فروسرخِ غبار داغ از نواحی بسیار نزدیک به سیاه‌چالهٔ کلان‌جرم سیرکینوس می‌آید و کمتر از ۱ درصد مربوط به جریان‌های خروجی غبارآلود داغ است. ۱۲ درصد باقی‌مانده ناشی از غبار داغی است که در فاصله‌های دورتری از سیاه‌چاله قرار دارد و پیش‌تر امکان تفکیک آن از سایر مؤلفه‌ها وجود نداشت. این روش می‌تواند برای تحلیل مؤلفه‌های برافزایش و خروجی در دیگر سیاه‌چاله‌های نزدیک نیز به کار رود. لوپز-رودریگز می‌افزاید:
درخشندگی ذاتی قرص برافزایشی سیرکینوس نسبتاً متوسط است، بنابراین منطقی است که تابش‌ها تحت سلطهٔ حلقهٔ غباری باشند. اما شاید در سیاه‌چاله‌های پرنورتر، تابش‌ها تحت سلطهٔ جریان‌های خروجی قرار گیرند. برای درک رابطهٔ میان جرم در قرص‌های برافزایشی، جریان‌های خروجی و توان آن‌ها، به یک نمونهٔ آماری از سیاه‌چاله‌ها — شاید یک یا دو دوجین — نیاز داریم.

ژولین ژیرار، هم‌نویسنده و پژوهشگر ارشد در مؤسسهٔ علوم تلسکوپ فضایی (STScI)، می‌افزاید:
«این نخستین بار است که از حالت تصویربرداری با کنتراست بالای وب برای مشاهدهٔ یک منبع برون‌کهکشانی استفاده می‌شود. امیدواریم کار ما دیگر اخترشناسان را ترغیب کند تا از حالت تداخل‌سنج نقاب‌دار دهانه‌ای برای مطالعهٔ ساختارهای غبارآلود کم‌نور اما نسبتاً کوچک در نزدیکی هر جرم درخشان استفاده کنند.»
مطالعهٔ سیاه‌چاله‌های بیشتر می‌تواند به اخترشناسان کمک کند فهرستی از داده‌های تابشی بسازند تا مشخص شود آیا سیرکینوس موردی استثنایی است یا نمایندهٔ الگویی گسترده‌تر.

نتایج این پژوهش در مقاله‌ای که ۱۳ ژانویه در نشریهٔ Nature Communications منتشر شد، ارائه شده است.