این ماموریت حاصل همکاری مشترک میان سازمان اکتشافات هوافضای ژاپن (JAXA) و سازمان فضایی آمریکا (NASA) است و در تاریخ ۷ سپتامبر ۲۰۲۳ با موفقیت به فضا پرتاب شد. هدف اصلی XRISM، مطالعه دقیق اجرام فوقچگال و پرانرژی کیهان، بهویژه سیاهچالهها و ستارههای نوترونی، و همچنین بررسی پلاسمای داغ موجود در فضای میانکهکشانی است.
آنچه XRISM را از نسلهای پیشین تلسکوپهای پرتو ایکس متمایز میکند، بهرهگیری از فیلترهای تصویربرداری پیشرفته و طیفسنجهایی با قدرت تفکیک بیسابقه است. این قابلیتها به دانشمندان اجازه میدهد ساختارهای بسیار ظریف طیفی را که پیشتر در هم آمیخته یا پنهان بودند، با دقتی کمنظیر تفکیک کنند. در کنار دو ماموریت شناختهشده دیگر، یعنی تلسکوپ فضایی XMM-Newton متعلق به آژانس فضایی اروپا و NuSTAR متعلق به ناسا، XRISM موفق شد واضحترین و دقیقترین طیف پرتو ایکس ثبتشده تا امروز را از یکی از مشهورترین کهکشانهای فعال، یعنی MCG–۶-۳۰-۱۵ به دست آورد.
کهکشان MCG–۶-۳۰-۱۵ در فاصلهای حدود ۱۲۰٫۷ میلیون سال نوری از زمین قرار دارد و از نوع سیفرت نوع ۱ است؛ نوعی کهکشان فعال که بهخاطر تغییرات شدید و سریع در تابش پرتو ایکس خود شناخته میشود. در مرکز این کهکشان، یک سیاهچاله کلانجرم با جرمی حدود دو میلیون برابر جرم خورشید قرار دارد. این سیاهچاله، با بلعیدن ماده اطراف خود، انرژی عظیمی آزاد میکند که بخش قابلتوجهی از آن به صورت پرتو ایکس آشکار میشود.
گروه پژوهشی این مطالعه به سرپرستی لورا برنمن از مرکز اخترفیزیک هاروارد–اسمیتسونین (CfA) موفق شد با استفاده از دادههای XRISM، یکی از نشانههای کلیدی چرخش سریع سیاهچالهها را بهطور واضح شناسایی کند: خط گسیل پهن آهن و پدیده موسوم به «بازتاب» (Reflection). این ویژگی طیفی زمانی ایجاد میشود که پرتوهای ایکس پرانرژی، تولیدشده در نزدیکی سیاهچاله، به قرص برافزایشی اطراف آن برخورد کرده و دوباره به سمت ناظر بازتاب میشوند.
به لطف قدرت تفکیک طیفی بینظیر XRISM، پژوهشگران توانستند محیط بسیار نزدیک به افق رویداد سیاهچاله را بررسی کنند؛ ناحیهای که قرص برافزایشی تا فاصلهای بسیار اندک از مرز نهایی سیاهچاله امتداد دارد. این منطقه تحت تأثیر شدید گرانش قرار دارد و قوانین فیزیک کلاسیک در آن جای خود را به اثرات پیشبینیشده توسط نسبیت عام اینشتین میدهند.
سالهاست که اخترشناسان گمان میکنند بخش عمدهای از تابش پرتو ایکس این کهکشان از مادهای سرچشمه میگیرد که در نزدیکی سیاهچاله مرکزی در حال گردش است. با این حال، تلسکوپهای پیشین توان تفکیک خطوط گسیل و جذب مختلف را در این بازه انرژی نداشتند. همین محدودیت باعث میشد که تفکیک نور تولیدشده در نزدیکی افق رویداد از تابش گازهای دورتر، بسیار دشوار یا حتی غیرممکن باشد.
در نزدیکی افق رویداد، خمیدگی شدید فضا–زمان باعث میشود مسیر نور بهشدت تغییر کند. در نتیجه، سیگنالهایی که از نواحی بسیار نزدیک به سیاهچاله میآیند، بهراحتی با تابش ناشی از ابرهای گازی دورتر اشتباه گرفته میشوند. XRISM توانست این مانع بزرگ را از سر راه بردارد.
با ترکیب دادههای فوقدقیق ابزار پرتو ایکس Resolve در XRISM و پوشش پهنباند XMM-Newton و NuSTAR، پژوهشگران موفق شدند خطوط گسیل و جذب مربوط به دو منبع متفاوت – قرص برافزایشی نزدیک سیاهچاله و گازهای دورتر – را بهطور جداگانه شناسایی کنند. لورا برنمن در بیانیهای توضیح میدهد:
«سیاهچالههای اخترفیزیکی تنها دو ویژگی بنیادی دارند: جرم و چرخش. جرم آنها را میتوان با روشهای مختلف تخمین زد، اما اندازهگیری سرعت چرخش بسیار دشوارتر است و نیاز به دادههایی دارد که از گاز در حال گردش درست در بیرون افق رویداد به دست آمده باشند.»
نتایج این پژوهش که بهتازگی در نشریه معتبر The Astrophysical Journal منتشر شده، وجود یک خط آهن پیچخورده و دچار اعوجاج را در طیف پرتو ایکس تأیید میکند. این یافته نخستین شواهد مستقیم را ارائه میدهد که نشان میدهد مادهای با سرعتی نزدیک به سرعت نور در مجاورت افق رویداد در حال گردش است، نه اینکه صرفاً به صورت بادهایی میان کهکشانی به بیرون رانده شود. به گفته پژوهشگران، این ناحیه نزدیک به سیاهچاله حدود ۵۰ برابر بیشتر از گازهای دوردست، بازتاب پرتو ایکس تولید میکند.
مطالعهای مکمل به سرپرستی دنیل آر. ویلکینز از دانشگاه ایالتی اوهایو، با بررسی دادهها در زمانهای مختلف مشاهده، این نتایج را گسترش داده و پویایی این سامانه پیچیده را با جزئیات بیشتری تحلیل کرده است.
علاوه بر تعیین دقیقتر سرعت چرخش سیاهچاله، این پژوهش اطلاعات ارزشمندی درباره تاج (Corona) سیاهچاله نیز فراهم کرده است؛ ناحیهای با دمایی در حد میلیاردها درجه که در بالا و پایین قرص برافزایشی قرار دارد و منبع اصلی تولید پرتوهای ایکس است. ماهیت و ساختار این تاج سالها یکی از معماهای بزرگ اخترفیزیک بوده است.
همچنین تیم تحقیقاتی موفق شد دستکم پنج ناحیه مجزا از بادهای خروجی را شناسایی کند که در اثر فرایند برافزایش به وجود آمده و توسط سیاهچاله هدایت میشوند. این بادها نقش مهمی در تنظیم رشد سیاهچاله و تحول کهکشان میزبان آن دارند.
برنمن در پایان تأکید میکند که XRISM این امکان را فراهم میکند تا اندازهگیریهای پیشین چرخش سیاهچالهها که با دادههای کموضوح انجام شدهاند، بازبینی و اصلاح شوند. به گفته او، درک همزمان چرخش سیاهچاله و بادهای خروجی برای فهم چگونگی رشد کهکشانها – چه از طریق جذب گاز و چه از راه ادغام با کهکشانها و سیاهچالههای دیگر – ضروری است.
این نتایج تصویری جامعتر از رابطه همزیستانه میان سیاهچالههای کلانجرم و کهکشانهای میزبان آنها ارائه میدهد؛ رابطهای که یکی از کلیدهای اصلی درک تحول کیهان به شمار میرود.
