نگاهی به آشفتگی پرانرژی اطراف سیاه چاله های ابرپرجرم می اندازیم

جرم آن‌ها می‌تواند شگفت‌انگیز باشد؛ برخی از آن‌ها میلیاردها برابر جرم خورشید هستند. این جرم متمرکز، تأثیری بسیار قدرتمند بر محیط اطراف خود دارد.

سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم اثرات گسترده‌ای دارند: جرم آن‌ها مدار میلیاردها ستاره را کنترل می‌کند؛ هنگامی که فعال هستند، می‌توانند فواره‌هایی از تابش بسیار پرانرژی منتشر کنند که تا میلیون‌ها سال نوری امتداد می‌یابد؛ و انرژی عظیم آن‌ها روند شکل‌گیری ستارگان را محدود می‌کند. همچنین اگر ستاره‌ای بیش از حد به آن‌ها نزدیک شود، در رویدادی به نام «گسست کشندی» (Tidal Disruption Event) از هم دریده می‌شود.

به‌طور خلاصه، ناحیه اطراف یک سیاه‌چاله فوق‌پرجرم دریایی آشفته از گازهای متلاطم است که تحت تأثیر انرژی سیاه‌چاله به شرایطی بسیار افراطی کشیده می‌شود. اخترفیزیک‌دانان این موضوع را می‌دانند و می‌دانند که این آشفتگی‌ها حتماً بر شکل‌گیری ستارگان و تکامل کهکشانی که سیاه‌چاله در آن قرار دارد اثر می‌گذارد؛ با این حال، پرسش‌های بی‌پاسخ همچنان فراوان است. دو مقاله جدید با استفاده از داده‌های تلسکوپ فضایی پرتو ایکس XRISM (مأموریت تصویربرداری و طیف‌سنجی پرتو ایکس) متعلق به JAXA/NASA/ESA تلاش کرده‌اند نواحی پرتنش اطراف این سیاه‌چاله‌ها را روشن‌تر کنند.

مقاله نخست با عنوان «تفکیک عوامل گوناگون جنبشی گاز در خوشه کهکشانی برساووش (پرسئوس)» در نشریه Nature منتشر شده و همکاری XRISM به عنوان نویسنده کلی آن معرفی شده است.

مقاله دوم با عنوان «نگاهی از XRISM/Resolve به پویایی جوّ گازی داغ در M87» در نشریه The Astrophysical Journal منتشر خواهد شد. نویسنده اصلی آن هانا مک‌کال، دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه شیکاگو است.

انی هاینریش، دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه شیکاگو و از نویسندگان اصلی مقاله Nature، می‌گوید:
«برای نخستین بار می‌توانیم انرژی جنبشی گازی را که توسط سیاه‌چاله به تلاطم درآمده، مستقیماً اندازه‌گیری کنیم. گویی هر سیاه‌چاله فوق‌پرجرم در “چشم طوفان” خودش قرار دارد.»

ماهواره XRISM در سال ۲۰۲۳ برای مطالعه بازخورد هسته‌های فعال کهکشانی (AGN feedback) و پدیده‌های مرتبط پرتاب شد. این مأموریت دارای دو ابزار است که هر یک تلسکوپ جداگانه‌ای دارند: Resolve و Xtend. در مقایسه با مأموریت قبلی، هیتومی، که تنها پنج هفته پس از آغاز فعالیت از دست رفت، XRISM توان تفکیک بسیار بالاتری دارد. نکته مهم این است که XRISM می‌تواند پرتوهای ایکس عناصر مختلف و حالت‌های یونش متفاوت را با دقت بسیار بالا از هم تفکیک کند.

کونگ‌یائو ژانگ، از رهبران پژوهش Nature، می‌گوید:
«XRISM به ما اجازه می‌دهد به‌طور قطعی حرکت گازهایی را که توسط سیاه‌چاله به حرکت درآمده‌اند، از حرکت‌هایی که ناشی از فرایندهای دیگر کیهانی‌اند، تفکیک کنیم؛ کاری که پیش از این ممکن نبود.»

پیش از این ممکن نبود، زیرا محیط اطراف سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم بسیار آشفته و پیچیده است. هنگامی که این سیاه‌چاله‌ها در حال تغذیه (یا برافزایش ماده) هستند، گاز و غبار به سوی آن‌ها کشیده می‌شود و در حلقه‌ای برافزایشی به گردش درمی‌آید. بخشی از این ماده به درون سیاه‌چاله سقوط می‌کند، اما بخشی دیگر به صورت فواره‌های بسیار پرانرژی با سرعتی نزدیک به سرعت نور به بیرون پرتاب می‌شود. انرژی‌ای که یک سیاه‌چاله فوق‌پرجرم به محیط اطراف خود تزریق می‌کند تقریباً غیرقابل تصور است و می‌تواند تا صدها هزار سال نوری اثر بگذارد.

اخترشناسان پیش‌تر این محیط را مشاهده کرده و می‌دانستند که بازخورد سیاه‌چاله‌ها چگونه بر شکل‌گیری کهکشان‌ها و تنظیم تولد ستارگان اثر می‌گذارد؛ اما هیچ مشاهده‌ای به دقت داده‌های XRISM نبود. این مشاهدات جدید عمیق‌تر از هر زمان دیگری به این صحنه پیچیده نفوذ کرده‌اند.

زمانی که انرژی سیاه‌چاله به گازهای اطراف برخورد می‌کند، هر عنصر نور ایکس با ویژگی خاص خود گسیل می‌کند. XRISM می‌تواند این تفاوت‌ها را با جزئیات دقیق ثبت کند و بنابراین سرعت و حرکت گازهای مختلف را نیز اندازه‌گیری کند.

هاینریش می‌گوید:
«پیش از XRISM، فقط می‌توانستیم تصویری از طوفان ببینیم؛ اکنون می‌توانیم سرعت گردباد را اندازه بگیریم.»

Virgo spectrum 20260210 183339 — این تصویر طیف پرتو ایکس XRISM را از گاز داغ نزدیک M87 در خوشه Virgo نشان می دهد (تصویر درونی). هر سنبله نشان دهنده عنصر متفاوتی است که در گاز وجود دارد. شکل ها و موقعیت های هر سنبله نیز نشان می دهد که گاز گرم شده با چه سرعتی حرکت می کند. تصویر پس‌زمینه از رصدخانه روبین است و کهکشان‌های منفرد را در خوشه باکره نشان می‌دهد. اعتبار تصویر: رصدخانه روبین (نوری)، چاندرا (ورودی اشعه ایکس) و XRISM (طیف اشعه ایکس).

در یکی از مطالعات، XRISM بر کهکشان M87 در قلب خوشه سنبله (Virgo) تمرکز کرد؛ کهکشانی در فاصله حدود ۵۳ میلیون سال نوری از ما. این کهکشان دارای سیاه‌چاله‌ای فوق‌پرجرم است که با همان نام M87 شناخته می‌شود. مشاهدات XRISM نشان داد که نزدیک این سیاه‌چاله، آشفتگی بسیار شدیدی وجود دارد — شدیدترین میزانی که تاکنون اندازه‌گیری شده است.

هانا مک‌کال می‌گوید:
«سرعت‌ها در نزدیکی سیاه‌چاله بسیار بالا هستند و با فاصله گرفتن، به‌سرعت کاهش می‌یابند. سریع‌ترین حرکت‌ها احتمالاً ناشی از ترکیبی از گردابه‌های آشفتگی و موج ضربه‌ای گازهای خروجی است؛ هر دو محصول فعالیت سیاه‌چاله.»

خوشه برساووش (پرسئوس) هدف مطالعه دیگر بود. این خوشه حدود ۲۴۰ میلیون سال نوری از ما فاصله دارد و درخشان‌ترین خوشه پرتو ایکس از دید زمین است. این درخشندگی بالا به پژوهشگران اجازه داد حرکت گازها را در مرکز خوشه و حتی فراتر از آن اندازه بگیرند. آن‌ها دریافتند که گازها در مقیاس‌ها و سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کنند: بخشی در مقیاس کوچک و ناشی از خود سیاه‌چاله، و بخشی دیگر در مقیاس بزرگ که نتیجه ادغام جاری برساووش با کهکشان‌های دیگر است.

Perseus spectrum2 20260210 19340 — *این تصویر داده های اشعه ایکس XRISM از خوشه پرسئوس را نشان می دهد. پنل ها مناطقی را نشان می دهند که XRISM سرعت گاز را اندازه گیری کرده است، به طوری که زرد سریع ترین و آبی کندترین است. بیشترین سرعت در نزدیکی مرکز است، جایی که SMBH قرار دارد. گاز در مقیاس بزرگ تر ناشی از یک ادغام جاری است. اعتبار تصویر: JAXA*

این مشاهدات دقیق به یکی از پرسش‌های دیرینه اخترشناسی می‌پردازد. می‌دانیم که ستارگان از گاز سرد شکل می‌گیرند و هر عاملی که گاز را گرم کند، مانع شکل‌گیری ستاره می‌شود. از آنجا که سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم می‌توانند گاز اطراف را گرم کنند، بازخورد آن‌ها سرعت تشکیل ستاره را کاهش می‌دهد. اما مشاهده مستقیم حرکت گازها جزئیات بیشتری آشکار می‌کند.

اخترشناسان مدت‌هاست می‌پرسند چرا در مراکز خوشه‌های کهکشانی ستاره‌های کمتری از حد انتظار می‌بینند. در حالی که هسته فعال مرکزی می‌تواند بخشی از گاز را گرم کند، آشفتگی گاز در فاصله‌های بیشتر نیز می‌تواند گرما تولید کند. بسته به اینکه چه مقدار از انرژی جنبشی این حرکت‌ها به گرما تبدیل شود، ممکن است خنک شدن طبیعی گاز در محیط میان‌خوشه‌ای را خنثی کرده و از شکل‌گیری ستاره جلوگیری کند.

مک‌کال می‌گوید:
«هنوز روشن نیست که آیا این تنها فرایند گرمایش است یا نه، اما نتایج نشان می‌دهد که آشفتگی، جزء ضروری تبادل انرژی میان سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم و محیط اطرافشان است.»

با وجود دانسته‌های فراوان، هنوز ناشناخته‌های بسیاری وجود دارد. سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم غول‌هایی هستند که فضا-زمان را خم می‌کنند و اثرشان تا صدها هزار سال نوری گسترده است. ما می‌توانیم آن‌ها را در این سوی افق رویدادشان مطالعه کنیم، اما آنچه آن‌سوی افق رویداد می‌گذرد، همچنان کاملاً ناشناخته است.

با این حال، ابزارهایی مانند XRISM و مأموریت‌های آینده، امکان مطالعه دقیق‌تر تأثیر سیاه‌چاله‌ها بر شکل‌گیری ستارگان و تکامل کهکشان‌ها را فراهم می‌کنند.

پژوهشگران مقاله نخست تأکید می‌کنند:
«صرف‌نظر از عدم قطعیت‌ها، نتیجه اصلی ما — اینکه دست‌کم دو منبع در مقیاس‌های بسیار متفاوت حرکت گازها در هسته برساووش را هدایت می‌کنند — همچنان پابرجاست.»

نویسندگان مقاله دوم نیز نتیجه‌ای مشابه گرفته‌اند و تأکید می‌کنند که بازخورد هسته فعال کهکشانی منبع اصلی حرکت‌ها در آن ناحیه است. مأموریت آینده آتنا (Athena) متعلق به آژانس فضایی اروپا با قدرت تفکیک بالاتر، جزئیات بیشتری از ساختار سرعت و آشفتگی در محیط میان‌خوشه‌ای ارائه خواهد داد.

ایرینا ژوراولووا، استاد اخترشناسی دانشگاه شیکاگو و از نویسندگان هر دو مطالعه، می‌گوید:
«با توجه به آنچه تاکنون آموخته‌ایم، مطمئنم که به حل برخی از این معماها نزدیک‌تر شده‌ایم.»