این اجرام شگفتانگیز که جرم آنها از میلیونها تا میلیاردها برابر جرم خورشید متغیر است، نقش بسیار مهمی در شکلگیری ستارگان، تنظیم فعالیتهای هستهای کهکشانها و تکامل بلندمدت آنها ایفا میکنند. سیاهچالههای فوقپرجرم با تأثیرگذاری بر توزیع گاز، نرخ زایش ستارهها و حتی ساختار کلی کهکشان، بهعنوان یکی از عناصر کلیدی در اخترفیزیک کهکشانی شناخته میشوند.
اما پژوهشی تازه که بر پایهی دادههای رصدی رصدخانهی پرتو ایکس چاندرا متعلق به ناسا انجام شده، نشان میدهد که این الگوی رایج ممکن است در مورد کهکشانهای کوتوله (Dwarf Galaxies) صادق نباشد. نتایج این مطالعه حاکی از آن است که برخلاف انتظار، بیشتر کهکشانهای کمجرم احتمالاً فاقد سیاهچالههای فوقپرجرم در مرکز خود هستند. این یافته در تضاد آشکار با نظریهی غالبی قرار دارد که میگوید تقریباً هر کهکشانی، صرفنظر از اندازه و جرم، باید در هستهی خود یک سیاهچالهی بزرگ داشته باشد.
این تحقیق توسط تیمی بینالمللی از اخترشناسان انجام شده که اعضای آن از نهادهای علمی معتبری همچون آزمایشگاه اخترفیزیک پرتو ایکس ناسا، مؤسسهی گرانش و کیهان، مرکز اخترفیزیک نوادا (NCfA)، مؤسسهی گرانشهای حدی (XGI)، مؤسسهی ملی فیزیک هستهای ایتالیا (INFN)، مؤسسهی ملی اخترفیزیک ایتالیا (INAF) و چندین دانشگاه معتبر در سراسر جهان بودهاند. این گروه پژوهشی نتایج خود را در مقالهای با عنوان
«سیاهچالههای مرکزی پرجرم در کهکشانهای کمجرم محلی فراگیر نیستند»
منتشر کردهاند که اخیراً در نشریهی معتبر Astrophysical Journal به چاپ رسیده است.
در این مطالعه، پژوهشگران از دادههای بیش از ۱۶۰۰ کهکشان استفاده کردند که طی حدود دو دهه توسط رصدخانهی چاندرا مورد مشاهده قرار گرفته بودند. این مجموعه داده، یکی از جامعترین بانکهای اطلاعاتی پرتو ایکس از کهکشانها محسوب میشود و امکان بررسی آماری دقیق حضور سیاهچالهها را فراهم میکند.
دامنهی کهکشانهای بررسیشده بسیار گسترده بود؛ از کهکشانهایی با جرمی تنها چند درصد جرم کهکشان راه شیری گرفته تا کهکشانهایی که تا ده برابر پرجرمتر از راه شیری هستند. پژوهشگران با تحلیل این دادهها متوجه شدند که بیش از ۹۰ درصد کهکشانهای پرجرم دارای یک منبع پرتو ایکس بسیار درخشان در مرکز خود هستند. چنین تابشی نشانهای قوی از وجود یک سیاهچالهی فوقپرجرم فعال است.
دلیل این موضوع به سازوکار فیزیکی سیاهچالهها بازمیگردد. هنگامی که گاز و غبار به درون قرص برافزایشی اطراف سیاهچاله سقوط میکند، این مواد تا سرعتهایی نزدیک به سرعت نور شتاب میگیرند. در نتیجه، مقدار عظیمی انرژی آزاد میشود که در گسترهی وسیعی از طول موجها، از جمله پرتو ایکس، قابل مشاهده است. بنابراین، پرتو ایکس بهعنوان یکی از مهمترین ابزارها برای شناسایی سیاهچالههای فعال به کار میرود.
اما زمانی که پژوهشگران دادههای مربوط به کهکشانهای کوچکتر و کمجرمتر را بررسی کردند، با نتیجهای غیرمنتظره روبهرو شدند. بیشتر این کهکشانها فاقد منابع پرتو ایکس درخشان در مرکز خود بودند. این مسئله این پرسش اساسی را مطرح کرد که آیا این کهکشانها واقعاً سیاهچالهی فوقپرجرم ندارند، یا اینکه سیاهچالههای آنها آنقدر کمنور هستند که از دید چاندرا پنهان ماندهاند.
اعتبار تصویر: ناسا / رصدخانهی پرتو ایکس چاندرا (CXC) / رصدخانهی اخترفیزیک اسمیتسونی (SAO) / فَن ژو و همکاران / پیمایش آسمانی دیجیتال اسلون (SDSS) / اِن. وُولک
تیم پژوهشی برای پاسخ به این پرسش، دو توضیح احتمالی را در نظر گرفت. نخست اینکه درصد کهکشانهایی که واقعاً دارای سیاهچالهی پرجرم هستند، در میان کهکشانهای کمجرم بسیار کمتر است. توضیح دوم این بود که سیاهچالهها در این کهکشانها وجود دارند، اما به دلیل کمبودن میزان مادهی در حال سقوط به درون آنها، تابش پرتو ایکس آنها بسیار ضعیفتر از حد تشخیص رصدخانهی چاندرا است.
پژوهشگران با دقت هر دو سناریو را بررسی کردند. آنها مدلهایی را به کار گرفتند که نشان میدهد میزان تابش پرتو ایکس یک سیاهچاله بهطور مستقیم به نرخ برافزایش ماده بستگی دارد. به بیان ساده، هرچه گاز بیشتری به درون سیاهچاله سقوط کند، تابش آن قویتر خواهد بود. از آنجا که سیاهچالههای کوچکتر معمولاً گاز کمتری جذب میکنند، انتظار میرود کمنورتر باشند.
با وجود این، نتایج نشان داد که حتی با در نظر گرفتن این کاهش طبیعی در تابش، هنوز هم کمبود قابلتوجهی در پرتو ایکس وجود دارد که نمیتوان آن را تنها با کاهش نرخ برافزایش توضیح داد. این «کسری پرتو ایکس» اضافی تنها یک توضیح منطقی داشت: بسیاری از کهکشانهای کمجرم اساساً فاقد سیاهچالههای فوقپرجرم هستند.
در نهایت، تیم تحقیقاتی به این نتیجه رسید که احتمالاً تنها حدود ۳۰ درصد کهکشانهای کوتوله میزبان سیاهچالههای پرجرم در مرکز خود هستند. این عدد بهطور چشمگیری کمتر از درصد مشاهدهشده در کهکشانهای بزرگ است.
النا گالو، استاد اخترشناسی دانشگاه میشیگان و یکی از نویسندگان این مقاله، در اینباره میگوید:
«ما بر اساس تحلیل دادههای چاندرا به این نتیجه رسیدهایم که واقعاً تعداد سیاهچالهها در این کهکشانهای کوچک بسیار کمتر از همتایان بزرگتر آنهاست.»
این یافتهها پیامدهای مهمی برای درک ما از چگونگی شکلگیری سیاهچالههای فوقپرجرم دارند. در حال حاضر، دو نظریهی اصلی برای منشأ این سیاهچالهها مطرح است. نظریهی نخست، فروپاشی مستقیم (DCBH) نام دارد. طبق این نظریه، ابرهای عظیم گاز در کیهان اولیه بدون آنکه ابتدا به ستاره تبدیل شوند، مستقیماً فرو میریزند و سیاهچالههایی با جرمی در حد هزاران برابر جرم خورشید ایجاد میکنند. این سیاهچالهها سپس بهتدریج رشد کرده و به غولهای کیهانی امروزی تبدیل میشوند.
نظریهی دوم، بذر فروپاشی ستارهای (SCS) است. در این سناریو، ابتدا ستارگان بسیار پرجرم متولد میشوند، سپس در پایان عمر خود فرو میریزند و سیاهچالههایی با جرم ستارهای ایجاد میکنند. این سیاهچالهها در گذر زمان، از طریق ادغام با یکدیگر و جذب ماده، به سیاهچالههای فوقپرجرم تبدیل میشوند.
فن ژو، نویسندهی اصلی مقاله از دانشگاه میشیگان در اَنآربر، توضیح میدهد که چرا شمارش دقیق سیاهچالهها در کهکشانهای کوچک اهمیت دارد:
«داشتن یک آمار دقیق از سیاهچالهها در این کهکشانها فقط یک تمرین آماری ساده نیست. نتایج ما سرنخهای مهمی دربارهی چگونگی تولد سیاهچالههای فوقپرجرم ارائه میدهد و همچنین نشان میدهد که با تلسکوپهای جدید یا آینده، تا چه اندازه میتوان نشانههای سیاهچالهها را در کهکشانهای کوتوله شناسایی کرد.»
یافتههای این پژوهش بیشتر با نظریهی فروپاشی مستقیم سازگار است. چرا که اگر نظریهی بذرهای ستارهای درست بود، انتظار میرفت که کهکشانهای کوچک نیز تقریباً همان درصد سیاهچالهها را داشته باشند که در کهکشانهای بزرگ دیده میشود. اما کاهش چشمگیر تعداد سیاهچالهها در کهکشانهای کمجرم، این سناریو را با چالش جدی روبهرو میکند.
افزون بر این، نتایج این تحقیق پیامدهای مهمی برای مطالعهی امواج گرانشی نیز دارد. ادغام کهکشانهای کوتولهای که دارای سیاهچالههای پرجرم هستند، میتواند منبع تولید امواج گرانشی باشد. اگر تعداد این سیاهچالهها کمتر از حد انتظار باشد، در نتیجه منابع امواج گرانشی نیز کمتر خواهند بود. این موضوع همچنین به معنای کاهش نرخ بلعیدهشدن ستارگان توسط سیاهچالهها در جهان محلی است.
بر همین اساس، این پژوهش پیشبینیهایی دربارهی مشاهدات آینده ارائه میدهد؛ بهویژه در مورد مأموریتهایی مانند آنتن فضایی تداخلسنج لیزری (LISA) که قرار است در دهههای آینده برای آشکارسازی امواج گرانشی در فضا به کار گرفته شود. نتایج این مطالعه میتواند به اخترشناسان کمک کند تا انتظارات واقعبینانهتری از آنچه نسل بعدی رصدخانهها خواهند دید، داشته باشند.
در مجموع، این تحقیق نشان میدهد که جهان ممکن است از آنچه پیشتر تصور میکردیم، از نظر سیاهچالههای فوقپرجرم ناهمگونتر و پیچیدهتر باشد و کهکشانهای کوچک، داستانی متفاوت از همتایان غولپیکر خود روایت کنند.