چه چیزی باعث جان گرفتن کهکشان‌ها می‌شود

به گزارش گروه دانش و فناوری اقتصاد ۱۰۰ و به نقل از  دیجی کالا مگ،۱۲ می سال ۲۰۲۲ (۲۲ اردیبهشت ۱۴۰۱) بود که در ۹ کنفرانس مطبوعاتی هم‌زمان در سراسر جهان، اخترفیزیکدانان نخستین تصویر از سیاهچاله‌ی مرکزی کهکشان راه شیری را به نمایش گذاشتند.

هرچند این تصویر بسیار شگفت‌انگیز بود و با دشواری زیاد از حلقه‌ی نور اطراف سیاهچاله‌ی مرکزی کهکشان ما تولید شد، اما صرفا چیزی را ثابت کرد که کارشناسان پیش از این هم انتظار داشتند: در مرکز راه شیری سیاهچاله‌ای عظیم وجود دارد که در حال چرخش است و از نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینشتین پیروی می‌کند.

اما در بررسی‌های دقیق‌تر این سیاهچاله، همه چیز کاملا واضح نبود. دانشمندان از درخشندگی توده‌ی نور اطراف سیاهچاله سرعت ریزش ماده بر «کمان ای*» (*Sagittarius A) یعنی سیاهچاله‌ی مرکزی راه شیری را تخمین زده‌اند و دریافته‌اند که به هیچ وجه سریع نیست و این یعنی ماده‌ی کمی روی آن می‌ریزد.

در یک چهارم قرن گذشته، اخترفیزیکدانان دریافته‌اند که رابطه‌ای محکم و پویا بین بسیاری از کهکشان‌ها و سیاهچاله‌های مرکزی آن‌ها وجود دارد. «رامش نارایان» (Ramesh Narayan) اخترفیزیکدان نظری دانشگاه هاروارد در این‌باره گفت: «مشخص نبود که سیاهچاله‌ها چگونه باعث شکل‌گیری و کنترل روند تکامل کهکشان‌ها می‌شوند. اما اکنون تغییر بسیار بزرگی در این زمینه رخ داده است.»

این حفره‌های غول‌پیکر یا به عبارت دقیق‌تر ماده‌های اَبَرچگال که حتی نور هم توان گریز از گرانش آن‌ها را ندارد، مانند موتور کهکشان هستند اما محققان تازه موفق به آغاز درک این عملکرد آن‌ها شده‌اند.

گرانش، گرد و غبار و گاز را به سمت مرکز کهکشان می‌کشد و یک قرص برافزایشی چرخان را اطراف سیاهچاله‌ی عظیم آن شکل می‌دهد. سپس در اثر نیروهای شدید، دمای این مواد افزایش یافته و به پلاسمای سفید داغ تبدیل می‌شوند. در ادامه و زمانی که سیاهچاله این ماده را، چه به صورت تدریجی و چه ناگهانی در خود فرو می‌برد، در یک فرآیند بازخورد، انرژی به کهکشان بازگردانده می‌شود.

«الیوت کواتارت» (Eliot Quataert) اخترفیزیکدان نظری دانشگاه پرینستون با اشاره به شبیه‌سازی رایانه‌ای این روند گفت: «وقتی یک سیاهچاله را رشد می‌دهید، با بازده بیشتر نسبت به هر فرآیند دیگری که در طبیعت می‌شناسیم، انرژی تولید می‌کند و آن را به محیط اطراف می‌ریزد. همین بازخورد انرژی است که بر نرخ تشکیل ستاره و الگوهای جریان گاز در سراسر کهکشان تأثیر می‌گذارد.»

اما هنوز هم درباره‌ی این دوران فعالیت شدید سیاهچاله‌های کلان‌جرم، یعنی زمانی که در اصطلاح به «هسته‌های فعال کهکشانی» (AGN) تبدیل می‌شوند، پژوهشگران فقط چند ایده‌ی مبهم دارند. اینکه سازوکار تحریک و آغاز این روند چیست و چه چیزی کلید پایان آن است، از جمله پرسش‌های اساسی هستند که به گفته‌ی «کریستن هال» پژوهشگر مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان دانشمندان همچنان برای رسیدن به پاسخ آن‌ها تلاش می‌کنند.

در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی، ستاره‌شناسان به‌طور کلی وجود سیاهچاله‌ها را در مراکز کهکشان‌ها پذیرفتند. در آن زمان آن‌ها می‌توانستند به اندازه‌ی کافی مناطق نزدیک به این اجرام نامرئی ببینند تا جرم آن‌ها را از حرکت ستارگان مجاور استنباط کنند.

اما در این مطالعات یک روند عجیب مشاهده شد: هر چه کهکشان جرم بیشتری داشته باشد، سیاهچاله‌ی مرکزی آن هم سنگین‌تر است. رابطه‌ای که به گفته‌ی «تیزیانا دی متئو» (Tiziana Di Matteo) اخترفیزیکدان دانشگاه کارنگی ملون «کاملا قطعی و یک یافته‌ی انقلابی بود. در حقیقت سیاهچاله به‌نوعی با کهکشان صحبت می‌کند.»

این همبستگی به‌ویژه زمانی تعجب‌آور است که در نظر بگیرید سیاهچاله، به هر اندازه هم که بزرگ باشد، تنها کسر ناچیزی از کل کهکشان محسوب می‌شود. برای نمونه کمان ای* تقریبا ۴ میلیون برابر خورشید جرم دارد، اما جرم کهکشان راه شیری حدود ۱.۵ تریلیون برابر خورشید است. به همین دلیل، گرانش سیاهچاله تنها در درونی‌ترین منطقه‌ی کهکشان مواد را به سوی خود می‌کشد.

سرانجام «مارتین ریس» (Martin Rees) اخترشناس سلطنتی بریتانیا، با در نظر گرفتن بازخورد AGN، راهی طبیعی برای توضیح ارتباط سیاهچاله‌های نسبتا کوچک به کهکشان‌های بزرگ ارائه کرد. دو دهه پیش از آن، در دهه‌ی ۱۹۷۰ میلادی، او به‌درستی این فرضیه را مطرح کرده بود که عامل تولید جت‌های درخشان مشاهده شده در برخی کهکشان‌های دوردست و درخشان یعنی اختروش (Quasar)، سیاهچاله‌های بسیار پرجرم آن‌هاست.

او حتی به همراه «دونالد لیندن بل» (Donald Lynden-Bell) پیشنهاد کرد که وجود یک سیاهچاله می‌تواند درخشش مرکز کهکشان راه شیری را هم توضیح دهد. پس آیا این‌ها می‌توانند نشانه‌هایی از یک پدیده‌ی کلی باشند که بر اندازه‌ی سیاهچاله‌های کلان‌جرم در همه جا حاکم است؟

ایده این بود که هر چه سیاهچاله ماده‌ی بیشتری را ببلعد، فعال‌تر و روشن‌تر می‌شود و گاز را با تکانه و انرژی بیشتری به بیرون پرتاب می‌کند. در نهایت، این فشار رو به بیرون مانع از سقوط گازهای پیرامونی به درون سیاهچاله می‌شود.

به گفته‌ی ریس «این‌طور استدلال می‌شد که چنین روندی، به شکلی نامتوازن رشد سیاهچاله را متوقف می‌کند.» یا طبق نظر دی متئو «سیاهچاله ابتدا مواد اطراف را در دهان خود می‌گذارد و پس از آن می‌بلعد.» یک کهکشان بسیار بزرگ، وزن بیشتری بر سیاهچاله‌ی مرکزی وارد و بدین ترتیب پرتاب گاز از سیاهچاله به بیرون را سخت‌تر می‌کند. این به نوبه‌ی خود باعث می‌شود تا سیاهچاله پیش از بلعیدن مواد، متورم شود.

با این حال، تعداد کمی از اخترفیزیکدانان متقاعد شده بودند که انرژی ناشی از فرورفتن ماده می‌تواند به این شکل چشمگیر به بیرون پرتاب شود. ناتاراجان، دانشجوی ریس که به توسعه‌ی اولین مدل‌های بازخورد AGN کمک کرد، در این زمینه گفت: «زمانی که برای پایان‌نامه روی این موضوع کار می‌کردیم، همه‌ی ما در مورد سیاهچاله‌ها به‌عنوان نقطه‌ای بدون بازگشت که گاز به درون آن راه می‌یابد، وسواس داشتیم. همه باید با احتیاط و با جدیت این کار را انجام می‌دادند، زیرا فرضیه‌ی بسیار ساختارشکنانه‌ای بود.»

سرانجام تأیید ایده‌ی بازخورد چند سال بعد، با کمک شبیه‌سازی‌های کامپیوتری که توسط دی متئو و اخترفیزیکدانان «فولکر اسپرینگل» (Volker Springel) و «لارس هرنکوییست» (Lars Hernquist) توسعه یافت، انجام شد.

دی متئو در این‌باره گفت: «می‌خواستیم مجموعه‌ی شگفت‌انگیزی از کهکشان‌هایی را که در جهان واقعی می‌بینیم، بازتولید کنیم.» آن‌ها از روند اصلی آگاه بودند: کهکشان‌ها در جهان اولیه به‌صورت کوچک و متراکم آغاز می‌شوند. سپس با گذشت زمان گرانش باعث در هم کوبیده شدن و ادغام‌های خیره‌کننده‌ی این کهکشان‌های کوتوله می‌شود و آن‌ها را به شکل‌های متنوع حلقوی، مارپیچی، سیگار و هر شکل دیگری درمی‌آورد.

کهکشان‌ها از نظر اندازه و تنوع رشد می‌کنند تا زمانی که پس از برخوردهای کافی به یکدیگر، بزرگ و آرام شوند. چیزی که به گفته‌ی دی ماتئو «در نهایت به یک توده ختم می‌شود.» او و همکارانش می‌توانستند در شبیه‌سازی‌ها این حباب‌های بزرگ بدون ساختارهای مشخص را که کهکشان‌های بیضوی نامیده می‌شوند، با ادغام چند بار کهکشان‌های مارپیچی، دوباره خلق کنند. اما یک مشکل وجود داشت.

در حالی که کهکشان‌های مارپیچی مانند کهکشان راه شیری ستارگان جوان زیادی دارند که به رنگ آبی می‌درخشند، کهکشان‌های بیضوی غول‌پیکر فقط دارای ستارگان بسیار مسن هستند که به رنگ قرمز می‌درخشند. اسپرینگل، از مؤسسه‌ی اخترفیزیک ماکس پلانک آلمان درباره‌ی شبیه‌سازی این ستارگان گفت: «آن‌ها قرمز و مرده هستند اما هر بار که تیم پژوهشی، شبیه‌سازی خود را اجرا می‌کرد، کهکشان‌های بیضوی را با ستاره‌هایی نشان می‌داد که در نور آبی می‌درخشیدند و هیچ چیزی که به روند تشکیل ستاره پایان دهد در مدل کامپیوتری ثبت نشده بود.»

او افزود: «برای رفع این مشکل، ایده‌ی ما این بود که روند ادغام کهکشان‌های خود را با ایجاد سیاهچاله‌های کلان‌جرم در مرکز کهکشان تقویت کنیم. اجازه دادیم که این سیاهچاله‌ها گاز را ببلعند و انرژی آزاد کنند تا جایی مانند فشار در یک دیگ زودپز، همه چیز از هم جدا شود. با این تغییر، ناگهان کهکشان بیضوی روند شکل‌گیری ستاره را متوقف کرد و قرمز و مرده شد. اصلا انتظار نداشتیم که این تأثیر تا این حد شدید باشد.»

با بازتولید کهکشان‌های بیضوی با ستاره‌های قرمز و مرده در این شبیه‌سازی، نظریه‌های بازخورد سیاهچاله‌ی مطرح شده توسط ریس و ناتاراجان تقویت شد. اینکه یک سیاهچاله، با وجود اندازه‌ی نسبتا کوچکش نسبت به کل کهکشان، از طریق فرآیند بازخورد می‌تواند روی آن اثرگذار باشد.

در طول دو دهه‌ی گذشته، مدل‌های رایانه‌ای مناسبی برای شبیه‌سازی بخش‌های بزرگی از کیهان اصلاح شده و گسترش یافته‌اند و به‌طور کلی با انواع کهکشان‌هایی که در اطراف خود می‌بینیم، مطابقت دارند.

این شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان می‌دهند که انرژی پرتاب‌شده از سیاهچاله‌ها، فضای میان‌کهکشانی را با گاز داغی پر می‌کند که اگر انرژی سیاهچاله نبود، پیش از این سرد و به ستاره تبدیل شده بود. اسپرینگل با اشاره به این قدرت سیاهچاله‌ها گفت: «افراد مختلف تا کنون متقاعد شده‌اند که سیاهچاله‌های پرجرم موتورهای بسیار قابل قبولی برای کهکشان‌ها هستند و هیچکس مدل موفقی را بدون در نظر گرفتن حضور سیاهچاله ارائه نکرده است.»

با وجود پیشرفت‌های حاصل شده اما شبیه‌سازی‌های کامپیوتری هنوز به‌طرز شگفت‌آوری ناقص هستند. در حالی که ماده به سمت داخل و قرص برافزایشی اطراف سیاهچاله می‌خزد، اصطکاک باعث کاهش انرژی می‌شود و مقدار انرژی از دست رفته در این مسیر، چیزی است که کدنویسان هنوز به‌صورت دستی و از طریق آزمون و خطا در شبیه‌سازی‌های خود قرار می‌دهند. این نشان می‌دهد که جزئیات هنوز مبهم هستند.

کواتارت در این‌باره گفت: «این احتمال وجود دارد که در برخی موارد به دلیل یک اشتباه، پاسخ درست دریافت کنیم. شاید ما چیزی را که واقعا مهم‌ترین مورد درباره‌ی چگونگی رشد سیاهچاله‌ها و چگونگی تخلیه‌ی انرژی آن‌ها به محیط اطراف است، در نظر نمی‌گیریم.»

حقیقت این است که اخترفیزیکدانان هنوز به‌طور از جزئیات بازخورد AGN آگاهی ندارند. به گفته‌ی دی متئو «می‌دانیم که فرآیند بازخورد چقدر مهم است اما اینکه دقیقا چه چیزی باعث آن می‌شود، مشخص نیست. مشکل کلیدی موضوع هم این است که ما بازخورد را عمیقا و به‌صورت فیزیکی درک نمی‌کنیم.»

آن‌ها می‌دانند که مقداری انرژی به‌صورت تابش ساطع و باعث درخشش مراکز کهکشان‌های فعال می‌شود. میدان‌های مغناطیسی قوی هم باعث می‌شوند که ماده چه به‌صورت بادهای پراکنده‌ی کهکشانی یا به‌صورت جت‌های باریک قدرتمند، از قرص برافزایشی به بیرون پرتاب شود.

سازوکاری که تصور می‌شود سیاهچاله‌ها توسط آن جت‌ها را به بیرون پرتاب می‌کنند، با نام «فرآیند بلندفورد-زناجک» (Blandford-Znajek Process) در دهه‌ی ۱۹۷۰ شناسایی شد، اما اینکه چه چیزی قدرت پرتو را تعیین می‌کند و چه مقدار از انرژی آن توسط کهکشان جذب می‌شود، هنوز یک معمای حل نشده است.

باد کهکشانی که به‌صورت کروی از قرص برافزایشی سرچشمه می‌گیرد و بدین ترتیب نسبت به جت‌ها تمایل بیشتری به برهم‌کنش مستقیم با کهکشان دارد، حتی از قبلی هم مرموزتر است. 

یکی از چیزهایی که نشان می‌دهد هنوز مشکلی وجود دارد این است که سیاهچاله‌ها در شبیه‌سازی‌های پیشرفته‌ی کیهان‌شناسی، کوچک‌تر از اندازه‌های مشاهده شده‌ی سیاهچاله‌های کلان‌جرم واقعی در برخی سیستم‌ها هستند.

برای توقف روند شکل‌گیری ستاره‌ها و ایجاد کهکشان‌های قرمز و مرده، شبیه‌سازی‌ها به سیاهچاله‌هایی نیاز دارند که انرژی زیادی را به بیرون پرتاب کنند تا جریان درون‌ریزی ماده را خفه کند و رشد سیاهچاله متوقف شود. ناتاراجان با مقایسه‌ی واقعیت و شبیه‌سازی‌ها گفت: «فرآیند بازخورد در شبیه‌سازی‌ها بسیار تهاجمی است و خیلی زود این رشد را متوقف می‌کند.»

کهکشان راه شیری اما مشکل کاملا متفاوتی را نشان می‌دهد: طبق پیش‌بینی اغلب شبیه‌سازی‌ها، کهکشانی به این اندازه باید سیاهچاله‌ای بین ۳ تا ۱۰ برابر بزرگ‌تر از کمان ای* داشته باشد. به همین دلیل است که پژوهشگران با نگاه دقیق‌تر به کهکشان ما و کهکشان‌های نزدیک، امیدوارند که بتوانند عملکرد بازخورد AGN را دقیق‌تر درک کنند.

مطالعه‌ی موردی گذشته و حال کهکشان راه شیری می‌تواند تأثیر متقابل این فرآیندها را آشکار سازد. برای مثال، تلسکوپ فضایی گایا اروپا، موقعیت‌ها و حرکات دقیق میلیون‌ها ستاره‌ی راه شیری را نقشه‌برداری کرده است و به اخترفیزیکدانان امکان می‌دهد تا تاریخچه‌ی ادغام راه شیری با کهکشان‌های کوچک‌تر را بررسی کنند.

دانشمندان فرض می‌کنند که چنین رویدادهای ادغام، با تکان دادن ماده در سیاهچاله‌های کلان‌جرم، آن‌ها را فعال می‌کنند و باعث درخشش ناگهانی آن‌ها و حتی پرتاب جت‌ها می‌شوند. کواتارت در این زمینه گفت: «بحث بزرگی در این زمینه وجود دارد که آیا فرآیند ادغام هم اثرگذار است یا خیر. داده‌های گایا نشان می‌دهد که کهکشان راه شیری در زمان شکل‌گیری حباب‌های فرمی، تحت ادغام قرار نگرفته است و نمی‌توان ادغام به‌عنوان محرک‌های جت AGN آن درنظر گرفت.»

از سوی دیگر، ممکن است حباب‌های گاز به‌صورت اتفاقی با سیاهچاله برخورد و آن را فعال کنند. بدین ترتیب سیاهچاله می‌تواند کاملا تصادفی بین حالت‌های جذب مواد، پرتاب جت‌های پرانرژی، دمیدن بادهای کهکشانی و آرام شدن جابه‌جا شود.

اما تصویر اخیر «تلسکوپ افق رویداد» (Event Horizon Telescope) از سیاهچاله‌ی مرکزی راه شیری، که ماده‌ی در حال سقوط را نشان می‌دهد، پرسش تازه‌ای را هم ایجاد می‌کند. اخترفیزیکدانان پیش از این می‌دانستند همه‌ی گازهایی که به درون کهکشان کشیده می‌شوند به افق رویداد سیاهچاله نمی‌رسند، چون بادهای کهکشانی در برابر این جریان برافزایشی، فشاری رو به بیرون وارد می‌کنند.

اما قدرت مورد نیاز این بادها برای توضیح چنین جریان بسیار باریکی غیرواقعی است. نارایان با اشاره به این موضوع گفت: « در شبیه‌سازی باد بزرگی نمی‌بینم و این آن نوع بادی نیست که برای توضیح کامل آنچه در حال وقوع است، نیاز داریم.»

بخشی از این چالش درک نحوه‌ی کار کهکشان‌ها، به تفاوت بزرگ میان مقیاس‌های طولی موجود در ستاره‌ها سیاهچاله‌ها و مقیاس کل کهکشان‌ها و محیط اطرافشان مربوط می‌شود. هنگام شبیه‌سازی یک فرآیند فیزیکی در رایانه، محققان یک مقیاس از واقعیت را انتخاب می‌کنند و اثرات مرتبط را در آن مقیاس قرار می‌دهند. اما در کهکشان‌ها، اثرات بزرگ و کوچک با هم تعامل دارند.

نارایان در این زمینه خاطرنشان کرد: «سیاهچاله در مقایسه با کهکشان بزرگ واقعا کوچک است و نمی‌توان همه‌ی آن‌ها را در یک شبیه‌سازی عظیم قرار داد. هر ساختاری به اطلاعات ساختار مقابل نیاز دارد، اما مهم شیوه‌ی برقراری ارتباط میان آن‌هاست.»

حالا پژوهشگران به‌منظور پر کردن این شکاف، پروژه‌ای را راه‌اندازی می‌کنند که از شبیه‌سازی‌های تودرتو برای ساختن مدلی منسجم از چگونگی جریان گاز در کهکشان راه شیری و کهکشان فعال مسیه ۸۷ استفاده می‌کند.

به گفته‌ی نارایان در این مدل‌سازی «اجازه می‌دهید که اطلاعات از کهکشان به سیاهچاله برسد و بگوید که چه کاری انجام دهد و سپس اجازه می‌دهید که اطلاعات سیاهچاله به عقب بازگردد و به کهکشان بگویید چه کاری انجام دهد. این یک حلقه است که تکرار می‌شود.»

این شبیه‌سازی‌ها باید به شفاف‌سازی الگوی جریان گاز منتشر شده در داخل و اطراف کهکشان‌ها کمک کند. در این زمینه مشاهدات بیشتر محیط پیراکهکشانی توسط «تلسکوپ فضایی جیمز وب» (James Webb Space Telescope) هم مؤثر خواهد بود.