تلسکوپ فضایی جیمز وب رقص سیاهچاله باستانی را با کهکشان های در حال برخورد می بیند

اخترشناسان با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، ‘رقص’ چشمگیر بین یک سیاهچاله عظیم و دو کهکشان ماهواره ای را مشاهده کردند. این مشاهدات می تواند به دانشمندان کمک کند تا درک بهتری از چگونگی رشد کهکشان ها و سیاهچاله های کلان پرجرم در کیهان اولیه داشته باشند.

این سیاهچاله بسیار پرجرم از ماده اطراف تغذیه می کند و به یک اختروش درخشان نیرو می دهد که آنقدر دور است که JWST آن را به گونه ای می بیند که کمتر از یک میلیارد سال پس از انفجار بزرگ بوده است. این اختروش با نام PJ308-21 در یک هسته کهکشانی فعال (AGN) در کهکشانی قرار دارد که در حال ادغام با دو کهکشان ماهواره‌ای عظیم است.

این تیم نه تنها تشخیص داد که سیاهچاله دارای جرمی معادل دو میلیارد خورشید است، بلکه آنها همچنین دریافتند که هم اختروش و هم کهکشان‌های درگیر در این ادغام بسیار تکامل یافته‌اند، که با توجه به وجود آنها در زمان ۱۳.۸ سالگی شگفت‌آور است. کیهان فقط یک نوزاد بود.

ادغام این سه کهکشان احتمالاً مقادیر زیادی گاز و غبار را به سیاهچاله عظیم الجثه می‌رساند که رشد آن را تسهیل می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا به PJ308-21 ادامه دهد.

مطالعه ما نشان می‌دهد که هم سیاهچاله‌های مرکز اختروش‌های با جابه‌جایی شدید به سرخ [اوایل و دور] و هم کهکشان‌هایی که میزبان آن‌ها هستند، در اولین میلیارد سال تاریخ کیهانی، با کمک محیط غنی کهکشانی، تحت رشد بسیار کارآمد و پرفراز و نشیبی هستند. روبرتو دکارلی، سرپرست تیم، محقق موسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا (INAF) در بیانیه‌ای گفت که این منابع در آن شکل گرفته‌اند.

داده‌ها در سپتامبر ۲۰۲۲ توسط دستگاه طیف‌نگار مادون قرمز نزدیک (NIRSpec) JWST به عنوان بخشی از برنامه ۱۵۵۴ جمع‌آوری شد که هدف آن مشاهده ادغام بین کهکشان میزبان PJ308-21 و دو کهکشان ماهواره‌ای آن است.

دکارلی افزود که این کار نشان دهنده یک ‘ترن هوایی احساسی’ واقعی برای تیم است که راه حل های نوآورانه ای برای غلبه بر مشکلات اولیه در کاهش داده ها و تولید تصاویر با عدم قطعیت کمتر از ۱٪ در هر پیکسل ایجاد کرده است.

یک کوازار بسیار فلزی

کوازارها زمانی متولد می شوند که سیاهچاله های کلان جرمی با جرم میلیون ها یا میلیاردها برابر خورشید که در قلب کهکشان ها قرار دارند، توسط مقدار زیادی گاز و غبار احاطه شوند. این ماده یک ابر مسطح به نام دیسک برافزایشی را تشکیل می دهد که در اطراف سیاهچاله می چرخد ​​و به تدریج آن را تغذیه می کند.

نیروهای گرانشی عظیم سیاهچاله نیروهای جزر و مدی قدرتمندی را در این قرص برافزایشی ایجاد می کند که دمای این گاز و غبار را تا ۱۲۰۰۰۰ درجه فارنهایت (۶۷۰۰۰ درجه سانتیگراد) گرم می کند. این باعث می شود که دیسک برافزایش نور در سراسر طیف الکترومغناطیسی ساطع کند. این تابش اغلب می‌تواند درخشان‌تر از نور ترکیبی هر ستاره در کهکشان اطراف باشد، و اختروش‌هایی مانند PJ308-21 را به برخی از درخشان‌ترین اجرام در کیهان تبدیل می‌کند.

در حالی که سیاهچاله ها ویژگی هایی ندارند که بتوان از آنها برای تعیین میزان تکامل آنها استفاده کرد، قرص های برافزایش آنها (و در نتیجه اختروش ها) این ویژگی را دارند. در واقع، کهکشان ها را می توان به همین روش «پیر» کرد.

جهان اولیه پر از هیدروژن، سبک ترین و ساده ترین عنصر، و کمی هلیوم بود. این اساس اولین ستارگان و کهکشان ها را تشکیل داد، اما در طول زندگی این اجرام ستاره ای، آنها عناصری سنگین تر از هیدروژن و هلیوم را جعل کردند که اخترشناسان آنها را ‘فلزات’ می نامند.

هنگامی که این ستارگان در انفجارهای عظیم ابرنواختری به زندگی خود پایان دادند، این فلزات در سراسر کهکشان هایشان پراکنده شدند و به عنوان بلوک های سازنده نسل بعدی ستارگان تبدیل شدند. این فرآیند باعث شد که ستاره ها و از طریق آنها کهکشان ها به تدریج ‘غنی از فلز’ شوند.

این تیم دریافت که مانند اکثر AGN ها، قلب فعال PJ308-21 غنی از فلز است و گاز و غبار اطراف آن در حال ‘فتونیزه شدن’ هستند. که الکترونها باید از اتمها فرار کنند و یونهای باردار الکتریکی ایجاد کنند.

یکی از کهکشان هایی که در حال ادغام با کهکشان میزبان PJ308-21 است نیز غنی از فلز است و ماده آن نیز تا حدی توسط تابش الکترومغناطیسی از اختروش فوتیونیزه می شود.

فوتیونیزاسیون در کهکشان دوم قمری نیز اتفاق می افتد، اما در این صورت، در اثر یک دوره تشکیل سریع ستاره ایجاد می شود. این کهکشان دوم نیز با اولی و AGN متفاوت است، زیرا به نظر می رسد از نظر فلز فقیر باشد.

به لطف NIRSpec، برای اولین بار، ما می‌توانیم در سیستم PJ308-21، نوار نوری غنی از داده‌های تشخیصی ارزشمند در مورد خواص گاز نزدیک سیاه‌چاله در کهکشان میزبان اختروش و کهکشان‌های اطراف را مطالعه کنیم. فدریکا لویاکونو، عضو تیم و اخترفیزیکدان INAF گفت. برای مثال می‌توانیم انتشار اتم‌های هیدروژن را ببینیم و آن را با عناصر شیمیایی تولید شده توسط ستارگان مقایسه کنیم تا مشخص کنیم گاز چقدر از نظر فلزات غنی است.

اگرچه نور این اختروش جهان اولیه را در طیف گسترده ای از طیف الکترومغناطیسی، از جمله نور نوری و اشعه ایکس، رها می کند، تنها راه مشاهده آن در فروسرخ است.

به این دلیل که، همانطور که نور برای رسیدن به JWST بیش از ۱۲ میلیارد سال سفر کرده است، انبساط جهان طول موج های آن را به طور قابل توجهی ‘کشش’ کرده است. که نور را در جهت ‘انتهای قرمز’ طیف الکترومغناطیسی ‘تغییر’ می کند، پدیده ای که به طور قابل درک ‘تغییر قرمز’ نامیده می شود، که توسط ستاره شناسان با ‘z’ مشخص می شود.

JWST به دلیل حساسیت به نور مادون قرمز، در دیدن اجسام و رویدادهایی مانند PJ308-21 با «تغییر قرمز زیاد» یا «زیر بالای z» مهارت دارد.

لویاکونو در پایان گفت: به لطف حساسیت JWST در مادون قرمز نزدیک و میانی، مطالعه طیف اختروش و کهکشان‌های همراه با دقت بی‌سابقه‌ای در جهان دور امکان‌پذیر شد. ‘تنها ‘نمای’ عالی ارائه شده توسط JWST می تواند این مشاهدات را تضمین کند.’

تحقیقات این تیم برای انتشار در ژوئن ۲۰۲۴ در مجله Astronomy & Astrophysics پذیرفته شد.